一種測量環狀流液膜參數的傳感器研究

趙寧，王超，孫宏軍，馮越，王青天

一種測量環狀流液膜參數的傳感器研究

趙寧1, 2, 3，王超1, 2，孫宏軍1, 2，馮越1, 2，王青天1, 2

(1. 天津大學 電氣與自動化工程學院，天津，300072；2. 天津市過程檢測與控制重點實驗室，天津，300072；3. 河北大學 質量技術監督學院，河北 保定，071002)

在分析現有的測量技術的基礎上，將近紅外在線分析技術引入兩相流測量領域，通過Fluent實驗仿真分析導光管對流場的影響，構建基于近紅外吸收技術的液膜參數測量傳感器。根據近紅外光譜吸收原理、功率譜測頻和互相關測速算法等實驗數據處理方法實現氣液兩相環狀流液膜厚度及波動參數的測量。研究結果表明：該測量傳感器具有非接觸性、適用范圍廣等特點，可以有效反映局部液膜厚度隨采樣時間的變化，以及準確測量液膜波動參數，為研究氣液兩相環狀流傳質傳熱以及流動特性提供了一種可靠的實驗測試方法。

近紅外；環狀流；液膜厚度；波動參數

環狀流是氣液兩相流動的重要流型之一，廣泛存在于石油化工、空調和制冷系統、核反應堆冷卻等 領域[1]。在典型環狀流中，沿著管道四周內壁為很薄且波狀的液膜，管道中心是氣體為連續相且中間夾帶有液滴的氣核。液膜厚度及表面波動行為(波速、波頻等)是研究環狀流的重要參數，對研究兩相間質量、動量和能量相間轉移具有重要的意義[2?3]。液膜參數定量研究即實驗測試技術研究一直是氣液兩相流研究領域的熱點[4]。隨著測量技術的不斷發展，諸如超聲波 法[5?6]，電導法[7?8]，電容法[9?10]，射線法[11?12]，微波法[13]和光學測量法[14?16]等不斷地應用在環狀流液膜特性參數的檢測上。近紅外光譜對于不同的含氫基團具有不同的特征吸收譜帶。近紅外分析儀器具有很高的靈敏度和0.1%的樣本檢測限。近紅外光譜技術廣泛應用于農業、食品工業、臨床醫藥、石油化工等領 域[17]。隨著便攜式在線儀器的出現和過程分析技術(process analysis technology)在制藥領域的發展，近紅外在線分析技術逐漸應用到其他領域[17]。近年來，近紅外技術開始被引入氣相兩相流檢測領域，FANG 等[18]利用近紅外技術檢測氣液兩相流流動形態；VENDRUSCOLO等[19]發展了近紅外光學成像系統用于氣液兩相流的實時監測；WANG等[20]設計了基于近紅外光譜技術的測量傳感器用于氣液兩相環狀流截面含氣率的測量。將近紅外在線分析技術應用到氣液兩相環狀流液膜參數測量具有上述傳統方法所不具備的優勢，本文作者結合fluent仿真結果設計基于近紅外吸收技術的測量傳感器，結合近紅外光譜吸收原理、功率譜測頻和互相關測速算法等實驗數據處理方法，實現氣液兩相環狀流液膜參數的非接觸測量。

1 測量原理

1.1 近紅外光譜吸收原理

近紅外光(NIR)是介于紫外?可見光(UV?Vis)和中紅外光(MIR)之間的電磁波，其波長范圍為700~2 500 nm。近紅外光譜主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態向高能級躍遷時產生的，主要反映的是含氫基團X—H(如C—H，N—H和O—H等)振動的倍頻和合頻吸收。不同基團的近紅外吸收波長與強度有明顯差別，以水為例(見表1)，基于現代化學計量學方法，近紅外光譜既可用于定性分析也可用于定量分析[22]。

近紅外光譜吸收遵循朗伯比爾定律，即

式中：0()和()分別為入射光強和透射光強；()為波長處的吸收截面；為被測物質的濃度，mol/cm3；為光程，m。

表1 H2O的近紅外特征吸收譜帶

不同的吸收特征波長對應著不同的吸收率，即滲入樣品的深度不同。考慮到測量對象為空氣和水，而空氣對近紅外光的吸收近似為零，針對水這一液相介質，為了選擇合理的近紅外光波長，根據朗伯比爾定律(式(1))，計算水的O—H基團共4種典型的吸收譜帶峰值波長下的透光率，如圖1所示。

λ/nm：1—980；2—1 220；3—1 440；4—1 940。

從圖1可以看出：在波長為1 940 nm和1 450 nm時，水的近紅外光譜吸收顯著，但光程很短透光率很小；980 nm透光率曲線與1 220 nm透光率曲線相比，其線性度更好，透光率較大。因此，綜合考慮上述因素，選擇980 nm近紅外光作為測量傳感器的光源特征波長。根據近紅外光通過介質前后的光強之比(即透光率)即可獲得液膜厚度這一參數。

1.2 波動頻率測量原理

如果存在一個連續的功率有限信號()，當它為實數且為周期函數時，該函數的自相關函數可定義為

根據維納?欣欽(Wiener?Khintchine)關系可知，功率有限信號的功率譜函數與自相關函數是一對傅里葉變換，即

隨機信號不能用頻譜表示，可以用功率譜來描述隨機信號的頻域特性。功率譜圖中最大峰值點處對應的頻率即定義為波動的平均頻率。

1.3 波動速度測量原理

如果存在2個連續的功率有限信號1()和2()，當它們是實數且為周期函數時，2個函數的互相關函數可定義為

利用2組近紅外吸收衰減信號的時間序列構建互相關函數圖，則函數圖中的波峰對應的時間即擾動波從第1組傳感器到第2組傳感器的平均時間。由于2組傳感器之間的距離為固定值，從而可以推導出擾動波沿軸向的行進速度。

2 測量傳感器

2.1 實驗仿真

環狀流為典型的氣液兩相流流型，出現在氣相流速較高的區域。流型特點為：單相液膜沿著管壁流動，而管道中心為氣相夾帶液滴的兩相混合流動。在氣液兩相環狀流動中，管道截面上有多重因素會對近紅外光造成衰減吸收[20]，如氣核中夾帶的液滴造成的Rayleigh散射、Mie散射等，對液膜參數的測量帶來很大的不確定度，因此，需要設計導光管結構將近紅外光導入至被測局部液膜處，從而排除其他液膜及氣核中夾帶液滴的影響，使整個測量傳感器的測量精度更高。而導光管作為插入體必然會對流場造成影響，因此，有必要針對導光管的直徑和插入深度等參數對流場的影響進行仿真研究，進而優化和確定導光管的結構參數。

考慮到管壁處液膜極薄這一特點以及Fluent中多相流計算模型的局限性和計算效率等因素，在氣液兩相環狀流中，氣相的體積分數偏大，占主相地位；由于兩相界面剪切作用以及液膜霧化作用形成夾帶液滴，氣相裹挾夾帶液滴沿管道中心運動，而液膜則沿管道內壁以連續相流動，因此，對于流場分析進行以下簡化處理：將研究的背景流場設置為單相氣體流場，考慮該條件下置入體即導光管對流場的影響，并建立如圖2所示的仿真模型。

首先對有無置入體進行仿真，其縱切面的速度云圖如圖3所示。從圖3可以看出：置入體的主要擾動區域是與置入體相對應的前后直管段部分，在該區域內，速度等值線排布密集陡峭，說明速度變化劇烈。而在置入體下方速度等值線排布稀疏平緩，說明該區域內速度均勻、變化平穩，因此，可以得出置入體對管道下方流場的擾動性不明顯。

圖2 三維仿真模型

圖3 Z=0截面速度云圖

為進一步探究在置入體下方的流場區域是否受置入體的影響以及影響程度，取管道下方的橫截面，分別取距底部2，5和10 mm的截面(即=?0.023，=?0.020和=?0.015截面)，觀察橫截面內的速度云圖，如圖4所示。

從圖4可以看出：在有無置入體情況下，各橫截面內流場的速度云圖變化趨勢均相同，置入體對流場的破壞并未波及底部流場，引起其下方流場的擾動和畸變，該仿真結果說明置入體對于管道底部的流場的影響可以忽略，也就是說，導光管的引入對于底部的液膜流動是無影響的，會提高其測量精度。

圖4 不同位置處的橫截面速度云圖

置入體后1和2處的動壓是穩定發展的，沒有周期性的脈動特征，說明沒有旋渦產生，更沒有穩定的渦列。兩點處動壓差異的根源是速度差，流體質點與置入體接觸一點的速度為0，之后經過1和2的沿程逐漸增速，所以，體現在動壓上，是2處動壓高于1處動壓。為補充說明在置入體后方有無渦街產生，取=0橫截面，觀察該區域流場內信息，如圖6所示。

由圖6可以看出：在置入體下游沒有出現呈旋渦對狀的低速區域，流線圖也反映出在置入體下游沒有旋渦產生。下面主要對置入體插入深度對底部流場的影響性進行研究，以插入深度30 mm和35 mm為例，如圖7所示。

由圖7可以看出：不同長度置入體情況下，置入體所在截面內的速度變化趨勢相同，等值線分布情況相似，在置入體下方均呈現出速度等值線平穩變化，底部流線均勻排布走向穩定，說明不同長度置入體的對流場的影響程度相近。

經上述仿真分析，可以得出：在現有工況條件下，置入體的插入對于管道下方流場即底部液膜處的影響可以忽略；置入體不同插入深度對于流場即底部液膜處的影響相差不大，可忽略，說明導光管設計是可 行的。

圖5 置入體后不同位置處的動壓

圖6 Y=0橫截面的速度云圖和流線圖

圖7 Z=0截面(置入體所在縱切面)速度云圖和流線圖

2.2 測量傳感器設計

基于上述原理構建了液膜參數測量傳感器，如圖8所示。該傳感器主要由2組近紅外吸收探測單元和摩阻壓降測量單元等3部分組成。每組近紅外吸收探測單元主要由近紅外光發射探頭、導光管和探測器組成。發射探頭采用的是Thorlabs生產的平行激光二極管模塊CPS980，其輸出波長為(980±10) nm，功率為4.5 mW，光斑面積(長×寬)為3.8 mm×1.8 mm；導光管為直徑5 mm的不銹鋼管(內徑為3.5 mm)，頂部有玻璃視窗，徑向移動范圍為15 mm(插入深度范圍：距管道頂部30~45 mm)；探測器采用的是Telenyne生產的InGaAs探測器(J22?18I?R01M)，響應波長范圍為800~1 700 nm，探測器有效面積為1.0 mm×1.0 mm，結合前置放大器模塊(PA-7-70，EG & G)實現光強信號的調制和輸出。液膜參數測量傳感器管段材質為304不銹鋼，內徑為50 mm，2組近紅外吸收探測單元相距100 mm(2)。

圖8 液膜參數測量傳感器

3 實驗結果與分析

3.1 實驗測試

采用天津大學雙閉環可調壓中壓濕氣實驗裝置對該測量傳感器進行驗證實驗(如圖9所示)。本實驗采用的流動介質為壓縮空氣和水，氣源為羅茨鼓風機，氣液兩相標準管路混合前分別經過標準管路予以計量，分別采用渦輪流量計和電磁流量計作為標準表。氣相體積流量范圍1~1 000 m3/h(不確定度為1.0%，包含因子=2)，液相體積流量范圍為0.05~8 m3/h(不確定度0.35%，=2)，裝置運行壓力為0.1~1.6 MPa(不確定度0.2%，=2)。該實驗裝置采用雙循環回路設計，主要由氣路循環回路、水路循環回路、氣液混合水平及垂直實驗管段、計算機控制系統等組成。

圖9 可調壓中壓濕氣裝置示意流程圖

3.2 實驗結果與分析

利用上述實驗裝置對該液膜測量傳感器進行實驗驗證。利用朗伯比爾定律(式(1))將近紅外光吸收衰減后的光強信號轉換為液膜厚度，其隨采樣時間變化曲線如圖10所示。從圖10可以看出：流動的液膜厚度隨著采樣時間呈現不斷振蕩的連續性變化，符合液膜表面具有擾動波和小波紋的特點。圖11所示為不同液相表觀流速下的平均液膜厚度。從圖11可以看出：在管道壓力和氣相表觀流速一定情況下，液膜平均厚度隨著液相表觀流速的增加而增加，隨著氣相流速的增加而減小。圖12所示為不同壓力下液膜厚度隨液相表觀流速變化圖。從圖12 可以看出：在固定氣相和液相表觀流速下，液膜厚度隨著壓力的增加而減小。

圖10 液膜厚度隨采樣時間的變化曲線

1—USG=12.8 m/s；2—USL=15.6 m/s。

根據波動頻率測量原理，將探測器獲得的光強電壓信號進行歸一化處理，繪制功率譜圖(如圖13所示)，其譜圖中最高波峰所對應的頻率即為擾動波的波動頻率。以管道壓力為0.2 MPa、氣相表觀流速為12.8 m/s、液相表觀流速為0.141 m/s實驗測量點為例，其擾動波波動頻率約為3 Hz。

p/MPa：1—0.1；2—0.2；3—0.4；4—0.6。

圖13 功率譜圖

以管道壓力為0.2 MPa、氣相表觀流速為12.8 m/s、液相表觀流速為0.141 m/s實驗測量點為例，分別提取上、下游探測器采樣光強信號，并對其進行歸一化處理，處理結果如圖14所示。利用互相關檢測原理，分別以上游和下游的歸一化結果計算出互相關函數R，如圖14(c)所示。從圖14可以看出：互相關系數出現了接近于1.0的極值，其極值對應的橫坐標即為所求的液膜表面波通過上、下游探測器所需的時間。由于2組探測器之間的距離為定值(=0.1 m)，因此，可以獲得其波動速度(w=3.2 m/s)。

圖14 液膜表面波動速度互相關測量

4 結論

1) 通過將近紅外在線分析技術引入氣液兩相環狀流液膜參數測量、結合Fluent實驗仿真結果，設計了新型液膜參數測量傳感器，實現了中低壓下局部液膜參數的在線動態檢測。

2) 找出并分析了造成近紅外光衰減的因素，引入并優化了導光管設計，盡可能地避免了夾帶液滴散射特別是Mie散射造成的光能損失影響；采用不銹鋼管體的設計避免了環境光造成的影響，實現了對局部液膜參數的無接觸測量，提高了測量精度和可靠性。

3) 根據近紅外光譜吸收原理、功率譜測頻以及互相關測速原理，實現了氣液兩相環狀流液膜厚度及波動參數的非接觸測量。該傳感器能夠實時、準確地反映局部液膜隨采樣時間變化信息，為研究兩相流傳質傳熱以及流動特性提供了一種新的、可行的實驗測量方法。

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(編輯 楊幼平)

Measuring sensor of liquid film parameter in annular flow

ZHAO Ning1, 2, 3, WANG Chao1, 2, SUN Hongjun1, 2, FENG Yue1, 2, WANG Qingtian1, 2

(1. School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Tianjin Key Laboratory of Process Measurement and Control, Tianjin 300072, China; 3. College of Quality and Technology Supervising, Hebei University, Baoding 071002, China)

Based on the analysis of the existing experimental testing technology, the process analysis technology of near infrared (NIR) was introduced into the field of two-phase flow measurement. The influence of light guide pipe on flow field was analyzed by using fluent software simulation, and sensor that measured liquid film parameters was designed based on NIR absorption technology. According to the principle of NIR spectral absorption, power spectrum for frequency measurement, the cross-correlation algorithm for velocity measurement, the measurement of liquid film thickness and wave characteristics of gas-liquid annular flow were achieved. The results show that the sensor has many characteristics, such as non-contact, wide applicable scope, which can effectively reflect the thickness of local liquid film with the change of sampling time, and accurately measure the wave parameters. A reliable experimental measuring method for the gas-liquid flow study of mass and heat transfer and flow features is provided.

near infrared (NIR); annular flow; film thickness; wave parameters

TH814；TK313

A

1672?7207(2018)04?0995?08

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.04.030

2017?04?10；

2017?07?16

國家自然科學基金資助項目(61627803，51506148，61673291，61475041)；河北省自然科學基金資助項目(F2015201215)；河北省教育廳青年基金資助項目(QN2015216)(Projects(61627803, 51506148, 61673291, 61475041) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(F2015201215) supported by the Natural Science Foundation of Hebei Province; Project(QN2015216) supported by the Youth Foundation of Ministry of Education Hebei Province)

王超，博士，教授，從事電學層析成像、多相流測量和生物阻抗檢測研究；E-mail：wangchao@tju.edu.cn