一、多相流的定義
所謂“相”，就是通常所說的物質(zhì)的態(tài)。每種物質(zhì)在不同的溫度下可以有三種不同的物理狀態(tài)，即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，這也就是說任何物質(zhì)都有三相，即固相、液相和氣相。多相流就是在流體流動(dòng)中不是單相物質(zhì)，而是有兩種或兩種以上不同相的物質(zhì)同時(shí)存在的一種運(yùn)動(dòng)。因此，兩相流動(dòng)可能是液相和氣相的流動(dòng)，液相和固相的流動(dòng)或固相和氣相的流動(dòng)。也有氣相、液相和固相三相混合物的流動(dòng)，如氣井中噴出的流體以天然氣為主，但也包含一定數(shù)量的泥沙和液體，這是比兩相流更復(fù)雜的一種流動(dòng)。
各種液體混合在一起，有時(shí)可成為一種混合均勻的液體，如水和酒精的混合物，有的則不能，例如水與水銀的混合物，后一種混合物的流動(dòng)具有與兩相流相似的特性。各種氣體混合時(shí)都能混合均勻，成為一種單相氣體，因此，各種氣體的混合流動(dòng)均屬單相流。
二、多相流體流量測(cè)量的任務(wù)
兩相流流量可分為兩種，一種為兩相混合物流量，也即兩相流的總流量，另一種為各相的流量，各相流量之和就等于兩相混合物流量。
要確定各相流量，不僅需測(cè)定兩相混合物流量，還需測(cè)定兩相中任一相在混合物中的含量。以氣液兩相流為例，要確定氣相和液相的質(zhì)量流量就需測(cè)定氣液混合物的質(zhì)量流量qm和氣相的流量質(zhì)量含量βGm。氣相的流量質(zhì)量含量，根據(jù)定義，等于氣相質(zhì)量流量qG與氣液混合物質(zhì)量流量qm之比。因此qG就等于qm和βGm的乘積，而液相質(zhì)量流量qL就等于qm和qG之差。所以要對(duì)氣液兩相流流量進(jìn)行完整的測(cè)量，一般需要測(cè)定兩個(gè)參數(shù)，即氣液混合物流量qm和氣相的質(zhì)量流量含量βGm。
有些流量計(jì)如電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)，其輸出信號(hào)僅僅是體積流量，在用來測(cè)量兩相流時(shí)，由于種種原因又未裝設(shè)密度測(cè)量儀表，若知道輕相和重相的密度和流量體積比，可利用公式計(jì)算出混合物平均密度，進(jìn)而計(jì)算混合物和各相質(zhì)量流量。
在實(shí)際的工程中，由于測(cè)量需要的多樣性，有時(shí)只需測(cè)量兩相混合物的質(zhì)量流量或體積流量，有時(shí)只需測(cè)量輕相或重相的質(zhì)量流量或體積流量，例如，濕蒸汽中的氣相，油水混合物中的油。當(dāng)然有時(shí)是因?yàn)闇y(cè)量裝置的局限性或經(jīng)濟(jì)上的原因，只測(cè)量兩相流中的部分參數(shù)。
三、氣液兩相流及其流量測(cè)量
(1)氣液兩相流及其流動(dòng)結(jié)構(gòu)。液體及其蒸氣或組分不同的氣體及液體一起流動(dòng)的現(xiàn)象稱為氣液兩相流。前者稱為單組分氣液兩相流，后者稱為多組分氣液兩相流。氣液兩相流在動(dòng)力、化工、石油、冶金等工業(yè)設(shè)備中是常見的，在流動(dòng)時(shí)氣相和液相間存在流速差，在測(cè)量流量時(shí)應(yīng)考慮此相對(duì)速度。
氣液兩相流按流動(dòng)方向不同，存在多種流動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖3.89所示為垂直上升管中的氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu);圖3.90所示為垂直下降管中的氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu);圖3.91所示為水平管中的氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。
①垂直上升管中的氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)研究證明，其基本結(jié)構(gòu)有下列五種:細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。
這五種流動(dòng)結(jié)構(gòu)分別具有下列特點(diǎn)。
a.細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。細(xì)泡狀流動(dòng)是最常見的流動(dòng)結(jié)構(gòu)之一，其特征為在液相中帶有
散布的細(xì)小氣泡。直徑小于1mm的氣泡是球形的，直徑大于此值的氣泡，其外形是多種多樣的。
b.彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)由一系列氣彈組成，氣彈端部呈半球狀，而尾部是平的，在兩氣彈之間夾有小氣泡，氣彈與管壁之間的液膜是往下流動(dòng)的。
c.塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)是由于氣彈破裂而形成的，此時(shí)，氣體塊在液流中以混亂狀態(tài)進(jìn)行流動(dòng)。
d.帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)中，管壁上液膜較厚且含有小氣泡，被中心部分氣核從液膜帶走的液滴在氣核內(nèi)形成不規(guī)則的長纖維形狀，這種流型常在高質(zhì)量流速時(shí)出現(xiàn)。
e.環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)中，管壁上有一層液膜，管道中心部分為氣核，在氣核中帶有因氣流撕裂管壁液膜表面而形成的細(xì)小液滴。
②垂直下降管中的氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。從圖 3.90所示可以看出，氣液兩相作垂直下降流動(dòng)時(shí)的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和作垂直上升流動(dòng)時(shí)的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)不同，前者細(xì)泡集中在管子核心部分，而后者則散布于整個(gè)管子截面上。當(dāng)液相流量不變而使氣相流量增大，則細(xì)泡將聚集成氣彈，形成具有下降彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)的氣液兩相流。垂直下降氣液兩相流也可形成下降流動(dòng)的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相及液相流量小時(shí)，管壁上有一層向下流動(dòng)的液膜，管子中心部分為向下流動(dòng)的氣核，這種流動(dòng)結(jié)構(gòu)稱為帶下降液膜的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。如液相流量增大，氣泡將進(jìn)入液膜，形成帶含泡下降液膜的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣液兩相流量都增大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)向下流動(dòng)的塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量繼續(xù)增大，氣液兩相流可具有管壁上有下降液膜，管子中心部分為帶液滴的下降氣核的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。這種環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和垂直上升氣液兩相流的環(huán)狀結(jié)構(gòu)相近，但流動(dòng)方向相反。
③水平管中的氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。氣液兩相流體在水平管中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)比在垂直管中的更為復(fù)雜，其主要特點(diǎn)為所有流動(dòng)結(jié)構(gòu)都不是軸對(duì)稱的，這主要是由于重力的影響使較重的液相偏向于沿管道下部流動(dòng)造成的。
試驗(yàn)研究表明，氣液兩相流在水平管中流動(dòng)時(shí)，其基本流動(dòng)結(jié)構(gòu)有下列六種:細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、柱塞狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)、流動(dòng)結(jié)構(gòu)、彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。
圖3.91是這些流動(dòng)結(jié)構(gòu)的示意。由圖可見，這些流動(dòng)結(jié)構(gòu)分別具有下列特點(diǎn)。
a.細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。水平管中的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和垂直管中的不同，由于重力的影響，細(xì)泡大都位于管子上部。
b.柱塞狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量增加時(shí)，小氣泡合并成氣塞，形成柱塞狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。柱塞傾向于沿管子上部流動(dòng)。
c.分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣液兩相流量均小時(shí)會(huì)發(fā)生分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)。此時(shí)氣液兩相之間存在一平滑分界面，氣液兩相分開流動(dòng)。
d.波狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量較大時(shí)，氣液兩相分界面上會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)波，形成波狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。
e.彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量再增大時(shí)，氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)可以從波狀轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍鲃?dòng)結(jié)構(gòu)。此時(shí)，氣液分界面由于劇烈波動(dòng)而在某些部位直接和管子上部接觸，將位于管子上部的氣相分隔為氣彈，形成彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在水平流動(dòng)時(shí)，氣液兩相流的氣彈都沿管子上部流動(dòng)。
f.環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在水平流動(dòng)時(shí)，氣液兩相流的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)于氣相流量較高的工況。水平流動(dòng)時(shí)的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和垂直上升時(shí)的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)相近，管壁上有液膜，管子中心部分為帶液滴的氣核，但由于水平流動(dòng)時(shí)重力的影響作用，下部管壁的液膜要比上部管壁的厚。
在油田常經(jīng)分離設(shè)備將液氣分離，然后分別測(cè)液相和氣相流量。
(2)氣液兩相流體的流量測(cè)量方法。從制造商提供的資料可看出，有幾種儀表可用來測(cè)量離散相濃度不高的兩相流體的流量，來自用戶的報(bào)道也有一些成功應(yīng)用的實(shí)例，但目前使用的流量計(jì)都是在單相流動(dòng)狀態(tài)下評(píng)定其測(cè)量性能，現(xiàn)在還沒有以單相流標(biāo)定的流量計(jì)用來測(cè)量兩相流時(shí)系統(tǒng)變化的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，因此這樣的應(yīng)用究竟帶來多大的誤差還不很清楚，僅有一些零星的數(shù)據(jù)和一些定性的分析。
①電磁流量計(jì)。當(dāng)液體中含有少量氣體時(shí)，氣體在液體中的分布呈微小氣泡狀，這時(shí)，電磁流量計(jì)仍能正常工作，只是所測(cè)得的為氣液混合物的體積流量。當(dāng)液體中所含氣體數(shù)量增加后，氣泡幾何尺寸逐漸增大，進(jìn)而向彈狀結(jié)構(gòu)過渡。當(dāng)氣泡的尺寸等于和大于流量計(jì)電極端面尺寸并從電極處掠過時(shí)，電極就有可能被氣體蓋住，使電路瞬時(shí)斷開，出現(xiàn)輸出晃動(dòng)，甚至不能正常工作。
②科氏力質(zhì)量流量計(jì)。制造商通常聲稱含有百分之幾體積比的游離氣體的液體對(duì)科氏力質(zhì)量流量計(jì)正常測(cè)量影響不大，當(dāng)被測(cè)液體中所含氣泡小而均勻的情況下，例如冰淇淋和相似乳化液，可能是對(duì)的。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻并不樂觀。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹意大利計(jì)量院對(duì)7種型號(hào)科氏力質(zhì)量流量計(jì)含氣量影響試驗(yàn)表明:含氣泡1%(體積比)時(shí)有些型號(hào)無明顯影響，有些型號(hào)誤差為1%~2%，而其中某一雙管式型號(hào)則高達(dá)10%~15%;含氣泡10%時(shí)，誤差普遍增加到15%~20%，個(gè)別型號(hào)高達(dá)80%。由此可見，不同測(cè)量管結(jié)構(gòu)、不同型號(hào)的科氏力流量計(jì)受含氣量影響差異很大，不能將一種型號(hào)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)推廣到其他型號(hào)。
③超聲流量計(jì)。多普勒法超聲流量計(jì)主要用于測(cè)量含有適量能給出強(qiáng)反射信號(hào)的顆?；驓馀莸囊后w。此類儀表測(cè)量的僅僅是體積流量或測(cè)量管內(nèi)的平均流速，如果要測(cè)量質(zhì)量流量，還得增設(shè)流體密度計(jì)。
由于此類儀表檢測(cè)的是不連續(xù)點(diǎn)(即氣泡)的流速，由于流通截面中各點(diǎn)流速的不一致性，使得測(cè)量結(jié)果相對(duì)于管道內(nèi)的平均流速之間存在不確定性，從而導(dǎo)致其測(cè)量性能較差。其不確定度一般只能達(dá)到±(1%~10%)FS，重復(fù)性為(0.2%~1%)FS.
多普勒法超聲流量計(jì)適用的氣泡含量上限雖比傳播時(shí)間法大得多，但也是有限的，尤其是管徑較大時(shí)，氣泡含量過高，超聲信號(hào)衰減嚴(yán)重，以致不能測(cè)量。因此選用應(yīng)謹(jǐn)慎，事先應(yīng)向制造商咨詢。
④相關(guān)流量計(jì)。應(yīng)用相關(guān)法可以測(cè)量管道內(nèi)流體的流速或體積流量，若要測(cè)量兩相流體的質(zhì)量流量，則還需增設(shè)密度計(jì)。
相關(guān)流量計(jì)工作原理如圖3.92所示。設(shè)在測(cè)量管段取兩個(gè)控制截面A及B，兩者相隔一小段距離L，在管內(nèi)兩相流中，各相不可能混合得十分均勻，各相含量的分布在流動(dòng)過程中是變化的。由于所取的兩控制截面之間距離很短，可以認(rèn)為在該距離內(nèi)流動(dòng)時(shí)，兩相流中各相含量的分布是不變的，如在管道截面A處布置一臺(tái)探測(cè)器測(cè)定兩相中一相的含量隨時(shí)間的變化曲線 X(t)，再在截面B處布置另一臺(tái)探測(cè)器測(cè)定同一相的含量隨時(shí)間的變化曲線 Y(t)，并將 X(t)和 Y(t)示于圖3.93 中，則由圖可見，曲線X(t)的最高值和曲線Y(t)最高值之間距離△t應(yīng)代表流體由A截面流到B截面所需的時(shí)間[在圖3.93中，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo) X(t)和 Y(t)為被測(cè)一相的含量值]。測(cè)得流體流過距離為L這一管段長的時(shí)間△t后，即可按下式計(jì)算兩相流體的體積流量qv。
這一測(cè)量方法是利用兩截面上測(cè)得的某相含量信號(hào)之間的相互關(guān)系而測(cè)定兩相流速的，故稱相關(guān)法。
應(yīng)用相關(guān)法測(cè)量兩相流量的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)面廣，既適用于氣液兩相流體，也適用于各種臟污流體、漿液、液固兩相流，但價(jià)格昂貴，影響其推廣應(yīng)用。因此，現(xiàn)在仍處于實(shí)驗(yàn)階段。
