基于LabVIEW平臺的雙脈沖電流法在氣-液兩相環狀流壁面剪切力測量中的應用

楊 悅 李洪偉 周云龍

(東北電力大學，吉林 吉林132012)

氣-液兩相流在能源、化工及醫學等領域被廣泛應用，而環狀流是兩相流的一種基本表現形式。壓降梯度、空泡份額、管壁液膜厚度及壁面剪切力等是兩相流的基本參數，其中壁面剪切力對流型的影響尤為重要。在流體力學中，像粘性阻力及流動轉捩等重要參數都可以通過測量壁剪切應力來獲得，同時也可用于探測湍流結構，因此測量壁面剪切力對氣-液兩相流的研究極其重要。

目前，眾多學者已經提出了壁面剪切力的測量方法，雖然方法不同，但是大體可以分為直接測量和間接測量兩大類。直接測量技術比較有代表性的是浮動天平法，即當空氣流過此器件時，可以直接感受到表面摩擦阻力的大小；間接測量的技術有Preston管、Stanton管、底層隔板法、速度型法及液體蒸發膜等方法，這種方法是通過測量其他參數，然后通過這些參數與剪切應力之間的關系來確定剪切力的大小。

但上述方法存在幾個問題：干擾流場、對循環液體的組分和應用環境有較高的要求。這幾個問題的存在對檢測手段提出了新的要求。為了降低實驗結果的誤差，同時提高信號處理的速度，筆者采用雙脈沖電流源法來測量壁面剪切力，以LabVIEW為平臺搭建了集數據采集與計算于一體的壁面剪切力測量系統，既降低了成本，又對流型沒有影響。將檢測結果與其他方法進行對比，發現該方法的誤差比較小，適合檢測剪切力。通過此方法也能驗證剪切力與管路的磨損和流型變化的關系，為今后的研究工作提供參考。

1 實驗設計①

1.1 實驗系統

實驗系統由氣路、水路、數據采集系統和測試段組成，如圖1所示。氣路由空氣壓縮機、孔板流量計和閥門組成；水路由離心式水泵、流量變送器和閥門組成；數據采集系統由數據采集器和計算機組成。通過調節氣相與液相的流量可以出現環狀流型，穩定環狀流的具體工況見表1。

圖1 實驗系統

液相溫度℃氣相溫度℃ 表觀液速 (±0.05)m·s-1表觀氣速(±0.05)m·s-110130.237.2710.4812.8210130.4412.8217.3520.43

實驗中涉及到的參數測量具體采用的裝置如下：

a. 流量測量。空氣流量通過孔板流量計測量，水測量通過NT546E型電磁流量計測量。

b. 電壓測量。電壓信號通過PCI-8360A數據采集卡進入主機。

1.2電導式傳感器

筆者設計了雙脈沖電流源，電流由直流恒流源來提供，通過快速切換正負極性，使占空比達到50%以滿足實驗用電流源，其原理如圖2所示。電導式傳感器在兩相流電學敏感特性基礎上對連續相為導電介質的流體進行測量[1,2]。由于環狀流液膜很薄且流型結構獨特，所以電極的選擇應遵循如下原則：較好的可靠性、易于安裝、較高的頻率響應特性、無擾動非侵入、成本低。縱向環形電極法尤其是四電極的內部電場分布雖然不夠均勻，但可通過調整電極對的位置使其位于均勻的電場區域，最適合本實驗的測量。圖1中實驗段的主體為傳感器，具體結構如圖3所示。4個圓環黃銅電極依次布置在有機玻璃管上，電極之間的間距一定。傳感器在電流的激勵下，反映出電壓信號。為保證流型不被破壞，電極的厚度與有機玻璃管相同。

圖2 雙脈沖電流源發生電路

圖3 實驗段結構

電導測量法的信號質量取決于電場的分布特性。傳感器的幾何結構直接影響電場的分布。筆者通過數學物理方程解析環狀流形成時傳感器內的電場分布，并對傳感器的幾何結構進行優化設計，得到了較好的軸向電流、軸向電壓分布及徑向電流等特性指標。本裝置中有機玻璃管總長為1 000mm，通過權衡和優化，取激勵電極對的中心間距為80mm，取檢測電極對的中心間距為10mm，這兩對電極均沿幾何中心對稱分布，激勵電流為1mA。激勵電極高度的增加會使場內電流密度增加，使徑向均勻度下降。因此綜合考慮，將電極高度取為3mm，厚度與管壁一致。

2 LabVIEW平臺建立

2.1平臺建立

首先要制作動態鏈接庫，流程為：建立動態鏈接庫的C代碼，在VC++中編譯產生dll，執行編譯命令成功后，在工程目錄debug中，可以看到*.dll文件，可被LabVIEW調用。接下來開始編寫測量程序。實驗需要測量的參數為水的流量、空氣流量和響應電壓。流量測量與電壓同步進行。測量程序需實現開關切換和實驗數據正常采集，用動態鏈接庫技術調用所需的庫函數。

根據研究，氣-液兩相環狀流的頻率一般在20kHz以下，當激勵源選擇20kHz的切換頻率時，根據乃奎斯特采樣定理[3]，采樣頻率必須在40kHz以上，這將造成嚴重的過采樣。而LabVIEW可實現毫秒級時間延遲，在雙脈沖電流源某周期的半個周期采樣一次，之后延遲一段時間繼續采集。采樣頻率是必須確定的重要參數，筆者綜合考慮后，將采樣率設定為500Hz。在每個激勵周期內，響應電壓信號是正、負交替的，在電壓信號前半周期和后半周期的80%處各采樣一次(由高精度定時器動態庫函數實現)，然后將這兩次A/D采樣結果的差值用軟件差動的方式作為最終測得的電壓[4]：V0=V01-V02，其中V01、V02分別為在正向和反向激勵下檢測電極的輸出電壓。這樣，在保證采樣頻率均勻、數據正負性單一的同時，測量電壓也變為單向脈沖電流激勵的兩倍，無形中將系統精度提高了一倍。通過A/D采樣的差值還可以消除采用直流激勵源的低頻噪音。因此，改進的激勵電流源使電路的成本降低、結構簡化，還提高了數據采集精度。激勵源系統軟件程序流程如圖4所示。

圖4 測量程序流程

通過動態鏈接庫技術，調用采集卡函數和高精度定時器函數來實現數據采集和脈沖控制功能，根據實驗需要設置參數。脈沖電流切換頻率為20kHz，而采樣頻率為500Hz，且采集點在每半個周期的80%處。這樣在激勵開始后延遲20μs進行首次采樣，以后按周期采樣。筆者先將While循環控件和時間延遲控件嵌套在平鋪式順序結構控件里，再以每次采樣點數為條件將其整體嵌入外層While循環控件，最后根據函數與控件、函數間的邏輯關系，搭建數據采集模塊與脈沖控制模塊程序框圖，如圖5所示。

圖5 數據采集與脈沖控制模塊程序

2.2實驗誤差處理

由環狀流形成的條件可知，氣體速度較高，裝置振動相當強烈，嚴重影響工況穩定性。另外，采集卡中的信號和雙脈沖電流源中的信號都較弱，信號在普通導線中傳輸時極易受外界干擾，使測量精度受到很大的影響。信號傳輸均采用雙芯屏蔽線。經測試，明顯提高了測量精度，取得了良好的效果。

3 測試與分析

液膜厚度檢測機理為：傳感器內液膜厚度隨著氣-液兩相液膜電阻的變化而變化，當對激勵電極施加恒定電流激勵時，采集檢測電極上輸出的電壓信號，并通過液膜厚度與電壓之間的關系，換算出液膜的厚度。

環狀流的橫截面積：

(1)

根據電阻定義式可得：

(2)

由歐姆定律可得：

(3)

再聯立式(1)～(3)得到：

(4)

式中D——實驗管內徑；

I0——恒流源的電流；

Lm——檢測電極間長度；

Vm——采集到的電壓；

γ——水的電導率[5]。

驗采集了20組不同的水流速度下形成穩定環狀流時的數據，選取液相表觀流速Vsl和氣相表觀流速Vsg不同的3組測量值進行說明，實測曲線如圖6所示，壁面剪切力的變化為不規則的波狀曲線，在峰值附近斜率很大，呈現快速增大和快速減小的狀態，對管壁產生強烈的沖擊。圖7為所測得的電壓與壁面剪切力之間的關系。

圖6 剪切力實測曲線

圖7 壁面剪切力-電壓曲線

由圖6可知，當測量電壓低于30V時，壁面剪切力隨著電壓的增大而快速增大；當測量電壓在20V時變化趨勢放緩，爬坡一小段后這種趨勢重新變大，在30V時達到最大值，之后小幅回落，趨于穩定。前面板在線監測曲線如圖8所示。

圖8 LabVIEW測量系統前面板

為了驗證實驗系統的可靠性，利用高速攝影法測量了對應工況下統計的平均液膜厚度，通過換算關系式計算出壁面剪切力值，并與本方法實測值進行對比，結果如圖9所示。

圖9 實測壁面剪切力與高速攝影法對比

圖9中，壁面剪切力兩種測量值總體趨勢較為接近，說明了本測量系統方法較為準確，但還是存在一定誤差，無論在硬件的設計優化上還是軟件模型的構造上都還有待于進一步探索和提高。

4 結論

4.1采用雙脈沖電流法測量壁面剪切力，對比其他方法，該方法具有算法原理簡單、不干擾流場及適用范圍廣等優勢，且受環境的影響較小，對工作介質的要求不高。

4.2基于LabVIEW平臺的壁面剪切力系統具有操作簡單、方便、成本低且智能化等優勢，其與Matlab結合的方式在測量壁面剪切力時具有較好的效果，適合在線測量。

4.3通過將雙脈沖電流法實測值與高速攝影法測量值比較，證明筆者所采用的方法基本可以達

到測量要求，但還有進一步提高的空間，是筆者后續所要研究的方向。