環(huán)狀流液滴夾帶率測(cè)量方法及分析

趙寧，賈慧君，郭立強(qiáng)，劉雨航，方立德

（1 河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071002；2 計(jì)量?jī)x器與系統(tǒng)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，河北 保定 071002；3 河北大學(xué)認(rèn)證認(rèn)可研究所，河北 保定 071000；4 河北白沙煙草有限責(zé)任公司保定卷煙廠，河北 保定 071000）

環(huán)狀流是氣液兩相流動(dòng)中最典型的流型之一，其流動(dòng)形式為氣相以連續(xù)相形式在管道中心沿軸向流動(dòng)。液相一部分以很薄且波狀的液膜形式沿管道內(nèi)壁四周軸向流動(dòng)，另一部分以液滴夾帶形式存在于氣芯[1]。氣液兩相環(huán)狀流廣泛存在于石油化工[2]、天然氣開(kāi)采及運(yùn)輸、空調(diào)制冷系統(tǒng)[3]以及核反應(yīng)堆冷卻[4]等眾多工業(yè)領(lǐng)域。環(huán)狀流液膜是傳質(zhì)傳熱的重要載體，在蒸發(fā)冷卻裝置中傳熱蒸發(fā)過(guò)程極其復(fù)雜，液膜的流動(dòng)特性直接關(guān)系到設(shè)備的安全運(yùn)行，當(dāng)液膜蒸發(fā)率與液滴夾帶率大于液滴沉積率時(shí)，壁面液膜逐漸變薄最終撕裂并干涸，將直接出現(xiàn)燒干現(xiàn)象威脅生產(chǎn)安全。同時(shí)在核反應(yīng)堆失水事故和化工生產(chǎn)的降膜蒸發(fā)和汽提過(guò)程中，液泛現(xiàn)象對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行至關(guān)重要，其中液膜大尺度波動(dòng)、運(yùn)動(dòng)和發(fā)展對(duì)液泛現(xiàn)象的產(chǎn)生有著不可分割的關(guān)系。液膜參數(shù)準(zhǔn)確的定量研究對(duì)研究環(huán)狀流傳質(zhì)、傳熱以及阻力特性等極為重要，因此，液膜參數(shù)的精確定量研究是目前兩相流研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一[5-7]。

國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者對(duì)液膜參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)開(kāi)展了廣泛研究，大量新技術(shù)新方法用于液膜參數(shù)測(cè)量，主要包括聲學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和核輻射法。聲學(xué)法即超聲波液膜測(cè)量法，利用時(shí)差法測(cè)量液膜厚度[8-9]。電學(xué)方法按測(cè)量原理不同主要分為電導(dǎo)法和電容法[10-11]。光學(xué)法是利用全內(nèi)反射、光影法、吸收衰減等原理實(shí)現(xiàn)液膜厚度等參數(shù)測(cè)量的方法[12-13]。核輻射法是基于X射線、伽馬射線、中子穿透兩相流結(jié)構(gòu)時(shí)的輻射衰減來(lái)實(shí)現(xiàn)液膜厚度測(cè)量[14]。上述液膜參數(shù)實(shí)際測(cè)量方法都是通過(guò)間接測(cè)量獲得的，其測(cè)量模型多是基于物理或靜態(tài)實(shí)驗(yàn)擬合模型，然而環(huán)狀流中液膜實(shí)際流動(dòng)是動(dòng)態(tài)波狀流動(dòng)，液膜表面不斷發(fā)生霧化和沉降，其測(cè)量結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)及溯源。而基于將液膜取出進(jìn)而獲得其相關(guān)參數(shù)的測(cè)量法，由于其可溯源性和準(zhǔn)確性在液膜參數(shù)研究中具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，環(huán)狀流液膜的取出將為實(shí)驗(yàn)法研究液膜參數(shù)的測(cè)量和溯源奠定基礎(chǔ)。

目前針對(duì)液膜提取方法按照結(jié)構(gòu)原理主要分為管道鉆孔[15]和喇叭口管道[16]兩種。管道鉆孔的方式受管道材質(zhì)和鉆孔工藝水平的制約，比如析水孔徑尺寸、均勻性、粗糙度、徑向分布等參數(shù)嚴(yán)重影響析水效率和析出速率的調(diào)節(jié)效果。此外，該方法還受管徑曲率和鉆頭尺寸限制，目前文獻(xiàn)中一般多采用1mm 孔徑，不適用于小管徑和較低液相表觀流速的環(huán)狀流，即對(duì)于極薄液膜提取時(shí)會(huì)發(fā)生氣體泄漏，造成當(dāng)液膜質(zhì)量流量較小時(shí)，測(cè)量結(jié)果誤差較大。利用喇叭口管道進(jìn)行脫水時(shí)，需根據(jù)不同的流動(dòng)條件調(diào)節(jié)兩者間的縫隙，喇叭口和主管道的距離調(diào)節(jié)不夠精細(xì)，機(jī)械設(shè)計(jì)精度需要很高，液膜取出速率太快時(shí)，易造成氣體泄漏。

因此本文在前期探索的基礎(chǔ)上，將多孔滲水介質(zhì)應(yīng)用于液膜提取，設(shè)計(jì)一種液膜在線提取裝置和基于液膜質(zhì)量流量測(cè)量的夾帶率測(cè)量方法，開(kāi)展了液滴夾帶率測(cè)量方法測(cè)量不確定度來(lái)源分析和評(píng)定。在河北大學(xué)小口徑高精度氣液兩相流模擬裝置上進(jìn)行了75 組不同流動(dòng)條件下的實(shí)驗(yàn)，利用無(wú)夾帶流動(dòng)條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證本裝置及測(cè)量方法的精度，利用夾帶條件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)有經(jīng)典的夾帶率預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。該裝置及方法為研究氣液兩相環(huán)狀流液膜流動(dòng)特性提供了一種可靠的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法。

1 液滴夾帶率測(cè)量方法

1.1 液膜提取模塊

本文設(shè)計(jì)的液膜提取裝置主要由矩形儲(chǔ)液箱、多孔滲水介質(zhì)、超聲波測(cè)距傳感器、電動(dòng)球閥和抽氣泵等部件構(gòu)成。儲(chǔ)液箱作為整個(gè)裝置的支撐結(jié)構(gòu)和液膜儲(chǔ)存空間，主要考慮了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可操作性、實(shí)驗(yàn)需求等三個(gè)方面，設(shè)計(jì)確定了儲(chǔ)液箱的容積、形狀、傳感器安裝位置和加工材質(zhì)?？紤]到實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中便于對(duì)液膜析出效果和儲(chǔ)液箱液位的觀察，選用有機(jī)玻璃作為儲(chǔ)液箱加工材質(zhì)。管道采用透明有機(jī)玻璃材質(zhì)便于觀察液膜是否取凈，單片機(jī)通過(guò)控制抽氣泵開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)狀流多孔滲水介質(zhì)管段內(nèi)外差壓調(diào)節(jié)，控制液膜析出速率。超聲波測(cè)距傳感器可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)液空間液位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)電動(dòng)球閥開(kāi)度，保持取出液膜質(zhì)量流量穩(wěn)定。液膜提取裝置整體如圖1所示。

圖1 液膜提取裝置整體

本文采用多孔滲水介質(zhì)用于液膜提取，是實(shí)現(xiàn)環(huán)狀流液膜在線取出的關(guān)鍵。多孔滲水介質(zhì)為不銹鋼粉末燒結(jié)而成，具有孔隙均勻、強(qiáng)度高、滲透性強(qiáng)的特點(diǎn)。滲水管壁呈多孔狀，管內(nèi)的液膜借助液膜自身重力的壓差通過(guò)多孔的管壁滲漏到管壁外。多孔滲水介質(zhì)的孔隙率可通過(guò)工藝過(guò)程加以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同流動(dòng)條件的需求，析水速率可通過(guò)控制多孔滲水介質(zhì)內(nèi)外差壓值進(jìn)行調(diào)節(jié)。綜合考慮本文選用的多孔滲水介質(zhì)管路內(nèi)徑為21mm，根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)流動(dòng)條件的要求，多孔滲水介質(zhì)管路部分選擇平均孔隙大小為100μm，管道長(zhǎng)度為200mm，如圖2所示。

圖2 多孔滲水介質(zhì)管段實(shí)物

1.2 差壓控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)

水平管環(huán)狀流管壁處液膜受力情況如圖3 所示，F(xiàn)N為管壁的支持力，F(xiàn)為由于內(nèi)外壓差液膜所受壓力，G為液膜所受重力。其中支持力FN和液膜所受重力G是定值。液膜在多孔滲水介質(zhì)段處的析出速率決定著液膜是否被取凈。通過(guò)觀察透明管路中液膜存在與否判斷是否完全取凈，利用單片機(jī)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)抽氣泵開(kāi)關(guān)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液膜的在線取出。差壓控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)控制抽氣泵開(kāi)閉狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)節(jié)管道內(nèi)與儲(chǔ)液箱間的差壓值，增加或減小液膜析出的速度。

圖3 水平測(cè)試管路液膜受力分析

1.3 液位監(jiān)測(cè)及調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

用于液位監(jiān)測(cè)的傳感器選用的是US-015 型號(hào)超聲波測(cè)距傳感器，其工作溫度范圍為0～70℃，液位測(cè)量范圍為0.02～4m，其最小分辨率可達(dá)0.5mm。利用單片機(jī)處理超聲波測(cè)距模塊所產(chǎn)生的液位信號(hào)，在LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示通過(guò)串口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)液空間液位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為系統(tǒng)判斷液膜質(zhì)量流量是否穩(wěn)定提供了支持。當(dāng)液位高度處于監(jiān)測(cè)傳感器精度最佳范圍時(shí)，根據(jù)超聲波測(cè)距傳感器的反饋信號(hào)判定液膜質(zhì)量流量是否穩(wěn)定，在充分發(fā)展的氣液兩相環(huán)狀流中，待液膜析出完全時(shí)，根據(jù)液位反饋信號(hào)，單片機(jī)輸出的信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換處理電路處理后直接控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，當(dāng)儲(chǔ)液箱液位保持不變時(shí)，停止調(diào)節(jié)球閥開(kāi)度，認(rèn)為此時(shí)所流出的液相質(zhì)量等于管路中被提取的液膜質(zhì)量。利用單片機(jī)發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)換向器將管路換向至計(jì)量管路。液位監(jiān)測(cè)及調(diào)節(jié)控制如圖4所示。

圖4 液位監(jiān)測(cè)及調(diào)節(jié)控制

通過(guò)計(jì)算超聲波信號(hào)傳播的時(shí)間t（s）已知在15℃、1atm（1atm=105Pa）下聲音的傳播速度為340m/s。設(shè)液位為S（cm）液位最大值為40cm，由式(1)即可計(jì)算得到液位。

1.4 換向器和計(jì)時(shí)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的換向器為換向漏斗，由單片機(jī)控制電磁鐵推拉連桿擺動(dòng)從而控制漏斗的換向。換向器起流動(dòng)切換的作用，換向器在啟動(dòng)的同時(shí)觸發(fā)計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)。換向器結(jié)構(gòu)如圖5所示。液體從換向器直徑為20mm的入口流入，經(jīng)換向漏斗流動(dòng)切換分別將需要收集的液體和廢液通過(guò)噴嘴口徑為10mm的出口經(jīng)軟管排出。對(duì)收集到的液體進(jìn)行稱(chēng)重，由LCD 屏可以讀出所收集液體的時(shí)間，由此便可通過(guò)公式計(jì)算出單位時(shí)間的質(zhì)量流量。

圖5 換向器結(jié)構(gòu)

采用接觸器控制開(kāi)關(guān)控制連桿，連桿采用浮動(dòng)式連接，降低連桿運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦，相比于氣缸換向裝置換向更迅速，換向時(shí)水流更穩(wěn)定。此外，入口處的噴嘴口徑在換向器內(nèi)部是由20mm逐漸縮小至10mm制成，在縮小了口徑的同時(shí)也延長(zhǎng)了入口的長(zhǎng)度，從而降低了因入口處漏液產(chǎn)生的誤差，提高了換向器測(cè)量的精度。

計(jì)時(shí)器系統(tǒng)系統(tǒng)由STC89C52 單片機(jī)、LCD1602顯示屏、電源控制電路、降壓模塊、繼電器模塊構(gòu)成。精確計(jì)時(shí)控制系統(tǒng)的主控制部分采用STC89C52 單片機(jī)，其晶振頻率范圍為0～40MHz，計(jì)時(shí)精度達(dá)2×10-8s，不僅可以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、降低成本，而且可靠性好，易于擴(kuò)展。換向計(jì)時(shí)器系統(tǒng)設(shè)置外部操作按鈕，通過(guò)電路板上的K1、K2、K3三個(gè)開(kāi)關(guān)控制計(jì)時(shí)器啟動(dòng)計(jì)時(shí)、暫停和清零功能，同時(shí)K1、K2還控制著電磁鐵的通斷。

1.5 液滴夾帶率測(cè)量方法

液膜質(zhì)量流量計(jì)量系統(tǒng)由液膜收集容器、精密電子天平組成。待儲(chǔ)液容器內(nèi)液位在1～2min內(nèi)保持不變，即液膜質(zhì)量流量穩(wěn)定時(shí)，由自動(dòng)控制系統(tǒng)控制換向器使液相介質(zhì)導(dǎo)入儲(chǔ)液罐，經(jīng)一段時(shí)間后由自動(dòng)控制系統(tǒng)控制換向器使液相介質(zhì)再次導(dǎo)入廢液罐，自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并記錄該兩次換向的時(shí)間間隔t（s），即收集時(shí)間間隔。用精密電子天平對(duì)液膜收集容器及液相介質(zhì)進(jìn)行稱(chēng)量，進(jìn)而得到時(shí)間間隔t內(nèi)取出液膜的質(zhì)量，即可由式(2)得到液膜質(zhì)量流量。

式中，MLF為液膜質(zhì)量流量，kg/s；m為該時(shí)間內(nèi)收集的液相總質(zhì)量，kg，t為液膜收集時(shí)間，s。

得到液膜質(zhì)量流量MLF后，可通過(guò)式(3)計(jì)算得到夾帶率E。

式中，ML為液相質(zhì)量流量，kg/s；MLE為液滴質(zhì)量流量，kg/s。

2 液滴夾帶率測(cè)量方法不確定度評(píng)定

2.1 差壓控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)引入的測(cè)量不確定度分量

測(cè)得液位變化量后，單片機(jī)要快速判斷輸出合理的電壓控制信號(hào)。測(cè)試過(guò)程中，為避免單片機(jī)持續(xù)輸出變化的控制信號(hào)造成電動(dòng)調(diào)節(jié)閥無(wú)法響應(yīng)或卡死，當(dāng)一次液位變化量測(cè)量完成后，單片機(jī)將等待電動(dòng)調(diào)節(jié)閥根據(jù)開(kāi)度輸出的反饋信號(hào)，若反饋信號(hào)處在設(shè)計(jì)的誤差范圍之內(nèi)，則進(jìn)行下一次測(cè)量，若反饋信號(hào)不符合誤差要求則繼續(xù)等待。同時(shí)為了便于對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試，本文將控制信號(hào)和反饋信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)輸出顯示。本文程序方案設(shè)計(jì)距離差值增加大于1cm 時(shí)，控制電壓增加8%，電壓最高為5V，理論輸出應(yīng)為0.4V，結(jié)果顯示為0.39V，其相對(duì)測(cè)量不確定度為0.2%。

2.2 液位監(jiān)測(cè)引入的測(cè)量不確定度分量

儲(chǔ)液箱最高液位發(fā)生在垂直測(cè)試時(shí)為32.7cm，最低液位為0，根據(jù)液膜提取方法，最終儲(chǔ)液空間液位將保持不變，因此對(duì)傳感器最低液位檢測(cè)能力要求可高于0，最大檢測(cè)能力不得低于33cm。由于本文選用的超聲波測(cè)距模塊最低分辨率為0.5mm，其在最大液位處的相對(duì)測(cè)量不確定度為0.15%。

2.3 液膜稱(chēng)量引入的測(cè)量不確定度分量

取出液膜收集容器，用精密電子秤對(duì)液膜進(jìn)行稱(chēng)重，進(jìn)而測(cè)量取出液膜的質(zhì)量。本次實(shí)驗(yàn)所選用JJ1000 精密電子天平，量程為1000g，最小分度值為0.1g，分辨率0.01g。其相對(duì)測(cè)量不確定度為0.02%。

2.4 裝置測(cè)量不確定度評(píng)定

裝置測(cè)量不確定度見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量不確定度評(píng)定

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及參數(shù)范圍

本文所進(jìn)行的環(huán)狀流實(shí)驗(yàn)在小口徑高精度氣液兩相流模擬裝置上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。本裝置采用的流動(dòng)介質(zhì)為壓縮空氣和水，氣源采用空氣壓縮機(jī)提供，流經(jīng)穩(wěn)壓罐，然后通過(guò)空氣過(guò)濾器。液相由水泵產(chǎn)生，通過(guò)變頻器對(duì)液體流速進(jìn)行控制。氣液兩相標(biāo)準(zhǔn)管路混合前分別經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)管路予以計(jì)量，采用渦輪流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表。為了保證氣液兩相流的穩(wěn)定，在氣體流量計(jì)前接10D穩(wěn)流段直管路，從而使流量計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)更精確、更穩(wěn)定。液相流動(dòng)通過(guò)霧化噴嘴將液相以水霧狀形式同氣相流動(dòng)相混合，通過(guò)DN50管路混合，混合后經(jīng)6D穩(wěn)流管路產(chǎn)生穩(wěn)定的氣液兩相環(huán)狀流動(dòng)。氣相體積流量范圍為4～40m3/h，精度等級(jí)為1.5級(jí)，液相體積流量范圍為0.1～1.2m3/h，精度等級(jí)為0.5級(jí)。該實(shí)驗(yàn)裝置采用雙循環(huán)回路設(shè)計(jì)，主要由氣路循環(huán)回路、水路循環(huán)回路、氣液混合水平及垂直實(shí)驗(yàn)管段、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成。將該裝置與本文設(shè)計(jì)的環(huán)狀流液膜取出系統(tǒng)串聯(lián)，開(kāi)展對(duì)本文所設(shè)計(jì)裝置的穩(wěn)定性、可控性等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置

本文氣液兩相環(huán)狀流動(dòng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍見(jiàn)表2。根據(jù)水平管貝克流型圖（圖7）可知本次實(shí)驗(yàn)流動(dòng)條件均滿(mǎn)足環(huán)狀流發(fā)生條件。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍

圖7 實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由氣液兩相流動(dòng)的基本知識(shí)可知，當(dāng)氣液兩相環(huán)狀流動(dòng)無(wú)液滴夾帶現(xiàn)象時(shí)，入口處流量計(jì)處的液相質(zhì)量流量ML應(yīng)等于實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的液膜質(zhì)量流量MLF?；谏鲜鲈黹_(kāi)展了液膜質(zhì)量流量測(cè)量裝置的測(cè)量進(jìn)度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。根據(jù)兩相流體動(dòng)力學(xué)理論可知，當(dāng)氣相表觀流速低于臨界氣相流速時(shí)基本不存在液滴夾帶現(xiàn)象，臨界氣相流速可由Pan 等[17]提出的預(yù)測(cè)模型［式(4)］計(jì)算得到，即ucg=12.9473m/s。為驗(yàn)證該液膜提取裝置在液膜質(zhì)量流量和液滴夾帶率的測(cè)量過(guò)程中的可操作性及準(zhǔn)確性，根據(jù)式(4)選取環(huán)狀流動(dòng)無(wú)夾帶現(xiàn)象下液相表觀流速0.068～0.143m/s，氣相表觀流速9.62～12.65m/s。液膜質(zhì)量流量MLF與液相質(zhì)量流量ML之間的一致性將以平均絕對(duì)百分比誤差（MAPE）表示［式(5)］。圖8給出了當(dāng)氣相表觀流速?gòu)?.62m/s 增加到12.65m/s 時(shí)液相質(zhì)量流量ML與液膜質(zhì)量流量MLF兩者間的差值，其MAPE 為3.19%，92%實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的相對(duì)偏差在±6%以?xún)?nèi)。

式中，D為管路直徑，mm；ucg為氣相臨界流速，m/s；ρg為氣相密度，kg/m3；ρl為液相密度，kg/m3；σ為表面張力系數(shù)，N/m。

由圖8可看出，液相質(zhì)量流量與液膜質(zhì)量流量相對(duì)誤差基本為負(fù)值，即入口液相質(zhì)量流量ML大于實(shí)驗(yàn)測(cè)得液膜質(zhì)量流量MLF。但是在低氣相表觀流速下（usg≤10.25m/s），兩者的最大相對(duì)誤差優(yōu)于2%。因本文選取的夾帶產(chǎn)生時(shí)的臨界氣相表觀流速公式(4)為經(jīng)驗(yàn)-擬合模型，其適用范圍和本文實(shí)驗(yàn)條件有偏差，使得在較大氣相表觀流速條件下，實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能會(huì)存在液滴夾帶，使得入口液相質(zhì)量流量ML與實(shí)驗(yàn)所得液膜質(zhì)量流量MLF存在較大偏差。

圖8 液相質(zhì)量流量與液膜質(zhì)量流量對(duì)比

該裝置的主要目的是實(shí)現(xiàn)液膜的精確在線提取，結(jié)合其他儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)液膜質(zhì)量流量和液滴夾帶率的測(cè)量，為兩相流參數(shù)研究奠定基礎(chǔ)。為此本文開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置在液膜質(zhì)量流量測(cè)量過(guò)程中的可操作性。測(cè)試過(guò)程中氣相表觀流速范圍為12.94～18.01m/s，液相表觀流速范圍為0.08～0.146m/s，測(cè)量液膜質(zhì)量流量及液滴夾帶率。圖9和圖10 分別為各組液膜質(zhì)量流量和液滴夾帶率測(cè)量結(jié)果。

由圖9、圖10 可以看出，同一氣相流速條件下，隨著液相流速的增加，液膜質(zhì)量流量隨之增加，液滴夾帶率也隨之增加。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)與測(cè)量不確定度分析，無(wú)夾帶實(shí)驗(yàn)條件下液相質(zhì)量流量ML與液膜質(zhì)量流量MLF的測(cè)量不確定度絕對(duì)值在很小的范圍內(nèi)，有夾帶實(shí)驗(yàn)條件下所得液膜質(zhì)量流量和液滴夾帶率測(cè)量結(jié)果整體趨勢(shì)較為明顯，變化趨勢(shì)總體符合預(yù)期要求。說(shuō)明該測(cè)量方法測(cè)量準(zhǔn)確性好，該裝置符合設(shè)計(jì)要求，可操作性強(qiáng)，可用于液膜參數(shù)研究過(guò)程中對(duì)液膜質(zhì)量流量和液滴夾帶率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)以及對(duì)現(xiàn)有夾帶率模型的評(píng)價(jià)。

圖9 液膜質(zhì)量流量隨液相表觀流速變化

圖10 液滴夾帶率隨液相表觀流速變化

3.3 夾帶率預(yù)測(cè)模型評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有夾帶率預(yù)測(cè)模型的系統(tǒng)分析，選定了兩種具有代表性的預(yù)測(cè)模型，見(jiàn)表3，并對(duì)其在12.94～18.01m/s 五個(gè)不同氣相表觀流速條件下預(yù)測(cè)效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Pan 等[17]將夾帶定義為霧化和沉積速率之間的平衡，提出水平管中環(huán)形流動(dòng)的夾帶率測(cè)量公式。Dallman 等[18]通過(guò)理論分析指出環(huán)狀流液膜霧化效應(yīng)和液滴沉降效應(yīng)共同導(dǎo)致氣核中液滴夾帶的產(chǎn)生。在水平環(huán)狀流中，當(dāng)氣相表觀流速較低時(shí)，重力是影響液滴的沉降效應(yīng)主要因素；而在高氣相表觀流速時(shí)，液滴沉降是湍流運(yùn)動(dòng)決定的，并提出了一種水平管環(huán)狀流夾帶率的半經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測(cè)公式。

表3 夾帶率預(yù)測(cè)模型總結(jié)

為了評(píng)價(jià)以上夾帶率預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，本文利用不同氣相表觀流速條件下的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與兩種模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，如圖11、圖12 所示。預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)之間的一致性將以平均絕對(duì)百分比誤差（MAPE）表示［式(6)］。

圖11 Pan等[17]夾帶率對(duì)比結(jié)果

圖12 Dallman[18]夾帶率對(duì)比結(jié)果

式中，xcorr,i為預(yù)測(cè)值；xexp,i為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。

Pan等[17]的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖11所示，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié) 果 的76% 相 對(duì) 偏 差 在±25% 以 內(nèi)，MAPE 為18.17%。低氣相表觀流速如12.94m/s、14.28m/s、15.53m/s 時(shí)，MAPE 為8.85%；高氣相表觀流速如16.83m/s、18.01m/s 時(shí)，MAPE 為32.14%。從圖中可以看出在低氣相表觀流速時(shí)具有更好的預(yù)測(cè)效果，隨著氣相表觀流速的增加，預(yù)測(cè)結(jié)果離實(shí)驗(yàn)值越來(lái)越遠(yuǎn)。在低氣相表觀流速下，重力是影響液滴沉降的主要作用，需要考慮周向分布的不對(duì)稱(chēng)性，在高氣相表觀流速下，不對(duì)稱(chēng)性逐漸消失，環(huán)狀流的表現(xiàn)行為更接近垂直管。本文引入周向分布均勻系數(shù)αk[5]［式(7)］，計(jì)算得αk值隨氣相表觀流速的增加由1.35 減小到1.06，逐漸接近1，在usg=16.83m/s 和18.01m/s 時(shí)表現(xiàn)明顯，說(shuō)明隨著氣相表觀流速的增加，水平管中液膜周向分布不對(duì)稱(chēng)性逐漸消失，周向分布逐漸均勻，重力不再起主導(dǎo)作用，湍流起主導(dǎo)作用，在氣相表觀流速為16.83m/s 和18.01m/s 條件下，水平管環(huán)狀流的液滴霧化沉降行為更接近垂直管。Pan 等[17]的模型預(yù)測(cè)結(jié)果同該模型適用于低氣相表觀流速下水平管環(huán)狀流夾帶率結(jié)論一致。

式中，δ為平均液膜厚度，mm；δt為管道頂部液膜厚度，mm；δb為管道底部液膜厚度，mm；Fr為弗勞德數(shù)；Gm為質(zhì)量流率，kg/(m2·s)；g為重力加速度，m/s2；Mg為氣相質(zhì)量流量，kg/s；AD為管道截面積，m2。

圖12 表明Dallman 等[18]的預(yù)測(cè)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果的78%的相對(duì)偏差在±20%以?xún)?nèi)，MAPE 為11.95%。高氣相表觀流速如16.83m/s、18.01m/s時(shí)，MAPE 為2.85%；低氣相表觀流速如12.94m/s、14.28m/s、15.53m/s 時(shí)，MAPE 為18.01%。從圖12中可以看出，該模型在高氣相流速時(shí)預(yù)測(cè)效果更好，隨著氣相流速的減小，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性降低。Dallman 等[18]的模型主要適用于垂直管環(huán)狀流，在高氣相表觀流速下，湍流是影響液滴沉降的主要作用，使周向分布更為均勻，所以在高氣相表觀流速下，垂直環(huán)形流動(dòng)導(dǎo)出的方程可以應(yīng)用于水平管。根據(jù)上文計(jì)算得αk，在氣相表觀流速為16.83m/s和18.01m/s條件下，水平管環(huán)狀流的液滴霧化沉降行為更接近垂直管。Dallman 等[18]的模型預(yù)測(cè)結(jié)果同該模型適用于高氣相表觀流速下水平管環(huán)狀流夾帶率結(jié)論一致。

綜上所述，Pan 等[17]的模型中重力是影響液滴沉降的主要作用，適用于低氣相表觀流速；Dallman 等[18]的模型中湍流是影響液滴沉降的主要作用，適用于高氣相流速。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證，結(jié)果表明Pan 等[17]的模型在低氣相表觀流速時(shí)具有更好的預(yù)測(cè)效果，Dallman 等[18]的模型在高氣相表觀流速時(shí)具有更好的預(yù)測(cè)效果，本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在低氣相表觀流速和高氣相表觀流速下分別滿(mǎn)足了重力和湍流占主導(dǎo)作用的過(guò)程，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的液膜在線提取裝置和質(zhì)量流量測(cè)量方法對(duì)液膜質(zhì)量流量和液滴夾帶率測(cè)量結(jié)果可溯源，測(cè)量準(zhǔn)確性高。

4 結(jié)論

本文主要進(jìn)行了環(huán)狀流液膜提取設(shè)計(jì)和流量計(jì)量系統(tǒng)的研究。

（1）通過(guò)對(duì)現(xiàn)有液膜參數(shù)研究測(cè)量方法進(jìn)行分析對(duì)比，提出了液膜在線提取裝置和基于液膜質(zhì)量流量測(cè)量的夾帶率測(cè)量方法。通過(guò)超聲波測(cè)距傳感器進(jìn)行液位監(jiān)測(cè)以及對(duì)環(huán)狀流多孔滲水介質(zhì)管段內(nèi)外差壓調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了環(huán)狀流液膜的精確在線取出。

（2）對(duì)小水流量換向器進(jìn)行改良，改善了現(xiàn)有技術(shù)的不足，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度較高，相比于氣缸換向裝置換向更迅速，換向時(shí)水流更穩(wěn)定，適合應(yīng)用在小水流液體管道，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

（3）完成了無(wú)夾帶實(shí)驗(yàn)條件下液膜質(zhì)量流量測(cè)量以及測(cè)量不確定度分析，說(shuō)明該測(cè)量方法測(cè)量準(zhǔn)確性好。完成了存在夾帶實(shí)驗(yàn)條件下液膜質(zhì)量流量和液滴夾帶率測(cè)量，研究發(fā)現(xiàn)固定氣相流速，隨液相流速的增大，質(zhì)量流量逐漸增大，液滴夾帶率也逐漸增大。

（4）對(duì)現(xiàn)有夾帶率預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的液膜在線提取裝置和基于液膜質(zhì)量流量測(cè)量的夾帶率測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果可溯源，測(cè)量準(zhǔn)確性高。

符號(hào)說(shuō)明

AD—— 管道截面積，m2

D—— 管道直徑，mm

E—— 夾帶率，%

EM—— 最大夾帶率，%

F—— 內(nèi)外壓差液膜所受壓力，N

FN—— 管壁的支持力，N

Fr—— 弗勞德數(shù)

G—— 重力，N

Gm—— 質(zhì)量流率，kg/(m2·s)

g—— 重力加速度，m/s2

MAPE—— 平均絕對(duì)百分比誤差，%

Mg—— 氣相質(zhì)量流量，kg/s

ML—— 液相質(zhì)量流量，kg/s

MLE—— 液滴質(zhì)量流量，kg/s

MLF—— 液膜質(zhì)量流量，kg/s

MLFC—— 臨界液相質(zhì)量流量，kg/s

m—— 收集的液相總質(zhì)量，kg

S—— 液位，cm

t—— 時(shí)間，s

Urel—— 相對(duì)擴(kuò)展不確定度，%

Usg—— 氣相表觀流速，m/s

Usl—— 液相表觀流速，m/s

ucg—— 氣相臨界流速，m/s

x—— 干度

xcorr,i—— 夾帶率預(yù)測(cè)值，%

xexp,i—— 夾帶率實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，%

αk—— 周向分布均勻系數(shù)

δ—— 平均液膜厚度，mm

δb—— 管道底部液膜厚度，mm

δt—— 管道頂部液膜厚度，mm

μg—— 氣相動(dòng)力黏度，N·s/m2

μl—— 液相動(dòng)力黏度，N·s/m2

ρg—— 氣相密度，kg/m3

ρl—— 液相密度，kg/m3

σ—— 表面張力系數(shù)，N/m

下角標(biāo)

b—— 管道底部

g—— 氣相

LE—— 液滴

LF—— 液膜

LFC—— 臨界液相

l—— 液相

M—— 最大

t—— 管道頂部