基于絲網傳感器的氣液兩相流成像可行性研究

摘要：絲網傳感器（WMS）能測量得到氣體兩相流的局部流體混合電導率，進一步可導出含氣率、氣泡尺寸等定量值。而流體的可視化測量成像圖則能直觀地顯示流體的時空分布，對多相流的研究有重要意義。本文設計并實施了氣液兩相流實驗，并對WMS測量值進行歸一化標定得到流體局部空隙率。進一步地，利用液相水和氣相空氣二者電導率的顯著差異特性，將呈0、1二值分布的流體局部空隙率與水、空氣進行簡單映射，得到了流體相分布可視化成像圖。得到的氣液兩相分層流、波狀流的可視化相分布圖，清晰準確地呈現了氣液分界面、液位高度的時空演變過程，成像結果表明WMS對分層流、波狀流這類氣液相連續的流體的相分布能準確地進行可視化測量成像。

關鍵詞：絲網傳感器;氣液兩相流;空隙率; 相分布重構

1引言

電導型WMS可測得發射電極與接收電極間介質的電導率，進而重構出流體的瞬態相分布[1]。WMS具有時-空分辨率高、圖像重構算法簡單、可測量參數多等優點，對其測量特性的研究方興未艾。

研究表明WMS能測量提取氣液兩相流的空隙率、相界面濃度以及氣泡速度和尺寸等信息[2-4]。此外，WMS的侵入測量方式會對流體的流動造成一定干擾，因此其測量準確性也受到了廣泛關注。 Prasser [5]通過對比快速X-CT與 WMS的流體測量結果，結果表明流體的相分布與空隙率測量值具有良好的映射對應關系;Banowski[6]則系統地分析對比了兩者的含氣率和氣泡尺寸分布測量結果，驗證了WMS的測量準確性。Manera等[7]分別采用WMS 與電導探針提取了流體的部分特征參數，兩者測得的含氣率、氣泡速度和相界面濃度的相對誤差分別為13%、15%、12%，測量結果具有較好的一致性。

此類研究表明WMS對氣液兩相流的相關流體參數的定量測量具有一定的準確性，且通過WMS得到的測量數據是流體的局部電導率，而水和空氣的電導率存在明顯差異，理論上對WMS測量數據進一步處理可得到流體相分布可視化成像圖。本文旨在通過WMS測量氣液兩相流的實流實驗，評估WMS對氣液兩相流流體的相分布可視化重構成像的測量準確性。

2 ?實驗方案

實驗采用電導型16×16 WMS，其電極直徑為0.1 mm、電極鄰距為3.125 mm、激勵—接收層間距為1.6 mm。實驗段管道直徑為

50 mm，呈水平分布，且WMS裝置的前后直管段長度分別為1.5 m和0.8 m。氣液相介質分別為水和空氣，其電導率分別為0.03 S/m、0 S/m。

實驗在0.1 MPa（絕壓），20℃的條件下進行，實驗涵蓋分層流和波狀兩個流型，其流量點見表1。使用采樣速率為250 幀/秒的WMS進行采集。

3 ?成像處理方法與結果

3.1 成像處理方法

在電導型WMS 激發的電場域中，被測介質的局部混合電導率σmix與被測流體的相含率φ密切相關，局部域中兩者之間基本成線性關系 [8-9]，即

（1）

式中φl，φg分別為液相和氣相體積分數，兩者之和為1，φ=1表示該區域為純水相， φ=0表示為純氣相。σwater，σair分別為水和空氣的電導率，大小分別為0.03 S/m，0 S/m。

研究表明，WMS的測量值與被測流體得混合電導率呈正相關，根據式（1）以及WMS測量值Ui，j，water（液相校準值）對WMS實測值

Ui，j，k進行標定，可得被測氣液相流體的局部空隙率

（2）

3.2 測量成像結果

根據式（2）得到被測氣液相流體的局部空隙率，其值基本呈0和 1二值分布。φi，j，k -=0表明該區域為純水相，并將其映射為藍色;φi，j，k -=1表明該區域為純氣相，并將其映射為紅色。如此，通過對WMS測量值的進一步分析處理便可實現氣液兩相流的測量成像。

圖2和圖3分別為分層流和波狀流的軸向豎直中心截面的流體分布成像圖，圖中流體從右往左流動，每個流量點均包含2s的氣液相流體分布信息。

（1）分層流結果

（a） Vsg = 5 m/s， Vsl = 0.01 m/s， LVF = 0.2%

（b）Vsg = 5 m/s， Vsl = 0.051 m/s， LVF = 1%

圖2為分層流測量成像結果，（a）中流體分布呈現分層流狀態，液量極少且以極薄的液膜形式集中分布在管道底部。氣液相之間的分界面較為清晰平整呈水平分布。隨著液相流速增加，圖（b）相較于（a）液位高度明顯增加，氣液分界面依然呈水平分布。WMS測量成像結果清晰準確地呈現了分層流的氣液分界面位置變化情況。

（a）Vsg = 10 m/s， Vsl = 0.2 m/s， LVF = 2%

（b）Vsg = 10 m/s， Vsl = 0.31 m/s， LVF = 3%

（2）波狀流結果

圖3為波狀流測量成像結果，其底部的液相和頂部的氣相均為連續相，而氣液相之間的分界面呈現出明顯的起伏波動，這與分層流中呈水平分布的氣液分界面存在顯著差異。但WMS依然能準確地捕捉到這類具有微小波動起伏的氣液分界面流體結構。

4 ?結論

本文基于電導型WMS，設計實施了氣液兩相分層流、波狀流等流型的測量成像實驗，并分析了WMS的流體測量成像效果。主要結論如下：

（1）WMS的實測值經液相校準值標定后，可得被測氣液相流體的局部空隙率，其值基本呈0和 1二值分布，分別對應液相和氣相區域，通過映射便可實現氣液兩相流的測量成像。

（2）WMS能準確測量出分層流、波狀流這類氣液相連續的流體的相分布，能清晰準確地捕捉到平整或具有微小波動的氣液分界面等流體結構，測量成像圖值能反映出被測流體的液位變化情況。表明WMS具有出色的流體成像測量能力。

參考文獻：

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作者簡介：張海（1995.2—），男，彝族，云南玉溪人，碩士研究生學歷，中國船舶重工集團七五0試驗場技術員，研究方向：水下航行體導航與控制。