CN202255615U - 测量气液两相流的声速的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种测量气液两相流的声速的装置，它包括一个液体供给***、一个气体供给***、一个气液混合器、一个传热管道、一个管道加热***、一个扰动波发生器、一个具有绝热功能的测量管道，三个压力传感器、一个电极对，一个气体含量的闭环控制***、一个气液分离***、数据采集分析***。有上述部件组成的测量装置可以测量气液两相流的声速，以及两相流的流动速度、气体含量、色散性、温度对声速的影响。
Description
技术领域
本发明涉及流体测量领域，是一种测量气液两相流的声速，也就是测量气液两相流中压力波的传播速度的装置。
背景技术
气液两相流的流动是工程上最常见的复杂现象。流体中的声速是指流体中压力波的传播速度，即流体某一区域内发生的微小扰动传播到其他区域的传播速度。单相流体的声速是随着流体的可压缩性的提高而降低。例如水中的声速可达1500m/s，而空气的声速约为340m/s。在气液两相流中，由于两相介质相互掺混，导致气液混合物的可压缩性远小于其中单相成分的可压缩性，因此气液两相流中的声速的极大下降。工程上，例如在核反应堆的安全设计、喷雾燃烧过程的组织、油气输运管道的安置等领域中，都需要考虑气液两相流的声速问题，因为气液两相流的压力波的传播特性对上述工程问题有十分重要的作用。
影响气液两相流的声速的主要流动参数有：流体的流动速度、气体含量、色散性、温度。为准确获得气液两相流在上述流动参数下的压力波的传播特性，需要一种能够同时测量上述因素对气液两相流的声速的影响的装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量气液两相流的声速的装置，它包括一个液体供给***、一个气体供给***、一个气液混合器、一个传热管道、一个管道加热***、一个扰动波发生器、一个具有绝热功能的测量管道，三个压力传感器、一个电极对，一个气体含量的闭环控制***、一个气液分离***和数据采集分析***。有上述部件组成的测量装置可以测量气液两相流的声速，以及两相流的流动速度、气体含量、色散性、温度对声速的影响。
本发明采用的技术方案：
图1是测量气液两相流的声速的装置的布局图。如图1中所示，两相流的液体由液体供给***提供，流体的速度由液体供给***中的液体泵控制。气体由气体供给***提供。液体、气体进入气液混合器进行充分混合。气液混合器的腔体是圆柱形，里面沿轴线方向安装至少三层不锈钢制成的金属网，圆柱形顶面是液体入口，对面是两相流出口，气体从圆柱体周边的小孔进入，液体和气体通过金属网的孔隙后均匀混合，形成均质气液两相流。其中气体的含量按照液体流量值、气体流量值的配比，通过供气***中的电控节气阀调节。两相流进入传热管道，根据设定的温度，由管道加热***对其进行加热，直到达到预定温度。在传热管道之前或之后，连接有扰动波发生器，扰动波发生器是一个能产生频率可调 的标准正弦波的、由伺服电机拖动的往复式活塞机构。产生频率可调的标准正弦波，作为扰动波，传入后面的具有绝热功能的测量管道。此阶段，温度被认为是恒定的。传热管道和测量管道都是横截面为圆形的细长管道。三个压力传感器安装在测量管道的壁面上。从来流方向，三个压力传感器分别标号1，2，3。彼此等距离。2号为中心压力传感器，，1号和3号分别被称为上游和下游压力传感器。1号和3号被安装在2号对面。2号压力传感器正对面安装一个电极对。1，2，3号传感器用来测量三个点的压力，电极对用来测量当地气体含量。在测量前电极对需要标定，获得输出电压和气体含量的关系曲线。因为传热管道的加热过程会使测量管道内的气体含量发生变化，偏离电控节气阀设定好的气体含量。这一点可以通过电极对的测量值和是否与设定值一致反映出来。如果有偏差，一个气体含量的闭环控制***会通过电控节气阀，进一步调整气体流量，直到电极对处的气体含量值与设定值的偏差在误差范围内。测量管道下游连接一个气液分离***，被分离的液体回到液体供给***。
所有数据通过一个数据采集和分析***采集、分析处理。对三个不同位置的压力值进行FFT变换，通过相关分析和谱分析的方法可以推算出两相流当地的声速。
本发明的优点：
本发明提出的测量气液两相流的声速的装置结构简单、实用，使用方便，功能强大。在这个装置上，流动速度、气体含量、色散性、温度四个参数对气液两相流的声速的影响可以分别进行测量，独立地考虑其中任意一个参数的影响，也可综合考虑各个参数的影响，进行交叉实验。
附图说明
图1测量气液两相流的声速的装置的布局图；
图中，1液体供给***、2液体流、3气体供给***、4气体流、5气液混合器、6管道加热***、7气体含量的闭环控制***、8电极对、9下游压力传感器、10具有绝热功能的测量管道，11气液分离***和数据采集分析***、12中心压力传感器、13回水、14扰动波发生器、15传热管道。
图2测量空气-水两相流中的声速的装置的布局图；
图中，1水箱、2管道加热***、3气液混合器、4流量计、5电控节流阀、6集水池、7液体泵、8水流、9传热管道、10扰动波发生器、11具有绝热功能的测量管道、12数据采集分析***、13控制计算机、14回水、15中心压力传感器、16气液分离***、17下游压力传感器、18铂金电极对、19气体含量的闭环控制***、20压缩气泵、21电控节气阀、22气体流量计、23温度传感器、24压力监控传感器、25空气流。
图3气液混合器的结构示意图；
图中，1圆柱形腔体、2进入水口、3，4空气进入的周边的小孔、5三层金属网、6两相流流出的口。
图4扰动发生器的工作原理图；
图中，1伺服电机拖动、2往复式活塞机构、测量管道
图5压力传感器和电极对在测量管道上的安装示意图；
图中，1测量管道、2上游(1号)压力传感器、3下游(3号)压力传感器、4铂金电极对、5中心(2号)压力传感器。
具体实施方式
以一个具体实施方案进一步说明本发明提出的一种测量气液两相流的声速的装置的结构和原理。具体是一个空气-水两相流中的压力波的传播速度的装置。
图2是测量空气-水两相流中的声速的装置的布局图。如图2中所示，两相流中的水由液体供给***提供。该***中包括一个固定高度的水箱、地面上的集水池、液体泵、流量计、电控节流阀等部件。流体的速度由液体供给***中的液体泵控制。空气由气体供给***提供。该***包括压缩气泵、气体流量计、电控节气阀、温度传感器等部件。水、空气进入气液混合器进行充分混合，形成均质空气-水两相流。图3是气液混合器的结构示意图。气液混合器内腔呈圆柱形，沿着其轴线方向安装三层金属网。沿其轴线即是水进入、两相流流出的口。空气从周边的小孔进入。其中空气的含量按照水的流量值、空气的流量值的配比，通过供气***中的电控节气阀调节。空气的含量可以从0(纯水)到100％(纯空气)。温度传感器的值用来修正空气的密度值。
气液混合器连接传热管道，传热管道由传热系数较高的材料，不锈钢材料制成。空气-水两相流进入传热管道后，根据设定的温度，由管道加热***对其进行加热，直到达到预定温度。管道加热***采用大功率电磁加热器。在传热管道之后，连接有扰动波发生器，产生频率可调的标准正弦波。图4是扰动发生器的工作原理图。正弦波由通过一个由伺服电机拖动的往复式活塞机构获得。如果不考虑两相流的声速的色散性，即声速对扰动频率的反应程度，则不启动扰动发生器。正弦波作为扰动波，传入后面的具有绝热功能的测量管道。
测量管道阶段，温度被认为是恒定的。材料采用传热系数较低的有机玻璃。传热管道和测量管道和的横截面都是圆形的细长管，且直径相等。加热管道与测量管道之和与管道直径之比大于10，目的是使空气-水两相流中的声速的波长远大于的直径，这样可以保证压力波仅沿着的测量管道的轴向传播，保证流动是一维流动的前提假设。
三个压力传感器安装在测量管道的壁面上。从来流方向，三个压力传感器分别标号1，2，3。彼此等距离。2号为中心压力传感器，1号和3号分别被称为上游和下游压力传感器。1号和3号被安装在2号对面。2号压力传感器正对面安装一个铂金制成的电极对， 测量端深入到测量管道中，但不超过测量管道的中心轴线。图5是压力传感器和电极对在测量管道上的安装示意图。传感器1，2，3号用来测量三个点的压力，电极对用来测量当地空气含量。在测量前电极对需要标定，获得的输出电压和空气含量的关系曲线。
因为传热管道的加热过程会使电控节气阀设定好的空气含量产生变化，这一点可以通过的测量值和是否与设定值一致反映出来。如果有偏差，一个气体含量的闭环控制***会通过驱动电控节气阀，进一步调整气体流量，直到电极对处的气体含量值与设定值在误差范围内。如果不考虑温度对声速的影响，可以不启动管道加热***，在室温条件下进行声速测量试验。
测量管道下游相连一个气液分离***。该***利用离心力分解空气和水，水回到液体供给***的集水池中循环使用。
所有数据通过一个分析***采集分析处理。对所获得三个不同位置的压力值进行FFT变换，通过相关分析和谱分析的方法可以推算出空气-水两相流在一定的流动速度、一定的空气含量、一定的温度下的当地的声速。
Claims (7)
1.一种测量气液两相流的声速的装置，两相流的液体由液体供给***提供，气体由气体供给***提供；液体、气体进入气液混合器形成均质气液两相流；两相流进入传热管道，由管道加热***对其进行加热，在传热管道之前或之后，连接有扰动波发生器；三个压力传感器安装在测量管道的壁面上；位于中心的压力传感器正对面安装一个电极对；气体含量闭环控制***通过电控节气阀调整气体流量；测量管道下游连接一个气液分离***。
2.根据权利要求1所述的一种测量气液两相流的声速的装置，其特征在于，所述的一个气液混合器的腔体是圆柱形，里面沿轴线方向安装至少三层不锈钢制成的金属网；在圆柱形顶面是液体入口，对面是两相流出口，气体从圆柱体周边的小孔进入。
3.根据权利要求1所述的一种测量气液两相流的声速的装置，其特征在于，所述的扰动波发生器是一个能产生频率可调的标准正弦波的、由伺服电机拖动的往复式活塞机构。
4.根据权利要求1所述的一种测量气液两相流的声速的装置，其特征在于，所述的传热管道由不锈钢材料制成，是横截面积为圆型的细长管。
5.根据权利要求1所述的一种测量气液两相流的声速的装置，其特征在于，所述的具有绝热功能的测量管道由有机玻璃材料制成，是横截面积为圆型的细长管。
6.根据权利要求5所述的一种测量气液两相流的声速的装置，沿测量管道的轴线方向顺序被安装在测量管道的壁面上，彼此等距离，中间的传感器位于另外两个对面。
7.根据权利要求6所述的一种测量气液两相流的声速的装置，所述电极对深入到测量管道中，但不超过测量管道的中心轴线。
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