用热膜测速仪测量水平管内气液泡状流的液相速度和紊流结构

    1 引 言

    在气液两相泡状流中，紊流脉动十分剧烈，并伴有大量的气泡，目前尚缺乏测量液相速度的可靠手段。用激光多普勒测速仪测量会遇到圆形管壁对激光光束的折射问题，而且当局部含气率较高时，大量气泡对光束的作用会使测量误差增加，以至于无法获得所需信号。用热膜测速仪测量液相速度和脉动速度，主要有两方面的困难：对水质水温要求严格；其次就是相鉴别技术较难，特别是在较高含气率时就更加困难。国内外有关这方面测量的研究较少，尤其对水平管泡状流的测量则更少见。Serizawa[1]用热膜测速仪对垂直管中泡状流的紊流结构进行了研究，他是用一多通道分析器获取测速仪输出模拟信号的电压谱，将频率谱的两个峰值区分为两相，此种相鉴别方法比较粗糙。Liu[2]在垂直管泡状流的研究中，用一台计算机采集了测速仪的输出信号，然后同时采用信号电压阈值和信号电压的斜率阈值来进行相鉴别，获得了垂直管中泡状流的紊流结构数据。在对水平管泡状流紊流结构的研究方面，目前只有Wesconsen大学的 Iskandrani[3]用一维圆柱型热膜探针对管中轴向液流速度及紊流强度沿截面上铅垂方向直径的分布进行了测量，而在他的文章中看不出具体的测量方法及相鉴别方法等内容。

    本文对热膜测速仪应用于气液两相泡状流中的测量方法进行了实验研究。通过对采集信号的分析，参照垂直管中的研究，提出了一套新的相鉴别方法。从两相测量数据剔除气泡引起的脉冲，保留液相速度的有用信号。并将其用于水平管泡状流中的液相速度及紊流强度的测量，取得了一些初步成果。

    2 测量原理

    热膜测速仪以热平衡原理为基础，用置于流场中由电流加热的热膜探头测量测体速度。根据热平衡原理，恒温热膜探头中产生的热等于热耗散。当测点的速度变化时，输出的电压信号也会发生变化，电压信号与流体流速之间具有相互对应的关系。测得电压信号的变化，即可反映出测点的流速变化。

    设电桥输出的电压为 V，以 U 表示流速，则V 与 U 之间的关系可用下式来表示[4]

    式中，Is为通过热膜探头的电流；Rs为热膜探头的工作电阻；Ts为热膜探头的温度；Te为流体的温度；A、B、n 为仪器常数，需要标定。

    在气液两相流中，由于气相比液相的热耗散小，故气泡通过探头时，将使测速仪输出信号产生一个负脉冲(图 1a)。2 个脉冲之间的曲线则是热膜探头接触液相时输出的信号。要实现对液相局部平均速度和紊流强度等参数的测量，就必须先将气相产生的脉冲从总信号曲线上剔除，而保留有关液相速度的有用信号(图 1b)。根据热膜探针所测信号的特点，参照垂直管中的研究，开发了一套新的鉴别和区分气相和液相信号的方法。气泡与探头相互作用的整个过程通过 7 个算法规则来约束，在每一规则中，把信号电压和信号电压的斜率阈值结合起来区分气相和液相。