一种利用局部瞬时空泡份额获得整体瞬时空泡份额的方法

摘要

本发明提供的是一种利用局部瞬时空泡份额获得整体瞬时空泡份额的方法。读取压差、压强及局部空泡份额原始数据；将局部空泡份额赋为整个管段即测量段空泡份额的初值，并计算气相真实平均速度；通过气相真实平均速度计算整个管段上游部分中的气泡将要运动到局部空泡份额采集位置所需要的时间，或者下游部分中的气泡已经离开空泡份额采集位置所花费的时间；利用所述时间找到相应空泡份额数据，对空泡份额数据求算术平均值得到新的整体空泡份额，并进行判断。相对于局部瞬时空泡份额，本发明适用于定常流动中空泡份额的获得，周期性脉动流、非定常流动以及多相流动中空泡份额的获得。能够更真实地反映管道内的气液两相流整体瞬时空泡份额的变化情况。

说明书

技术领域

本发明涉及的是热工水力领域中的一种气液两相流动中重要参数的获得方法。

背景技术

气液两相流广泛存在于工业设备和动力装置中，而空泡份额是两相流动研究中的重要参 数。由于影响空泡份额的因素很多，情况复杂，很难通过理论模型计算得到准确值，所以目 前仍然主要依靠实验的方法来获取空泡份额。这些常用的方法包括可视化图像法、探针法、 电流法、快关阀法等，其中快关阀法虽然可以采集某一时刻的平均空泡份额，但是由于其方 法的限制，不能对瞬时平均空泡份额进行实时采集；探针法和可视化图像法都只能采集局部 瞬时空泡份额，但无法获得整体空泡份额。局部平均瞬时空泡份额（以下简称局部空泡份额） 与整体平均瞬时空泡份额（以下简称整体空泡份额）是不同的，例如，在弹状流中，当气弹 和液弹的长度相近并且与摄像机的拍摄宽度相近时，局部空泡份额的值接近0或1，而整体 空泡份额却接近0.5。虽然在稳态工况下，时均的局部空泡份额和整体空泡份额是相等的，但 是在脉动工况下，由于局部空泡份额随着流量不断变化，所以不能通过简单的时间平均的方 法来获得。电流法虽然能够测量整体空泡份额，但目前只适用于泡状流。因此,需要建立一种 能够获取脉动工况下平均瞬时空泡份额的方法。从已公开的专利来看，现有的方法不能有效 准确地获取平均瞬时空泡份额，例如公开号为CN1718999A、名称为《一种气液两相流中含 气率的检测方法》的专利文件中，利用声谱共振声谱检测技术来检测油田产出剖面测井的含 气率，该方法具有易受干扰，小流量的测量误差大等缺点；公开号为CN1967159A、名称为 《气液两相泡状流流量与体积含气率测量方法及装置》的专利文件，在置于气液两相泡状流 中的涡街流量计旋涡发生体下游一定区间内的测量管管壁上，开设两个对称于旋涡发生体的 引压孔，用差压传感器测量这两点之间的差压，再经过信号处理电路分别获得该差压信号的 频率和幅度，最后代入气液两相流有关的关联式，计算得到气液两相泡状流的流量与体积含 气率。因该方法基于涡街流量计的使用，因此只适用于较快流速的测量，另外该方法只适用 于泡状流的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够达到很高的精度、方便快捷、适用性强的利用局部瞬时 空泡份额获得整体瞬时空泡份额的方法。

本发明的目的是这样实现的：

将压强、压差采集装置与管道测量段两端的引压孔相连，读取压差、压强及局部空泡份 额原始数据；

将局部空泡份额赋为整个管段即测量段空泡份额的初值，并计算气相真实平均速度；

通过得到的气相真实平均速度计算整个管段上游部分中的气泡将要运动到局部空泡份额 采集位置所需要的时间，或者下游部分中的气泡已经离开空泡份额采集位置所花费的时间；

利用所述时间找到相应空泡份额数据，对这些空泡份额数据求算术平均值得到新的整体 空泡份额，并进行判断：若新旧空泡份额的残差足够小，则新空泡份额即为所求所求整体瞬 时空泡份额；若新旧空泡份额的残差不符合要求，则将新空泡份额赋值给测量段空泡份额作 为新的初值，重复上述过程进行迭代计算，直到所得新旧空泡份额的残差足够小为止。

本发明还可以包括：

1、所述计算气相真实平均速度的方法为：其中M_g为气相质量流量，A为管 道截面积，α为空泡份额，ρ_g为气相密度；其中R是气体状态常数，T是绝对温度， P_in是测量段中间压强；P_in通过在测量段中间设置引压孔直接测量获得；或者P_in通过如下方 式获得：对同一组实验工况，用同一压差传感器分别采集测量段压差和测量段上游压强数据， 第一遍采集测量段压差，第二遍把压差传感器低端空载与大气连通，测量上游引压孔处的压 强。因为测量段两个引压孔之间的压强近似呈线性分布，测量段中间绝对压强可以估算为 其中P₀为大气压，P_h为上游引压孔处相对压强，P_d为两引压孔之间的压差， 用这种方法估算管道压强的优点是不用额外再在测量段上打孔和增加压强采集设备，缺点是 每组工况需要分别采集两次数据。

2、所述通过气相真实平均速度计算测量段上游部分中的气泡将要运动到局部空泡份额采 集位置所需要的时间，或者下游部分中的气泡已经离开空泡份额采集位置所用的时间，利用 所求得的时间找到相应空泡份额数据中，时间的计算方法为：

上游：n为整数，且1≤n≤(L-L_c)/2L_c；

下游：m为整数，且1≤m≤(L-L_c)/2L_c，

其中n、m为编号，是把测量段上空泡份额采集设备的上游部分或下游部分分割成若干 段的段编号，L_c为每段的长度，其中Δt为空泡份额采集的时间间隔，i为当前时刻空泡份额 数据编号，解出的i_x即是所求某段的空泡份额数据编号，如果i_x+1距离n×L_c位置更近，则选 择第i_x+1号空泡份额，即为i_x或i_x+1所代表时刻的那一段局部空泡份额α_n或者α_m。

3、对找到的各段空泡份额数据，进行积分平均或者简化后进行算术平均得到新的整体瞬 时空泡份额，其表达式为：

$\alpha =\frac{1}{2\times \mathrm{int}[(L-L_c)/2L_c]+1}\times (\underset{n=1}{\overset{\mathrm{int}[(L-L_c)/2L_c]}{\Sigma }}{\alpha }_n+\underset{m=1}{\overset{\mathrm{int}[\left(L{-L}_c\right)/{2L}_c]}{\Sigma }}{\alpha }_m)$

其中int为取整运算符。

本发明中所涉及到的压强数据，还可以通过布置压差采集装置的同时再在整个测量段的 中部布置压强采集装置来获得。

本发明中所涉及到的局部瞬时空泡份额数据，还可以是通过处理探针等其它采集设备所 采集的数据来获得。

本发明不仅适用于定常流动中空泡份额的获得，还适用于周期性脉动流、非定常流动以 及多相流动中空泡份额的获得。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用迭代计算的方法，对原始数据要求低，且在同样的原始数据下，本发明能 够达到很高的精度；

2、本发明的处理过程简单，只需将原始数据读入计算机，计算机即可自动处理，方便快 捷；

3、本发明可以应用于各种情况下的两相及多相流空泡份额的计算，应用范围广，适用性 强。

附图说明

图1为本发明的数据采集示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为举例脉动工况下不同迭代次数得到的测量段空泡份额与局部空泡份额对比图。

具体实施方式

以下结合附图所示例对本发明作进一步说明。

以通过可视化图像法获得管道内气液两相流局部瞬时空泡份额为例，说明本发明的应用 过程：

1．局部空泡份额的获取：如图1所示，摄像机能拍摄到的长度为L_c，两个引压孔之间 的距离为L，则可以把摄像机上游方向的整个测量段的一半分成(L-L_c)/2L_c段，令摄像机镜头 下方为第1段，紧挨着摄像机流动上游部分为第2段，以此类推，摄像机上游最远端为第 (L-L_c)/2L_c段，则t时刻第i段中的气泡经过b时间后是一定会出现在摄像机下方的，如果找 到此时间b，就能够找到t+b时刻对应的照片，如果假设气泡在运动过程中体积是不发生变化 的（后文进一步说明），则通过t+b时刻照片算出的空泡份额，即为第i段t时刻所对应的空 泡份额。同样的，摄像机下游方向，也作相同的处理。如此，便能找到每一段所对应的空泡 份额，求平均后即为t时刻测量段空泡份额。

2．管道内压强的获取和气相真实速度的计算：为了找到t时刻各段将要运动到或已经离 开摄像机正下方的时间，就需要知道t时刻气泡运动的真实平均速度，其表达式为：式中M_g为气相质量流量，A为管道截面积，α为空泡份额，ρ_g为气相密度。

从公式中可以看出气相真实速度与两个未知量α和ρ_g有关，其中气相密度R 是气体状态常数，T是绝对温度，P_in为管道内测量段中间绝对压强，P_in可以通过在测量段中 间设置引压孔直接测量获得；P_in也可以直接通过如下方式获得：对同一组实验工况，用同一 压差传感器分别采集测量段压差和测量段上游压强数据，第一遍采集测量段压差，第二遍把 压差传感器低端空载与大气连通，测量上游引压孔处的压强。因为测量段两个引压孔之间的 压强近似呈线性分布，测量段中间绝对压强可以估算为其中P₀为大气压， P_h为上游引压孔处相对压强，P_d为两引压孔之间的压差，用这种方法估算管道压强的优点是 不用额外再在测量段上打孔和增加压强采集设备，缺点是每组工况需要分别采集两次数据。

由于沿管道方向压强近似线性分布，所以管道中部压强即为管道内平均压强，密度为平 均密度，所以气泡运动到测量段中部的体积是气泡在整个测量段运动过程中的平均体积，因 此假设气泡在测量段管道内运动过程中体积不变是合理的。

3．整体空泡份额的迭代计算：气相真实速度计算式中另外一个未知量是t时刻测量段空 泡份额α，而α又是待求量，因此需利用迭代的方法来求解。如图2所示，首先读入压差、 压强和利用图像处理得到的局部空泡份额数据，并以此为算法中的空泡份额变量赋值作为初 值，根据这一数据计算得到气相真实平均速度，再利用气相真实平均速度计算各段将要运动 到或已经离开摄像机正下方的时间，找到相应的局部空泡份额，再对这些空泡份额求平均值 得到新的测量段空泡份额，并进行判断：若新旧空泡份额的残差足够小，则新空泡份额即为 所求结果；若新旧空泡份额的残差不符合要求，则将新空泡份额赋值给空泡份额变量作为新 的初值，并进行下一次计算，直到所得新旧空泡份额的残差小于设定值为止。

受气泡速度和摄像机拍摄速率的影响，以摄像机上游为例，第2段到第n（n为整数，且 1≤n≤(L-L_c)/2L_c）段可能会很快地通过摄像机，而摄像机却抓拍不到，另外，计算时间时， 定常工况下可以用距离除以速度，但脉动工况下，由于速度始终变化，应列积分方程，其离 散形式为：

（n为整数，且1≤n≤(L-L_c)/2L_c）

其中Δt为连续两张照片的时间间隔（本发明应用实例中摄像机拍摄相片间隔为0.04秒）， i为当前时刻照片编号。解出的i_x即是所求照片编号，如果i_x+1距离n×L_c位置更近，则选择 第i_x+1张图片，算得的空泡份额为第n段当前时刻空泡份额α_n。求平均即可获得新的测量段 空泡份额：如此反复迭代，当空泡份额结果变化足够小时即为测量段空泡份额 最终结果。图3所示为局部空泡份额以及程序迭代计算3次、10次、20次后所得的整体瞬时 平均空泡份额，可以看出经过程序的迭代计算，所得结果的精确度不断提高，更能反映整个 测量段空泡份额的真实情况。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的研究人员能理解和应用本发明。熟悉本领 域的研究人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把此说明的一般方法应用到其 它实施例中，例如本发明是以可视化图像法作为实施例的，稍作改动该方法同样适用于通过 探针法获得的局部空泡份额来计算测量段空泡份额。因此本发明不限于这里的实施例，通过 本发明的提示，对本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。