當(dāng)氣相中含有少量液相時(shí)，則稱該氣液混合物為濕氣。美國石油學(xué)會將Lockhart–Martinelli（L-M）參數(shù)X_LM≤0.3的氣液兩相流定義為濕氣，其廣泛存在于石化、核能、冶金等工業(yè)過程中。近年來，濕氣流量測量已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題之一。目前，雖然有很多測量濕氣的方法，但是絕大多數(shù)濕氣流量計(jì)都采用了差壓測量技術(shù)。從1962年Murdock發(fā)表了*個(gè)針對孔板流量計(jì)的濕氣測量模型開始，經(jīng)過Chisholm等的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了很多差壓元件的濕氣流量測量模型。但是，這些研究大多是針對孔板、文丘里管等標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置進(jìn)行的，對于V錐流量計(jì)的研究則相對較少。由于濕氣流型多為光滑分層流、分層波浪流和環(huán)霧狀流，其流型特點(diǎn)表現(xiàn)為液相集中在管壁附近，氣相分布在水平管的上半部分與管道中心。與孔板和文丘里管相比，V錐流量計(jì)*的錐形節(jié)流結(jié)構(gòu)可以大大降低對濕氣流型的破壞作用，減小差壓測量的波動，使得測量更加平穩(wěn)、準(zhǔn)確。因此，V錐流量計(jì)在濕氣測量領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

    研究表明，與其他差壓式流量計(jì)類似，V錐流量計(jì)測量濕氣時(shí)得到的流量比單獨(dú)測量氣相時(shí)偏高，即產(chǎn)生了虛高現(xiàn)象。已有的濕氣測量模型均建立在經(jīng)虛高修正的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式上。Stewart等對節(jié)流比為0.55和0.75的V錐流量計(jì)進(jìn)行了濕氣測量研究，擬合出了虛高修正關(guān)聯(lián)式，結(jié)果表明，在相同的濕氣條件下，V錐流量計(jì)的測量精度要優(yōu)于文丘里流量計(jì)；胡俊等采用V錐流量計(jì)，基于流型修正的林宗虎關(guān)系式實(shí)現(xiàn)了氣水兩相流測量，驗(yàn)證了采用V錐流量計(jì)測量氣液兩相流的可行性。此外，徐英等采用V錐與文丘里管串聯(lián)的方法測量濕氣流量，經(jīng)過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，均獲得了較高的測量精度；Zhang等將兩個(gè)節(jié)流比不同的V錐串聯(lián)起來進(jìn)行氣液兩相流流量的測量也取得了較好的測量效果。但是，已有的V錐濕氣測量模型除了對虛高進(jìn)行修正外，還需獲得流量計(jì)的流出系數(shù)Cd和氣體可膨脹系數(shù)ε，一般Cd和ε由單相介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定得到，而目前V錐仍然為非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件，其Cd和ε沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可供參考，不同研究者也會得出相異的Cd和ε的表達(dá)式。同時(shí)，在單相介質(zhì)和氣液混合介質(zhì)中，V錐的Cd和ε的也不相同，這都為測量工作帶來了困難。

    本文采用V錐流量計(jì)，提出了差壓流量計(jì)的兩相流量系數(shù)K，即兩相混合物的總質(zhì)量流量與表觀質(zhì)量流量的比值，實(shí)驗(yàn)研究了液相含率、壓力和氣相流量對K的影響，并以K為基礎(chǔ)，導(dǎo)出了濕氣流量的測量模型。

    1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

    1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

    本文的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用的是壓縮空氣和自來水。實(shí)驗(yàn)流程為：空氣壓縮機(jī)提供的壓縮空氣進(jìn)入儲氣罐后，由調(diào)壓閥和旁通調(diào)節(jié)閥獲得一定壓力和流量的氣體，再經(jīng)由氣相流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量；儲水罐中的自來水由水泵泵送至液相流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，水路也設(shè)有調(diào)節(jié)閥和旁通閥來調(diào)節(jié)水的流量和壓力。流量計(jì)計(jì)量后的氣和水進(jìn)入氣液混合器以實(shí)現(xiàn)氣液的混合，混合器出口至實(shí)驗(yàn)段留有足夠長的直管段以保證氣液的充分混合和流型的充分發(fā)展。實(shí)驗(yàn)段出口的氣液混合物由氣液分離器進(jìn)行氣水分離后，空氣直接排入大氣中，水回收至儲水罐進(jìn)行循環(huán)利用。實(shí)驗(yàn)中參考?xì)庀嗔髁坑梢慌_精度為1.0%的橫河渦街流量計(jì)計(jì)量，測量范圍為19.5~444m³·h^-1（0.2MPa）；液相參考流量由一臺橫河電磁流量計(jì)測量，其精度為0.1%，測量范圍為0.0076~0.76m³·h^-1。

    實(shí)驗(yàn)段管道內(nèi)徑D=50mm，V錐流量計(jì)的節(jié)流比β=0.75，一次差壓元件V錐的前錐角α=45°，后錐角γ=135°。V錐結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

    本實(shí)驗(yàn)主要是研究液相流量、氣相流量和壓力對測量的影響，實(shí)驗(yàn)安排如下：通過氣路調(diào)節(jié)閥使得實(shí)驗(yàn)管段的壓力保持穩(wěn)定，然后穩(wěn)定氣相流量大小，改變液相流量大小。對每組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口壓力設(shè)定在0.1～0.25MPa，在每一種壓力條件下又可調(diào)節(jié)幾種不同的氣流量，在每一個(gè)氣相流量下，改變液相流量的大小，從而獲得不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本研究的濕氣含液量很小，實(shí)驗(yàn)中X_LM大部分在0～0.035之間；每個(gè)工況點(diǎn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為40s，并進(jìn)行平均處理。具體的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表1。

XLM一般定義為如下的形式

        （1）

    式中：ρg、ρl分別為氣、液相密度，mg、ml分別為氣、液相質(zhì)量流量。

    ρr為氣液密度比，并且ρr=ρg/ρl。氣體弗魯?shù)聰?shù)    

    Frg是氣體慣性力與液體重力比值的均方根，如下式所示

        （2）

    式中：g為重力加速度；Usg為表觀氣體速度，且有

        （3）

    測試數(shù)據(jù)在曼徳漢流型圖上的分布如圖3所示，其中Usl為表觀液體速度。由圖可知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)流型主要為分層流、波狀分層流和環(huán)狀流。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    2.1 測量模型

    差壓流量計(jì)的兩相流量系數(shù)可表示為

        （4）

    式中：mt為氣液兩相總質(zhì)量流量，mt=mg+ml，ml為液相質(zhì)量流量；ma為氣液混合物表觀質(zhì)量流量，可由下式得出

        （5）

    其中，At為差壓流量計(jì)的小流通面積，△Ptp為氣液兩相總差壓。

    圖4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

    聯(lián)立式（4）和（5）可得

       （6）

    式（6）即為基于兩相流量系數(shù)K的濕氣流量測量關(guān)聯(lián)式，K通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定來確定。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

    分別考察液相流量、氣相流量和壓力的無量綱參數(shù)X_LM、Frg和ρr對K的影響，具體參數(shù)取值詳見表1。圖4為在不同壓力和Frg下K隨XLM的變化關(guān)系曲線，可知對于某已知節(jié)流比的V錐流量計(jì)，K受X_LM、壓力及Frg等參數(shù)的影響，并且K隨X_LM的增大而增大。圖5為壓力不變時(shí)Frg對K的影響。由圖可知：當(dāng)Frg＜1.0時(shí)，K受Frg的影響較小；當(dāng)Frg＞1.0時(shí)，K發(fā)生了較大變化。這是由于當(dāng)Frg＜1.0時(shí)，流型處于分層流和波狀分層流見圖3），流動狀態(tài)變化較小，因此K受Frg的影響也不大。當(dāng)Frg在1.5左右時(shí)，濕氣流型處于波狀分層流與環(huán)狀流的過渡區(qū)（見圖3），此時(shí)流動非常不穩(wěn)定，因此圖中Frg=1.5~1.57和圖5b中Frg=1.41~1.51時(shí)，與其他幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比K突然增大，發(fā)生了較大變化。

    由圖6可知，當(dāng)Frg基本不變時(shí)，壓力的變化也會對K產(chǎn)生影響。考慮到含液率、壓力和氣相流量3者對K的影響，本文將這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行無量綱化后，采用多元線性擬合的方法對K進(jìn)行擬合，其表達(dá)式如下

將式（7）代入式（6），即可得到濕氣測量關(guān)聯(lián)式。

    2.3 測量誤差分析

    相對誤差按下式計(jì)算

        （8）

    式中：mp為采用濕氣測量模型獲得的濕氣質(zhì)量流量；mr為參考質(zhì)量流量。

    圖7為由濕氣測量模型得到的氣相質(zhì)量流量與參考質(zhì)量流量的相對偏差，可知在95%置信水平下，其相對誤差在±5%之內(nèi)，能夠滿足工業(yè)測量精度要求。

圖7 氣相質(zhì)量流量相對誤差

    3 結(jié)論

    本文提出了V錐流量計(jì)兩相流量系數(shù)K，實(shí)驗(yàn)研究了XLM、管道壓力和Frg對V錐兩相流量系數(shù)的影響，結(jié)果表明K受XLM的影響較大，并與含液率呈線性關(guān)系變化；當(dāng)壓力波動較小時(shí)，K受Frg變化影響較小。此外，在相同的Frg下，壓力對K也有一定的影響。根據(jù)K與XLM、Frg及壓力的關(guān)系，通過擬合得到了K的關(guān)聯(lián)式，并據(jù)此建立V錐流量計(jì)的濕氣測量模型，經(jīng)過驗(yàn)證，該模型在95%置信水平下，氣相流量誤差在±5%之內(nèi)。

    與其他模型相似，本文提出的濕氣流量測量模型，同樣需要在已知液相流量的前提下得到氣相流量，因此可以采用其他的途徑，如串聯(lián)一個(gè)與之測量特性差異較大的差壓式節(jié)流元件，或者與其他的相含率測量設(shè)備進(jìn)行組合測量等方法來實(shí)現(xiàn)濕氣氣液兩相流量的分別測量。此外，該濕氣流量測量模型無需事先獲得差壓測量元件的流出系數(shù)和氣體可膨脹系數(shù)，對于采用V錐這類非標(biāo)準(zhǔn)的差壓元件進(jìn)行兩相流流量測量是一個(gè)有益的探索。本文出自：煤氣流量計(jì)   /轉(zhuǎn)載需注明