多相流相关流量测试方法的研究
流体流动中的多相流现象研究
流体流动中的多相流现象研究流体流动中的多相流现象研究多相流是指在流体流动过程中，同时存在两种或更多种不同相态的物质混合体系。
例如，气液两相流或气固两相流。
多相流现象在自然界和工程中都十分常见，如水蒸气与雾气的混合，河流中的悬浮物质输运等。
研究多相流现象对于理解和应用这些复杂现象具有重要意义。
下面，我们将按照步骤思维的方式，来探讨如何进行多相流现象的研究。
第一步：问题定义研究多相流现象的第一步是明确问题定义。
确定需要研究的多相流现象类型，例如是气液两相流还是气固两相流，以及问题的具体背景和目的。
例如，我们可以选择研究气液两相流在管道中的流动行为，以及其中可能出现的相态转变和传质过程。
第二步：建立数学模型在明确问题定义之后，我们需要建立数学模型来描述多相流动现象。
常用的数学模型包括欧拉方法和拉格朗日方法。
欧拉方法将多相流看作是一个连续介质，描述其宏观流动行为。
拉格朗日方法则将多相流看作是由许多微小颗粒组成的离散介质，描述其微观粒子运动。
根据具体问题和研究目的，选择适合的数学模型进行建模。
第三步：实验设计与数据采集为了验证和验证数学模型的准确性，实验是必不可少的。
在实验设计中，需要确定实验所需的设备和实验条件，如流体性质、流量、压力等。
根据实验设计，进行数据采集，包括测量多相流的流量、速度、浓度等参数信息。
通过实验数据的采集，可以对数学模型进行验证和调整。
第四步：数值模拟与分析数值模拟是研究多相流现象的重要工具之一。
利用计算流体力学（CFD）方法，可以对多相流动进行数值模拟。
在数值模拟中，根据建立的数学模型和实验数据，进行数值计算，得到多相流动的各种参数和分布情况。
通过对数值模拟结果的分析，可以深入理解多相流动现象，并进一步优化数学模型。
第五步：结果解释与应用在完成数值模拟分析之后，需要对结果进行解释和应用。
根据研究目的和背景，对多相流动现象的特点和规律进行解释和说明。
同时，根据研究结果，可以提出相应的应用建议和措施，如在管道设计中考虑气液两相流的影响，或者在环境保护中控制气固两相流的颗粒排放。
油、气、水三相流检测技术的研究
流钵戆穗嶷交凭大等等。穗舅＃是我鏊诲多涵蛩毫经蹩予嚣采静中浚鬻，含窳率
高达９０％以上，造成电容测量等技术难以应用。
１．２誊前在多攥流蔫量率采用翡技术方法
浊气水三摆计爨，可以分簿为两个技术要点：ｌ、油气承三摆渡携佟气滚嚣
楣流进行流量总量的测量。２、对三相流中不同相的褶分率的测量“。
｛。２。１多橙流流量斡主要测量方法
赣江夫学臻士学袋谂空
型的撩液率，过高估计了分层波状流、段塞流和环状流流型的持液率，而且该
模型谯应用时需要用迭代方法求解，并且在巢魑情况下会出现黉根。有关学者 针对以上问题改进了Ｔａｉｔｅ卜Ｄｌｌｋｌｅｒ模型，Ｇ．Ｈ Ａｂｄｕ卜Ｍａｊｅｅｄ利用所得到的试 验数搬对液遴模型进行了验｛芷，其计算结果明鼹优于原有模型秘其它预测方法
浙江大学 硕士学位论文 油、气、水三相流检测技术的研究 姓名：刘晓宇 申请学位级别：硕士 专业：检测技术与自动化装置 指导教师：杨江 20060501
浙江大学硕士学位论文
摘
要
油、气、水三相流广泛存在于石油工业中，对于三相流的测量具有重要的 意义。然而，由于多相流在流动过程中流型复杂，成分多变，到目前为止，具 有实用价值的多相流量计很少。 本文以油、气、水三相流的测量为研究方向，比较了国内外现有的多相流 测量方法，提出了一种基于超声波传感器、电容传感器、射频传感器等多传感 器的测量方案。 本文主要内容如下： １．介绍了多相流测量技术的发展现状和重要意义，针对已有检测方法中 存在的问题，提出了多传感器的测量方案。 ２．基于游标卡尺测量原理，提出了用于测量微小时间差的时间比例放大 技术，对时间差先放大，后测量，且放大比例可以通过反馈自动调节。 该方法具有结构简单，分辨率高等优点，被用于测量超声波的传播时 间差。
第三章 多相流流型及判别方法
体积与质量含气率：
x
多相混输技术的研究及其应用 2015-7-3 5
第三章 多相流流型及判别方法
对于截面含气率有：
1 1 1 w 1 Al wl g 1 s 1 A w w g g l
一、两相混合物密度 气液两相混合物密度有两种表示方法： （一）流动密度
（二）体积流量 单位时间内流过管路横截面的流体体积称为体积流量。对于气液两相混 输管路有：
Q Qg Ql
二、流速 （一）气相和液相速度 气相速度： 液相速度：
wg
Qg Ag
wl
Ql Al
（二）气相和液相的折算速度 气相折算速度：
多相混输技术的研究及其应用 2015-7-3 2
第三章 多相流流型及判别方法
y -0.6746608 x 4.2203391
x -1.028449 y 6.319154 y -0.2228661 x 3.361187
3）流型判别程序流程图
多相混输技术的研究及其应用 2015-7-3 24
第三章 多相流流型及判别方法
开始 输入已知数据 计算Bx,By,x,y P(x,y)在L1之下 吗？ 否 P(x,y)在C4及L3 之右吗？ 否 P(x,y)在L2之下 吗？ 否 P(x,y)在C2之下 吗？ 否 P(x,y)在C3之下 吗？ 否 雾状流 按流型计算相关参数 输出流型 结束 是 环状流 是 冲击流 是 气团流 是 气泡流 是 波状流 否 P(x,y)在C1之下 吗？ 是
散布流 不对称散 布流 移动床流
固定床流
图3-12 水平管液固两相流流型示意图
多相混输技术的研究及其应用 2015-7-3 18
多相流流量检测综述
1 多相流检测综述多相流是两个及以上的相组合在一起，且具有明显相间界面的流动体系。
这种现象在工业过程如能源、石油、化工、医药等中广泛存在，且起着重要的作用。
而为了对多相流进行科学研究，以及让多相流在工程实际中起到良好的作用，就需要对其过程机理和状态有清楚的描述，对其过程参数有准确的检测。
而在工业过程中，由于工程实际以及对过程监控的要求，多相流各相的实时流量检测是十分重要的，因此多相流流量也是多相流过程参数中，最为主要的需要检测与控制的参数。
多相流检测亦可根据其检测方式的不同分为直接法和间接法。
直接法可以通过直接测量检测到待测参数，而间接法需要在测量值与待测参数之间建立关系式，通过得到的测量值来计算待测参数。
而对于多相流流量的测量，既有直接测量的方法，也有间接法来测量。
2 多相流流量检测方法2.1 差压流量计差压流量计的原理是：让流体通过节流组件，在节流组件前后流体会有压力差，通过测出压力差，利用伯努利方程，就可以计算出流体的流量（流速）。
根据文丘里效应设计的文丘里流量计是多相流检测中最常见的一种。
将文丘里流量节与相含率检测装置一起使用，不但可以测得多相流的总流量，还可以得到各分相的流量。
差压流量计也有缺陷，节流组件介入了流体的流动，因此会对其流动产生干扰，进而会造成了额外的压降。
2.2 容积流量计让流体流经容积式流量计，随着流体的流动，容积式流量计会转动，而流量计每转一圈，计量室会排除体积固定的流体，记录计量室排出的流体体积及时间，通过这两者可以计算出流经流量计流体的体积流量，即流速。
从原理上看，容积式流量计的计量室转速越快，说明流体的流速越快，但在实际情况中，只有当流体流速处在一定范围内时，这种关系才存在。
容积流量计可以按照其测量组件的结构来进行分类，主要有以下几种：椭圆齿轮流量计、活塞式流量计、刮板式流量计等。
容积式测量技术有测量精度高、调节比大、输出的信号与流量成比例、不需要前置直管段的优点。
多相流量计性能评价与应用
水 各单相 仪 表 的测试 和评 价体 系 ，不 适 用 于多相 流
件 （ 同液量 、含水 率 、含 气率 ）下 直观地 观察 多 不
流量计 的测 试性 能 。
条 件下 实现 油气水 分 相流 量计 量 的组 合装 置 ，油 气 相 流量 计 的测量 误差 分布 ，帮助用 户充 分 了解 多相 量 计 的测试 与评 价 。 因此 ，如 何确 定多 相 流量计 在 不 同流态 、不 同含水 率 和含气 率条 件下 的实 际技 术
得 出的误 差 分布 图 ，从 经济 、 实用 的角度 来选择 。 关 键词 ：多 相流量 计 ；不确 定度 ；置 信水平 ；测 量
ｄ ｉ ０３ ６ ／ｉ ｎ１ ０ — ８ ６２ １ ．．３ ｏ： ．９ ９ｊｓ ．０ ６ ６ ９ ． ２ ０ ３ １ ．ｓ ０ ７
多 相流 量计是 在 对油 气水 不分 离或 部分 分离 的
流量和含水率三个参数的不确定度来表示 ，同时还 过测试 装 置对其 进 行性 能测 试评 价 。从 已完 成 的测 试 情况 看 ，国内外 大多数 多 相流量 计 达不 到其 厂商 要 给 出相 应参 数不 确定 度 的置信水 平 。 声 明的 ９ ％的置信水 平 。 ０ ２ 测试数据分析 从 大 量测试 结 果看 ，测 量误差 增 大 的原 因除计 多相流 量计 液流 量 和气流 量测 量误 差用 相对 误 量技术 本 身有 待改 进外 ，极 限点 （ 量下 限 、高含 流源自１ 测量 范围和测量不确定度
弯管流量计测量多相流实验研究
图 １ 弯 管 流 量 计 测 量 油 水 两相 流 的 影 响
维普资讯
２ ．测 量 多相 流 实 验 研 究
油气水多相流的计量 比单 相流体计量 复杂 ，油 田
常规 的计量方法采用两相或三相分离后分别计量 的方 式 。近年来在 线多相流量计得到 了迅速发展 ，它一般 经过专用的结构设计 ，以多传感器为基础进行多参数
组合测量 ，并 通过 专用微 机系统进 行数据 处理分 析 ， 实现 自动 、连续 、实验研 究方面 ，河北理 工学 院做 了流体 粘度
变化对 流量系 数影响 实验 。实验数 据表 明 ：流体动
力粘性 系数从 １ ３Ｐ变 化到 ６ ５Ｐ，弯 管流 量 系数 ．ｃ ，ｃ 的变化 在 ０ ５ 左 右 。这 一实 验说 明粘 度对 弯 管 流 ，
量计 流量 系数 影响较 小 ，如果 流体密度 可测 或用 双
多地应用 了基于 相关分 析的光纤 、超声 、射线 衰减、 电导等原理的传感器 ，一部分传感器实现 了可 以同时 测量流速和相含率的功能。另外 ，基 于均 相流模 型的 双参数组 合 测量 方法 也得 到 成功 的应 用 ，如 双孔板 法 、孔板配合文丘里 管法等 。 １ ，弯管流 量计 原理 弯 管 流量计一 般包 括三 部分 ：弯 管传 感 器 、差
结果 如 图 １ 示 ，图 中横 坐标 是含水 值 、纵坐标 是 所 弯管 流量计 流量 系数 。
ｄ—— 弯管 半径 ，ｍ； Ｒ—— 弯管 曲率 半径 ，ｍ； △ —— 弯管 内外侧 压差 ，Ｐ ； Ｐ ａ
多相流测量技术的研究及其应用前景
多相流测量技术的研究及其应用前景曹艳强 曹岩西安石油大学石油工程学院 陕西 西安 710065摘要：多相流广泛存在于石油工业中,因此对于多相流的测量就具有非常重要的意义。
然而,由于多相流在流动过程中流型复杂,成分多变。
到目前为止,多相流的测量仍然是石油行业中的一个难题，但同时多相流技术的应用潜力还是被大家非常看好的。
关键词：多相流 压降 分相含率 空隙率 速度 流量1多相流简介在大自然中,物质可以分成气相、液相和固相三相[]1。
顾名思义多相流就是指同时存在两种或两种以上不同相混合物质的流动。
在日常生活中常见的多相流有气固两相流、气液两相流、液固两相流、液液两相流以及气液液、气液固多相流等等。
在多相流的研究中,通常将在同一自然相中存在明确界面的不同物质当作不同相进行研究,如在油水混合物中,由于油和水互不相溶,那么就会在两者之间存在明显的相界面,这样就称为油水两相流。
多相流在石油化工行业中是一种十分普遍的现象。
在石油开采过程中，从采出到运输都会存在油、气、水三相混输，这是一种很典型的多相流，甚至还存在油、气、水、沙四相流。
多相流是在流体力学，物理化学，传热传质学，燃烧学等学科的基础上发展起来的一门新兴学科,对国民经济的发展有着十分重要的作用,它广泛存在于能源、动力、石油化工、核反应堆、制冷、低温、环境保护及航天技术等许多工业部门。
因此，虽然多相流的发展历史只有短暂的几十年，但由于油气水多相流检测技术的研究具有重要的理论和工程意义，发展脚步很快。
尤其是在20世纪50年代以来,由于石油化工行业中高参数的引人,以及对环境保护的日益重视,在一定程度上大大地促进了多相流研究及其应用的发展[]2。
2多相流的测量参数[]3在多相流的流动过程中，由于相与相之间的作用，就会有分布和形状在空间和时间里都是可以随时变化的相界面，而相与相之间又会存在不同的速度，导致通过管道的不同相的流量比和其所占的管截面比并不相等。
因此，根据多相流的这些特点，描述其流动的参数就要比单相的参数要复杂。
水下多相流测量技术综述
海洋石油和天然气的储量惊人，开发潜力巨大[1]。
我国是海洋大国，海岸线长度1.8万公里，居世界第四位，大陆架面积位居世界第五，海洋石油和天然气储量丰富。
我国海洋石油天然气勘探主要集中在渤海、黄海、东海和南海北部大陆架。
根据中海油总公司报告资料，仅南海盆地群的石油地质资源量就达到230亿至300亿吨，天然气总地质资源量约16万亿立方米，约占到中国油气总资源量的三分之一左右，其中70％蕴藏于深海区域。
多相流测量是水下油气作业中必然面对的难题。
深水油气开采技术难度大、成本高，水下油、水、气多相流测量技术是海洋油气田开发过程中，尤其是深水作业中必不可少的技术需求。
一、水下多相流量计发展概况多相流是一种复杂的流动现象，普遍存在于能源、水力、化工、气象、航天等诸多领域，如何对多相流进行有效的监测一直以来都是学界的一个技术难题。
多相流的发展史可以追述到19世纪70年代，直到20世纪40年代两相流一词始见诸文献。
1974年《国际多相流杂志》创刊，1982年多相流手册出版，逐渐形成了一门独立的学科[2]。
经过近40年的发展，对多相流的研究已经取得了一系列颇具意义的进展，尤其在多相流测量领域，已经出现了一些较为成熟的计量仪器，并成功应用于工业生产，取得了较为显著的经济效益[3]~[6]。
水下多相流量计的出现是为了解决传统测量方式的不足。
在水下多相流量计出现以前，水下多相流测量多依靠将油井产物通过测试管线引至平台测试分离器或多相流量计进行油、气、水流量的测量。
这种方法由于需要单独的测试管线，投入巨大，同时也带来了操作困难[7]。
水下流量计的出现，使得水下单井产量的连续、实时测量成为可能，极大地改善了测试数据的准确性和时效性，对于生产动态监测、油藏管理优化和流动保障具有重要意义。
由于多相流测量本身难度较大，加之水下特殊的应用环境带来的挑战，目前世界上只有Schlumberger、Emerson、FMC、Pietro Fiorentini等少数几家国外公司具备水下多相流量计的设计、制造和安装技术，国内公司虽然在地面多相流计量领域已经实现商业化多年，但水下多相流量计的研究还处在起步阶段。
多相流检测研究进展
工 业 技 术113科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATIONDOI：10.16661/ki.1672-3791.2017.27.113多相流检测研究进展邢天阳(东南大学吴健雄学院 江苏南京 211189)摘 要：流体的多相流动广泛存在于多个领域，如动力、石油、化工等。
多相流检测一直是流体测量领域的一个难点。
本文分析了多相流体的流动特征，说明工业检测多相流的困难所在。
本文介绍了现阶段多相流流体检测现状，详细介绍现阶段较为成熟的工业多相流检测手段、说明其检测原理并分析各自的优缺点。
主要介绍过程层析成像技术理论以及过程层析多相流基本原理以及结构组成。
由此分析并提出多相流检测今后可能的发展方向。
关键词：多相流 过程层析成像 发展趋势中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2017)09(c)-0113-02现阶段，多相流检测技术需求最大的石油工业。
国内外是由工业经过几十年的发展，现阶段的研究重点转移到了研究高含水率的油、气、水多相流量计。
但是目前，世界大部分油井尚未到达高含水率开采阶段。
不可否认，高含水率多项流量计是未来的发展趋势，具有重大的研究价值。
本文所研究的多相流检测技术以油、气、水多相流的流量测量为主要研究对象。
1 多相流的特征多相流是指含有两项及两项以上的物质或者相的流动，多项流动的主要特征有以下几个方面，第一，不均匀速度，相间速度不均匀；第二，相不稳定，多相流的相界面的时空不稳定；第三，特性复杂，多相流的特征参数比单项流动要多。
多项流动检测困难之处体现在：第一，非均匀混合，各相有趋向分离的趋势；第二，不稳定流动，相间存在相对速度，相界时空不稳定；第三，不规则混合，混合结果没有规律性。
第四，各相之间存在相互作用。
例如气体在液相中被吸收等。
第五，流动形态较为复杂，表征多相流的特征参数较多。
2 多相流检测现状从检测模式分类，现阶段检测多相流方法主要有分离式检测法、部分分离式和不分离式检测法。
油气水多相流量计的测试、标定探讨及应用
油气水多相流量计的测试、标定探讨及应用油气水多相流量计在油田的开采作业过程中起到了非常重要的作用，尤其是在一些边缘油田以及海相油田上的应用，更是为油田的经济效益提升带来了积极的做用，形成油气水多相流的原因比较多，而且多相流的流动特性非常复杂，使得多相流的测试、标定工作特别难开展，目前为止能够很好的对多相流进行测试、标定的就是多相流流量计。
本文主要研究了多相流流量计对油气水多相流的测试、标定以及应用。
标签：多相流量计；测试、标定；应用油田在进行油气田开采的过程中，从井下开采出来的原油、半生天然气和水在管道运输的过程中逐渐形成了一种在相态以及流动性能上比较复杂且相态和流动性变化较快的多相流。
多相流在形态和物性上具有较大的随机性。
利用随机函数对多相流的随机变量进行计算后可以得出，对于油气水多相流的体积测量完全可以通过对油气水多相流的流速以及在流量截面上的含水气率等参数的实施检测就可以实现。
但是在实际的油田开采作业过程中对于油气水多相流的测试、标定还是存在很多的困难。
因此应该贾汪对多相流量计的开发和应用。
1 多相流量计的测试、标定技术1.1 多相流量计的测试由于油气水多相流的流动形态非常复杂多变，因此在多相流的体积分布上也随着多相流的流行变化而不断变化，油气水三种相态之间在流动的过程中存在着相对的运动，产生不同的相对速度，因此在进行油气水多相流的测量时，必须对油气水三相各自的相分率以及分相速度进行测试。
而相分率的表征主要是通过相分率产量来进行的，这个产量在实际的测试过程中处在很多难点。
目前针对相分率产量的测试技术主要有电学法、射线吸收法以及微波衰减法等几种。
利用不同相态的电导率以及介电常数等特性的差异来测量油气水多相流的气液相分率的方法就是电学法。
射线吸收法主要是利用射线在穿过多相流的时候，不同的相态对于射线吸收程度不同，而且不同密度的多相流对于射线的吸收程度也不相同，这样就可以对多相流的密度以及分相率进行测试。
多相流过程参数检测技术综述
第39卷第11期自动化学报Vol.39,No.11 2013年11月ACTA AUTOMATICA SINICA November,2013多相流过程参数检测技术综述谭超1董峰1摘要多相流是现代流程工业及其相关科研领域内常见的控制与研究对象,对其过程参数的检测是工业生产与科学研究中的一个研究热点问题.本文针对工业过程中的多相流过程参数检测问题,介绍了多相流的特点及其过程参数,并分类介绍了多相流过程参数检测方法,重点讨论了检测的难点及其未来发展趋势,为更好地解决复杂工业过程多参数检测问题提供方法基础和借鉴.关键词工业过程参数,检测技术,多相流,流型识别,流量测量,含率估计引用格式谭超,董峰.多相流过程参数检测技术综述.自动化学报,2013,39(11):1923−1932DOI10.3724/SP.J.1004.2013.01923Parameters Measurement for Multiphase Flow ProcessTAN Chao1DONG Feng1Abstract Multiphaseflow,as a typical research and control object,is a frequently encountered phenomenon in mod-ern process industries and related scientific researchfields.Measurement on its process parameters has been a widely investigated topic in engineering and academic researches.This paper aims at the measurement of process parameters of multiphaseflow in process industries,introduces the characteristics and process parameters of multiphaseflow,along with related measurement techniques in different categories.The difficulty and future trend of multiphaseflow process parameter measurement are specially discussed to provide a fundamental measuring method to the measurement on multi-parameter of other complex industrial processes.Key words Industrial process parameters,measuring techniques,multiphaseflow,flow pattern identification,flow rate measurement,phase fraction estimationCitation Tan Chao,Dong Feng.Parameters measurement for multiphaseflow process.Acta Automatica Sinica,2013, 39(11):1923−1932多相流现象广泛存在于能源、动力、石油、化工、冶金、医药等工业过程中,在工业生产与科学研究中有着十分重要的作用,并带来许多安全与经济问题,对其流动过程机理及状态的解释和描述、以及对流动过程参数的准确检测也给工程师和科研人员提出挑战[1].近年来,国际上对多相流的研究兴趣在持续增长,其原因在于多相流不仅在一系列现代工程中得到广泛应用,而且对促进这些工程设备的发展和创新也起到了重要作用[2].收稿日期2013-07-02录用日期2013-08-28Manuscript received July2,2013;accepted August28,2013国家自然科学基金(61227006,61104207,51176141),国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ120048)资助Supported by National Natural Science Foundation of China (61227006,61104207,51176141),National Key Scientific In-strument and Equipment Development Projects of China (2011YQ120048)庆祝《自动化学报》创刊50周年专刊约稿Invited Articles for the Special Issue for the50th Anniversary of Acta Automatica Sinica1.天津市过程检测与控制重点实验室天津大学电气与自动化工程学院天津3000721.Tianjin Key Laboratory of Process Measurement and Con-trol,School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin300072随着工业水平的不断提高,对工业过程控制精度的要求也在不断提升,而过程参数的检测是实现准确控制的重要基础.现代工业过程正在向高精度、多变量的复杂系统控制方向发展,因此如何解决复杂工业过程中多参数精确检测问题是促进过程控制发展的基础.作为一种复杂的流动现象,多相流动过程参数的检测一直是工业界亟待解决的问题[3].例如在海洋石油工业中,一般将多口离岸油井开采的混合物(通常包括天然气、水与原油)输送至平台集中,经过分离等处理后装船或通过混输管道输送至其它地方.因此需要得到各井的流动状态、流量、压力及各分相含率的变化等准确信息,以避免危险情况与经济纠纷的发生.传统的方法是在操作平台上完全或部分分离混合物,并用常规测量手段分相测量.然而,平台的空间与能耗都是极其珍贵的,因此大型分离器的经济性使其应用优势大打折扣[4].本文针对工业过程中常见的多相流过程参数检测问题,从待测参数及其检测方法方面进行综述,并阐述多相流过程参数检测的难点及发展趋势.1924自动化学报39卷1多相流与多相流检测1.1多相流及其特点多相流中的“相”定义为物质的存在形式,即气态、液态或固态,因此多相流即为两种或两种以上“相”的物质同时流动且具有明确分界面的流体.有时,多相流也被称为“多组分流”,然而两者是不同的,后者指流体中含有多种不同化学性质的物体同时流动.例如蒸汽与水的混合为单组分的两相流,而空气与水则称为两组分流;液/液两相流中的油水混合流,属于两组分流,但却是单一的“液相”.但随着研究的深入与连续相与离散相概念的引入,两种概念逐渐合为一种,即“多相流”[1].在工业生产过程中比较多见的是气液、气固、液固、液液两相流,气液固三相流和油气水三相流等;在某些工业过程(如石油工业)中,还有油气水沙同时流动的四相流.与单相流相比,多相流的待测参数多且流动过程十分复杂,难以用数学公式完全描述,因而给测量带来困难.以三相流为例,若想获得各分相流量,需要检测出三相流总流量,以及各分相含率,即至少四个待确定的参数.此外,不同的研究领域和工程应用对多相流参数的需求也是不同的,因此待测参数更加多种多样,如图1所示.多相流流动总是伴随着相间的质量、动量以及热量的同时和瞬时的传递,使得流动过程更加复杂[5].多相流流动时所表现出的流体现象称作“流型”或“流态”,它决定着流体的动力特性以及相应的检测方法.尽管许多流体方程能用来解决流体流动问题,但大都局限于特定的假设和适用条件,因此难以直接使用建立准确的检测模型.1.2多相流研究与工程中的检测技术对多相流的检测可以追溯到二十世纪初,其后在实验室和工业范围内发展出许多检测手段和模型[6].多相流的检测技术从应用目的可以分为科学研究类测试技术与仪器,以及工业用多相流测量技术与仪表.科学研究类测试技术与仪器主要为多相流基础问题研究服务,目的多为流体局部参数的精细检测,如泡径、局部流速等,检测手段限制不大、且应用环境相对稳定,因此可广泛采用各种测试手段进行研究,小到光学探针,大到核磁共振等均可使用.工业用多相流检测技术与仪表主要用于工业过程中多相流动过程参数的检测,进而对工业过程实现状态监测与控制,因此对仪表的检测手段有一定的限制,如非侵入、耐腐蚀、无辐射等,且被测变量是过程平均量[3].随着科技的发展,工业界的要求也相应的提升,许多检测手段被应用在多相流测量中,例如传统方法中的文丘里、孔板等,以及新兴技术中的微波、射线以及层析成像等[7].本文所讨论的多相流以石油工业过程中常见的油气水多相流为主,包括两相流(主要为气液、液液)与三相流(主要为油气水),所介绍的检测方法,发展自不同的应用场合.然而,由于多相流的变化范围很大,因此尚未有单一的检测技术可以完全适应各种多相流的应用.2多相流过程参数检测方法发展概况多相流过程参数检测策略随着工况与对象属性的变化而变化,可以利用的物理现象与关系很多,因此检测手段也多种多样.检测方式可分为两大类:直接法与间接法.直接法指的是对象参数能够通过Fig.1多相流的过程参数Fig.1Process parameters of multiphaseflow11期谭超等:多相流过程参数检测技术综述1925测量直接得到,而间接法则需要在测量值(辅助测量值)与对象参数之间建立的关系式通过计算得到,即“软测量”方法.在多相流测量领域内,许多直接采用单相流仪表的检测方法属于直接法,而新兴的检测技术则多采用软测量的方法.对于传统单相仪表在气水与油水两相流中的应用问题,Skea和Hall指出这类仪表在检测混合流量时的性能良好,但在检测含率时的误差很大[8−9].在工业过程中,多相流流量是最主要的检测与控制参数,特别是多相流中某一相的实时流量对工业过程监控是十分重要的.然而为了准确获得多相流流量,另外两个重要的过程参数,即流型与相含率是必须要考虑的参数.2.1流型识别方法2.1.1多相流流型的多样性管道中多相流呈现出的几何与动力特征不同的流动形态称为流型,它可通过组分或相的形态来描述,但难以实现定量描述,因为流动的参数随着流型变化,且作用在流体上的力与参数的关系也十分复杂[10].这些作用包括流体力学分析中十分重要的浮力、湍流以及表面张力等,均随着流速、管径、管道倾斜角度以及各分相流体性质等变化.作为多相流最直观的表现形式,流型的变化可以直接影响工业过程的效率和安全.例如石油工业中要尽可能避免严重段塞流对油井井口的影响,而在多相流输送过程中,又需要某些特定的流型来减少压降与管道磨损,提升输送效率[11].此外,尽管流体的基本方程十分接近,但各流动参数在不同流型下的关系是不同的,并且一种流型下的检测方法所能达到的精度,在另一种流型下则很难达到.因此对多相流流型的准确识别不仅有助于工业生产与流动安全的保障,也对多相流过程参数的准确检测有直接的作用.因此流型识别是实现流型控制的基础.流型可根据管道角度分为垂直管流型与水平管流型,以及介于二者之间的倾斜管流型.此外,根据对象物性不同也可分为气液两相流、油水两相流、油气水三相流以及油气水固多相流流型等.在气液两相流中,受垂直作用在水平管道上的重力的影响,管道内的流体会由于密度不同而逐渐分离,使流态变得复杂.垂直管道中的两相流动则多呈对称性,因此流型相对简单,一般分为四或五类[12]:泡状流、冒状泡状流、弹状流、搅拌流与环状流.尽管对不同物质的气液两相流流型的研究已经十分广泛,其中一些模型也已在工业中获得应用,但只有少量的气液模型能用在油水流动中.油水两相流间的动量传递与浮力作用是造成油水流动结构不同的根本原因,而且油水界面处的自由能量容易形成更短的界面波动和更小的离散相颗粒.因此通常将油水两相流分成两大类:分相流和分散流.分相流一般存在于水平与近似水平的管道中,分散流则在垂直流动中十分常见.此外,根据油水两相的连续相性质,又可将油水流型分为水基流型与油基流型.油水流型研究的另一个问题是油的特性变化范围极大,以油与水的粘度比为例,其变化范围在零点几到几百万之间,而油的属性改变直接导致其流动的几何形态和流态发生变化,如重油流型与轻油流型[13].多相流流型的判断受观测者的主观影响很大,不同的研究者对流型的定义自有其标准,甚至会在同一实验条件下给出不同的观测结果.对三相流的定义涵盖了多种组合,比如气固液三相流、气液液三相流等.在石油工业中常研究的是油气水三相流,也即气液液三相流的一种.由于油气水三相流在石油化工行业的广泛存在,对其内在特性和机理的研究变得十分迫切.尽管对两相流的研究已经取得丰硕的成果,但三相流的流动机理与两相流差别非常大,现有的理论难以直接应用[14].对三相流的流型研究一度将油相与水相混合物简化为单一液相考虑,简化了分析和模型,但仅局限于特定的应用环境[15].为了更深入地研究三相流的流型机理,需要将各相分别考虑,目前已取得了很好的初步结论[16].此外,油相性质变化范围很广,油气水混合物的性质也千差万别,由此派生了许多不同的流型定义.其中一个广为认同的流型分类是由A¸c ikg¨o z 在1992年提出,与油水两相流流型分类类似,将油气水三相流分为油基流型与水基流型两大类,各子类则与气液两相流流型相同[17].2.1.2流型识别技术流型识别的方法多种多样,其中视觉观测是最基本、最直观的流型识别方法,因为流型就是通过其流动的几何形态定义的.视觉方法不仅仅局限于肉眼的直接观测,粒子成像测速[18]与层析成像[19]等技术都能作为观测的辅助手段.然而,该方法始终受到观测条件的影响,其识别率也随着观测方法与观测者变化.流型图是在实验数据与理论推导的基础上,通过建立不同流动参数间的关系来直观反应流型分布的图形,它可用来识别流型和预测流型变化.需要注意的是,流型图是基于视觉观察基础上建立的,并且流型图随着其建立条件的变化而改变.一般来讲,对于气/水,有水平管流型图,垂直管流型图以及倾斜管流型图.此外,管径的变化也影响流型图中的流型分布.通常,流体混合表观速度(总流量与管道面积之比)或是混合流动通量(包含有量纲或无量纲形式)作为流型图的坐标.例如Taitel在1976年给出1926自动化学报39卷的气水水平管流型图等[20].其他识别方法基于各种传感器的测量信号,通过测量流体某些参数的变化,如压力或电导率等识别流型.此类的流型识别方法分为两步:首先从测量数据中提取出能够反映流型变化的特征值,然后利用分类/识别算法将不同流型下的特征值归类.流型识别过程中涉及信号处理技术、分类技术、特征提取与模式识别技术等.数据处理阶段采用各种信号处理和特征提取算法,例如小波变换[21]、统计算法[22]、非线性时间序列分析[23]等.这些算法可根据不同的检测方法来选择,且只在特定的条件下才能达到理想的精度,因此没有哪一种算法能完全优于其它的方法.分类识别阶段采用的模式识别算法包括支持向量机[24]、神经网络[25]、动态聚类[22]等.此外,基于基本流体参数(压力等)的建模方法也能进行流型转换的预测[26].新兴的层析成像技术能提供测量截面的相分布信息,因此可分别利用可视化方式和信息处理方法实现流型识别[27].大部分算法都能在特定的实验或工业条件下达到高于85%的平均识别率.同时,对流型的研究逐渐向流型的形成与过度机理方向发展,以及对流型转换的预测等[28].此外,气相与非牛顿流体的两相管流与小管径的气水两相流也是研究热点[29].2.2流量检测方法多相流流量(流速)检测的方法有很多种,其中的一些发展自单相流检测仪表,其他则来自于新兴的基于多相流特性的检测方法.以下仅对一些常用仪表进行介绍.2.2.1差压流量计差压流量计是基于伯努利方程,通过测量流体流经节流组件时产生的压力差来计算流量的检测装置.差压流量计发展自并主要应用于单相流体的检测,对其在多相流检测中的应用也进行了大量研究,并发展出许多适用于多相流测量的模型[30−31].在多相流检测中常用的差压流量计是文丘里流量计,该种流量计基于文丘里效应设计[32].文丘里流量计经常与含率检测装置搭配使用,可同时提供总流量与各分量流量信息,并取得了良好的检测结果[33].目前较流行的差压流量计是内锥式流量计,它在湿气检测中有不堆积液体等优势,在多相流检测中的应用也是研究的热点之一[34−35].然而,节流组件会干扰流动状况,并带来压力损耗.2.2.2容积式流量计容积式流量计的原理是被测流体流经一个固定容积容器,通过计量流过的次数来计算流体的体积流量.理论上,容器的旋转速度与流速成正比,然而在实际中这种线性对应关系仅存在于一定的范围之内.容积式流量计按测量组件结构分类可分为椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、活塞式式流量计、刮板式流量计等.在多相流测量中,容积式流量计可以测量流体的总流量,其应用范围包括湿气、气液以及油水两相流[36].容积式流量测量技术的优点有:精度高、调节比大、没有前置直管段要求并且信号输出与流量成比例.但在使用时对管路有阻塞作用,容易引起流体的脉动,且结构复杂,体积庞大,在流体含有颗粒及脏污物时影响测量精度,并易受流动对象腐蚀.2.2.3速度式流量计速度式流量计指直接或间接通过检测流体流速来获得流量的一种检测仪表,包括涡轮式流量计、涡街式流量计、电磁式流量计以及互相关测速法等.涡轮式流量计利用流体流动推动叶轮转动,此时流体流速与叶轮转速成正比,通过测量叶轮转速即可得到流体的流速.涡轮式流量计在测量油水两相流时会受到油相黏度与油相含率的影响,因此在使用前需对仪表系数进行标定[37].但涡轮式流量计受流型影响较小,因此也可与其他测量手段联用,获得油气水多相流的分相流量[38].涡街式流量计利用管道中安装的钝体对流体形成扰动,当流体流过该钝体时会在下游形成有规则的漩涡,该漩涡的产生频率与流体的流速成正比.在气液两相流检测中,涡街发生的频率受相含率影响很大,当相含率高于18%时,难以从气液两相流的复杂界面波动中提取出有效的涡街频率信息[39].此外,涡街流量计也可用于气液两相流流型的识别[40].电磁式流量计在被测管道两侧安装磁场发生器(如永磁铁或励磁线圈)并在管道中形成磁场,根据法拉第电磁感应定律,管道内流体切割磁力线时产生的感生电动势与流体流速成正比.在多相流检测中,需要连续相为导电时才能使用电磁式流量计,且测量精度受多相流速度廓形以及流型影响.为此,提出一种用于多相流检测的多电极电磁流量计,可以降低流型对检测精度的影响[41],也可在此基础上实现多相流流速分布的检测[42].相关流速测量技术是以随机过程的相关理论和信息论为基础发展起来的一种流动参数检测技术.当多相流体在管道内流动时,会产生与流动状况有关的波动信号,这些波动包含了多相流局部浓度的随机变化,具有随机性质.在管道上沿轴线方向安装两个结构相同的传感器(例如,光学、电学、声学等).只要传感器间距L设计合理,且两传感器和变送器的静态与动态性能完全一致,根据Taylor的“凝固”流动图形假设,被测流体在上游传感器处引起随机信号的调制机制在经过一定时间后,会在下游传感器处重复出现,并引起相似的作用,也即在下游传感11期谭超等:多相流过程参数检测技术综述1927器上获得的信号只是上游传感器信号滞后τ0时间的相同信号,其中τ0称为渡越时间.因此对互相关速度的检测就转化为对渡越时间的获得[43−44].互相关流速测量方法的优势之一在于可配合使用的检测技术十分广泛,包括静电法[45]、阻抗法[46]、超声法[47]等,均能利用互相关测速技术实现多相流流速检测.虽然互相关流速检测方法在多相流内应用很广,但仍受到测量值所代表的物理含义问题困扰.为此,研究人员提出过许多理论与模型,但该问题仍未得到清晰的解答[48].2.2.4质量流量检测质量流量是石油化工等工业中的重要指标,对其检测方法总体分为两大类:直接检测法与间接检测法.前者包括克里奥立流量计等直接获得质量流量的流量计,后者则指提供过检测体积流量与密度来计算质量流量的流量计[33].在质量流量的各种检测手段中,克里奥立流量计的发展备受关注[49].Li和Lee在1953年率先利用克里奥立效应测量气水两相流的质量流量,并发现振动/旋转管道中的克里奥立力与流经流体的质量流量呈线性关系.然而克里奥立流量计在多相流的检测中仍存在一些问题,例如气水两相流中,只有当两者充分混合的情况下才能达到单相流的检测精度.当气量过大时,气体并不完全随着测量管振动,因而达不到理想的检测精度.如与含水率仪共同使用,克里奥立流量计也可在含气率低于50%的条件下实现油气水三相流质量流量的检测[50].作为一种新兴的检测手段,多相流克里奥立流量计仍需时日加以完善,但无疑它将会在多相流的检测中得到更广泛的应用.2.3相含率检测方法多相流的分相(体积或质量)含率是多相流的一项重要指标,对其检测的难度也十分大,涉及到的检测方法有电学法、射线法、快关阀法,核磁共振法以及微波法等[3].2.3.1射线法当X射线或γ射线穿透流体时幅值会发生衰减,且衰减程度与流体的性质有关[51].射线与被测物体的作用方式分为散射与吸收两类,在考察射线衰减的作用时这两种效应均应考虑.通常,单束的γ射线可以检测气液等两相流体.而对三相流动系统则需先检测其中两相的含率,后通过三相含率之和为1的关系来计算第三相含率.可以采用其他方法作为辅助的相含率检测手段,如果仅采用单一射线法,则可使用双能射线分别检测两相的相含率[52].由于射线源的固有特性,测量精度越高耗时越长,因此需要在检测时间与精度上做平衡.射线强度高的射线源可以降低测量时间,但需要更好的防护手段防止对周围环境的破坏[28].尽管单束射线法(包括双能射线系统[53])能达到±5%的检测精度,但受流型影响很大.只有当各相均匀混合时,相含率的计算才准确.为了克服这个问题,发展出一种基于多射线束的技术,该系统结构复杂,造价高因此使用范围受限,但其检测精度很高,因此多用在多组分流动的检测上[54].目前,基于射线法的高速层析成像系统已经出现,可以实现两相流的流动过程重建和过程参数检测[55].2.3.2电学法不同流体介质具有不同的电学特性,因此可以通过检测多相流的电阻抗计算相含率.一旦确定了介质电阻抗与相分布之间的关系,便能计算出平均含率[53].该方法的主要特点是,介质在不同频率的激励信号下表现出不同的电学特性:对于低频电信号(10kHz∼100kHz),主要表现为电阻特性,在更高的频率下则为电容特性.因而电学法分为电导(电阻)法与电容法.电导法与电容法均受流型的影响,也仅局限于一定的含率范围.例如用接触式电极的电容法检测气水两相流,当水相成为连续相时(水含率达到50%左右)会发生短路现象,此时的检测值不再对截面内的含率变化敏感而只是一个固定的检测值[56].电学法在均匀混合流动下的检测精度较高,但精度会在“反相”(即占据主导的连续相由多相流中的一相变为其他相)发生后恶化,因此对反相或是流型转换的预测是十分必要的.此外,需要在与应用条件接近的条件下对仪表进行标定以获得理想的结果.为了减少流型对检测的影响,提出了一种基于“旋转场”传感器的电学方法.该方法在被测管路的外围均匀安装多对测量电极,并通过依次选通激励和测量电极来获得“旋转”的效果.另一种螺旋状电极也有类似的空间平均作用,尽管其结构复杂,但它具有线性的标定性能且不受流型影响[57].对旋转场电阻抗检测方法的一种改进是电学过程层析成像,它采用更多的电极来获得对象的介质分布信息,并提供被测对象截面介质分布图像.根据电学敏感性质不同,电学层析成像可分为电阻层析成像[58]、电容层析成像[19]以及电磁层析成像[59].2.3.3微波法微波法是基于不同物质吸收微波能量级别不同且能量不受密度变化的影响而发展起来的,并逐渐应用在多相流检测中.微波法传感器按照应用可分为透射传感器与层析成像传感器等类别[60].微波传感器具有非侵入、不破坏环境、无辐射以及稳定性高等优势,但其造价相对昂贵且标定复杂,此外微波传感器的适用性较弱,也需要额外的传感器提供。
0071.分流分相式多相流量计研究进展
分流分相式多相流量计研究进展摘要：分流分相多相流量测量方法是新一代在线多相流量测量方法，分流分相式多相流量计具有体积小、精度高等优点。
通过从被测主流体取样分流出一部分气液混合物，分离后采用单相仪表测量取样流体流量，然后根据取样流体与主流体的比例关系获得被测流体流量。
分流分相测量方法成功的关键在于设计合适的分配器，保证取样流体和被测流体之间具有确定的比例关系。
目前已经开发出了三通管型、取样管型、转鼓型、转轮型、旋流型管壁取样器等取样分配装置，其中，旋流型管壁取样器通过多孔取样和流型整改保证了取样的代表性，无运动部件、取样孔不易堵塞，非常适合海上油气田的开发。
关键字：分流分相多相流流量测量分配器近年来，石油价格上涨、能源紧缺问题日益突出，各国都在加大对海上油气资源的开发，对多相流量的计量需求也更加迫切。
传统的多相计量装置价格昂贵，体积庞大。
海上油气田开发由于受平台空间的限制，要求开发出体积小、质量轻、精度高、可靠性好的多相计量装置。
本文对目前采用的多相流量测量方法进行了分析评价，介绍了分流分相多相计量这一新型多相流量测量方法，并对近年来的研究进展进行了回顾。
1 多相流量计量方法分类多相流量测量方法按照是否分离以及分离的程度一般可分为完全分离、不分离、部分分离3种类型。
完全分离法采用三相分离器将多相流体分离成油相、气相和水相，分别采用单相流量计测量各相流量，气、液相能实现完全分离，测量不受多相流波动的影响，精度高，缺点是分离设备体积庞大，价格昂贵，在很大程度上增加了油田的开发成本；不分离式多相流量计是在对多相流体不作任何分离的情况下实现油、气、水三相计量，其技术难度主要体现在油、气、水三相组分含量及各相流速的测定，不分离计量方法不需要分离设备，体积小，但测量受流体波动的影响，精度低；部分分离方法的原理是首先采用预分离装置将气、液二相分离成以气相为主（高含气率）和以液相为主（高含液率）的2股流体，然后再利用较成熟的二相流仪表分别测量，最后将2股流体重新混和，该方法缩小了流过测量仪表的二相流组分变化范围，同时也降低了流动的不稳定性和测量信号的波动性，虽然在一定程度上缩小了计量分离器的体积，并降低了二相流测量的难度，但未能将气液混合物完全分离，故实际上对提高测量精度的作用是有限的。
多相流量计的原理与开发应用简介
多相流量计的原理与开发应用简介国内外发展现状国内外多相流量计早在20世纪60年代就曾进行过研究，但由于当时的技术条件限制，未获得可供应用的成果。
近年来，相关流量测量技术、计算机自动控制和数据处理技术的发展，刺激了多相流测量技术的开发与研究，美国、挪威、法国、英国、俄罗斯等国家的一些大石油公司，相继投人大量的人力、财力进行多相流量计的研制和开发，并建立了一批多相流检定装置，使得这一技术获得实质性的进展，研制出一批可供生产应用的试验样机。
当然就目前来说，大多数的测试技术仅局限于实验室研究，为数不多的商品化的多相计量仪表在工业应用中也存在着一定的局限性，并且造价昂贵。
从计量方式看，多相流量计可以分为全分离式、取样分离式和不分离式三种。
全分离式多相流量计是在井液进入计量装置后先进行气液分离再分别计量气液两相的流量，测出液相的含水率，求出油气水各相含量。
其典型代表为Texaco 公司研制的SMS多相流量计，它是较早用于现场测试的一种多相流量计，它是将流体分成气、液两相，然后用流量计液相测液体流量，用微波监测仪计量液相的含水率，气相用涡轮式流量计计量。
目前其计量精度是，含水率精度±5% 、油和水流量精度±5%、气体流量精度±10%。
取样分离式多相流量计是在计量多相流总流量和平均密度的基础上，提取少量样液加以气体分离，并测定油气水各相的百分含量，通过计算获得油气水各相的流量。
其中Euromatic公司开发的多相流量计较有代表性，它是最早用于现场测试的一种多相流量计，它由透平式流量计和γ密度计组成。
透平式流量计用来测量流体的体积流量，γ密度计测量流体的密度。
透平式流量计附近装有旁通管线用于分离液体测取密度。
不分离式多相流量计是在不对井液作任何分离的情况下实现油气水三相计量，是多相流量计的发展主要方向。
其技术难度主要体现在油气水三相组分含量及各相流速的测定。
目前，相流速测量技术主要有混合+压差法、正排量法和互相关技术，其中互相关技术应用最多。
相关流量计量技术综述
１ 相关测试技术原理及构成
图 １流 量 相 关 测量 原 理
１１相 关测 试技 术原理 ．
相关法 的测量原理是在 流体流动的方 向上相 继放置两个传感器在理想 的情况下产生两个 同样 形式的信号 ， 两者之间只差一个时间 Ｔ 相关法测量 ， 的做法是将第一个传感器接收到 的信号认 为是延 滞一个时间 Ｔ 。相关计算器 的任务便是调整模型延
１ 相 关测试 系统 的构成 ． ２
相 关测 试 系统 包 括 随机 流动 噪声 敏感 器 、 流动
迟时间 Ｔ使 Ｔ ， 等于 Ｔ 目的是在于使延滞信号 ， ｔｔ ） ｌ — 等于第 ２ ｌ Ｔ （ 个传感器接收到的信号 １（ ＝ １ｔ ２）
７０ ５ ３ ００兰州 市甘肃省科技攻关项 目 Ｋ ９ ４ ３ １ Ｇ ５ — — １
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２０ 年 １ ０８ 月
马希金等 ： 相关流量计 量技 术综 述
平均传递时间。 从某种意义上讲 ， 相关流量测量系统 要解决的是系统模型的参数辨识问题 。流动参数模 型描述了参考模 型的参数与被测流体 的体积平均流 速或体积 流量之 间 的关系 。 一般来 说 ， 根据 流动 噪声 信号的检测原理及传感器的结构形式 ，可以对 流动 参数模型进行一些定性分析 ， 确定其模型的形式 。 但 由于被测流体流动的复杂性 ，通过上述分析获得 的 流动参数模型还需要通过定量实验来验证 。
能被精确的予 以标定 。因而 ， 在实 际应用中传感器 的精度会被降低。因而 ， 出现 了“ 流动成像” 的计划。
２ 相关测量技术 的发展
在流体动力学中 ， 以下三种型式的“ 相关” 是会 遇到 的： １ ）空一 相关 ， 表示 在 空 间 中两点 处 ， 时 它 在两 个 不同时刻测得的两个信号之间的关系。这个相关一 般称之为 “ 互相关”它是本文要讨论的主要 内容。 ， ２ ）自相 关 ， 描述 在 空 间一 点 处 ， 两 个 不 同 它 在 时刻测得的信号之间的关系。 ３ ）空 间相 关 ， 它描 述 了空 间 中两 点处 ， 同一 在 时刻测得的信号之间的关系【 ３ ］ 。 测量某些扰动在系统 中两点之 间的传递时 间 的流 量测 量 方法 ，在 上世 纪 ５ 代 就 已是 熟 为 人 Ｏ年 知的了。在这个领域中 ， 第一次独立发表文章 的确 切 日期 ， 现在还不大清楚 。比较详细 的有关流体动 力学 方面 的研 究则 是 由 Ｆｖｅ 出 的 。在 早期 的研 ａｒ 给 究工作中 ， 许多人都采用辐射性示踪物来实现 时间 延迟 的测 量 。Ｂｔｒｅｄ在 １６ 年 发 表 的一 篇 论 文 ｔ ｆｌ ｅｉ ９１ 中， 叙述 了互相关方法在带钢速度测量 中 ， 而不是 在流动测量 中的应用。他们的工作 ， 促使大家增加 了对互 相关 在测 量 中应 用 的注意 。人们 日益期 望 能 利用流体 内部 自然发生的扰动 ， 而不是从外 界注入 扰动（ 这需要耗费能量 ） 来实现相关测量 。有关 自然 的扰 动 在 互 相 关 流 量 测 量 中应 用 的最 早 的 充 分 说 明 ，是 由 Ｂ ｃ ｅｋ和 Ｐａｋ ｗ ｋ 给 出 的。Ｂ ｃ ｌ ｏ ｓｉ ｓ ｅｋ于 １ ８ ９１ 年发 表 了一 篇文 章 ， 上 世纪 ６ －０年代 期 间互 相 对 ０７ 关流量计学术和技术 方面所取得得进展 ， 了一个 作 概 括地介 绍 。 随着新 的仪器及分析科学系于 １８ 年在曼彻 ９０ 斯 特大 学科技 学 院 （ ＩＴ 的创立 ， ａ ｍｅ 在该 系 ＵＭ Ｓ ） Ｈｍ ｒ 开展 了对油／ 水混合 物 中三种组分 的流量测量 气／ 问题 的研 究 。 在 １８ ９ ５年 ，Ｕ Ｓ ＭＩＴ的研 究 小 组 发 现 ， 业 上 工 的许多场合下 ， 被测流体 中组分 的空 间分布是未知 的而且是可变的， 而原来使用 的传感器几乎都具有 个不可变 的非均匀的敏感场。并且 ， 他们 只是在 被ｉ组分 的一种相当恒定 的空间分布情况下 ， ＝ ９ １ ４ 才可
流体力学中的多相流问题
流体力学中的多相流问题多相流指的是在同一空间内同时存在两种或更多相态的流体混合体。
在流体力学中，多相流问题是一个重要的研究领域，涉及到气液、固体液体等多种物质相态的相互作用和流动特性。
本文将探讨多相流问题在流体力学中的应用和研究进展。
一、多相流的基本概念在理解多相流问题之前，我们需要先了解一些关键的概念。
多相流系统由连续相和分散相组成，其中连续相是指占据整个流动区域的相，分散相是指以液滴、气泡、颗粒等形式存在于连续相中的相。
多相流的性质和行为往往由分散相的运动、交互以及与连续相的相互作用决定。
二、多相流的分类多相流可根据不同的特征进行分类。
常见的分类方法包括根据相态组合、分散相运动形式和流体流动性质等。
1.根据相态组合分类根据不同的相态组合，多相流可以分为气液两相流、固体液两相流、多气泡流、多液滴流等。
其中最常见的是气液两相流，如气泡在液体中的运动。
2.根据分散相运动形式分类分散相的运动形式也是多相流分类的重要标准。
常见的运动形式包括颗粒床流动、气泡上升、液滴飞溅等。
3.根据流体流动性质分类流体流动性质对于多相流问题的研究也具有重要意义。
多相流可以分为层流、湍流等不同流动状态，其中湍流多相流较为复杂，经常出现相之间的湍流剪切现象。
三、多相流的数学模型解决多相流问题需要建立适当的数学模型。
常用的数学模型包括欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法。
1.欧拉-拉格朗日方法欧拉-拉格朗日方法将连续相和分散相分别看作两个独立的相，建立各自的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。
该方法适用于分散相浓度较低的情况。
2.欧拉-欧拉方法欧拉-欧拉方法将连续相和分散相视为大小不同的两个均匀相，建立各自的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。
该方法适用于分散相浓度较高的情况。
四、多相流问题的应用多相流问题在工程和科学研究中有广泛的应用。
以下是多相流问题的几个典型应用：1.石油工程领域在石油开采过程中，多相流问题非常普遍。
包括油气的相互作用、抽采过程中的气液两相流、油井压力和流量的分析等。
化学工程中的多相流技术研究
化学工程中的多相流技术研究多相流技术是当今化学工程的研究热点，它涉及到的领域非常广泛，从流体的物理化学性质到现代化工设备结构优化，都需要多相流技术的支持。
作为一种新兴的研究领域，多相流技术急需深入研究。
本文将从多相流的基本概念开始，探讨多相流技术的应用，以及当前多相流技术研究的现状和发展趋势。
一、多相流的基本概念多相流是指两种或两种以上的物质在空间和时间上共存，并且彼此之间也具有相互作用的流动状态。
在化学工程中，常见的多相流体包括气体、液体和固体颗粒等。
由于多相流体的复杂性，处理多相流问题需要运用多种化学工程技术方法。
在多相流体运动中，流体种类和数量的变化对流体的物理性质产生重要影响。
在多相流体的运动中，各相之间具有相互作用，如气泡在液体中漂浮、液滴在气体中飘动、固体颗粒在液体中运动。
这些运动的特点是流体的波浪性和不稳定性，因此多相流体的运动行为常常十分复杂。
二、多相流技术的应用多相流技术在化工和环境保护等领域应用广泛。
例如，多相流技术在石油化工中的应用。
在炼油和润滑油生产过程中，都需要对原油进行分离和提纯。
这时，多相流技术可以通过运用不同的分离方法实现。
此外，多相流技术在环保、食品、医药等行业也有重要应用。
在废水处理中，利用化学凝聚物的形成来清除废水中的悬浮颗粒，以及在制药过程中用于混合反应物。
三、多相流技术的现状和发展趋势目前，多相流技术在化学工程中已经成为一项热点领域，但是在实际应用过程中，还存在许多困难和待解决的问题。
例如，如何有效地利用多相流技术来提高生产效率和降低生产成本，如何处理复杂物理化学反应过程中的多相流问题等。
为了解决这些问题，目前正在开展的多相流技术研究方向主要包括基础理论研究、多相流传热与传质机理研究、设备结构研究、数值模拟研究等。
这些研究方向有望为多相流技术的进一步优化提供更多的理论指导和技术支持。
在未来，随着化学工程技术的不断发展，多相流技术的应用范围将会越来越广泛。
第三章--多相流及其测量方法
解：取管道直径为流体系统的特征尺寸，则拟流体假设成立 的最小管道直径D为：
D=L/0.01=10-3/0.01=0.1m
第三章 多相流及其测量方法
9
3.2 常见的多相流的分类及特点
颗固粒相尺颗寸粒的尺统寸计、分形布状：及分布是颗粒 相按的粒重径要的物颗理粒特数性分参布数密度 颗按粒粒形径状的及颗尺粒寸质与量颗分粒布形密成度关系 颗颗密粒粒切相相：尺的结寸平晶呈均形正尺成态寸的分表颗布示粒方，式有：各种 结线晶性形平状均；粒粉径碎形成颗粒基本保 持表结面晶积形平状均；粒由径雾化产生的 1m体m积以表下面的积玻平璃均颗粒粒径及小液滴 由质于量表平面均张粒力径作用，基本呈球形； 当重力影响大时，悬浮液滴趋于 最小阻力形状。
（5）气液液、气液固和液液固多相流 。
第三章 多相流及其测量方法
4
3.2 常见的多相流的分类及特点
（1）气液两相流 气体和液体物质混合在一起共同流动称为气液两相流。它又分为 单组分工质(如水-水蒸气的汽液两相流)：汽、液两相都具有相 同的化学成分，汽液两相流在流动时根据压力和温度的变化会发生 相变，即部分液体能汽化为蒸汽或部分蒸汽凝结成液体；
第三章 多相流及其测量方法
主要内容如下：
一、了解多相流的概念 二、熟悉工业中常见的两相及多相流的分类及特点 三、了解多相流的基本特性参数 四、熟悉水平管中两相流的主要流型 五、了解两相流的主要参数测量方法
第三章 多相流及其测量方法
1
3.1 多相流的概念
1、相的概念
物理学:自然界中物质的态，如固态、液态和气态； 热力学：物体中每一个均匀部分，可以有固相、液相和气相，统称单相物体；
(4) 液液两相流 两种互不相溶的液体混合在一起的流动称液液两相流。 （油5田）开气采液与液地、面气运液输固、和分液离液、固排多污相中流的油水两相流，化工过程中的乳 浊液流气动体、、物液质体提和纯固和体萃颗取粒过混程合中在大一量起的的液流液动混称合气物液流固动三均相是流液；液两 相流的气工体程与实两例种。不能均匀混合、互不相溶的液体混合物在一起的共同流
基于计算流体力学的多相流模拟研究
基于计算流体力学的多相流模拟研究随着计算机技术的不断发展，基于计算流体力学（CFD）的多相流模拟研究逐渐成为研究的热点之一。
多相流是指流体中同时含有两种或两种以上的物质的流动过程，如气体-固体、气体-液体、液体-固体等组合。
多相流的研究对于化工、生物、环境等领域具有重要的实际应用价值。
多相流模拟的目的在于对多相流体的流动及物质传递规律进行研究和分析，以获取相关参数，并对多相流体的流动进行数值模拟，推导其物理机理。
然而，多相流的复杂性和难以获取量测数据导致了多相流模拟的困难度较大，因此要想开展多相流的研究，需要引入CFD的理论和方法。
通过CFD方法对多相流动进行模拟，需要考虑许多因素，包括流体相间相互作用、分相界面运动、物质质量传递和能量传递等。
目前，CFD方法解多相流模拟主要分为两类: 集成法和分散法。
集成法将不同相的运动方程作为一个整体来求解，其中每个相的运动方程是由质量、动量可以和能量守恒方程所描述的，并且这些方程是连续的。
其中，Navier-Stokes方程组是求解多相流动的基本方程，另外还需考虑相间间的作用力，以克服各相之间的摩擦力和激发力的影响，从而得出该系统各相之间的相互作用模型。
集成法可以有效地模拟多相流动的物理过程，但计算复杂度较高，常用于多相流的精细模拟。
分散法则是用不同的计算区域来描述多相流体的各相，考虑各相之间相互作用、质量、动量和能量的转移，求解各相的运动方程。
分散法包括欧拉法和拉格朗日法两种基本方法。
欧拉法利用有限体积法将一个区域划分成小的有限体积，运用每个体积元的守恒方程来确定各个相的运动方程，从而解决多相流动问题。
而拉格朗日法则是以某一相的流体微团作为研究对象，跟踪其经过的路程、改变的状态和受到的力矩，同时考虑该微团与其它微团的相互影响，从而确定各相的运动方程。
无论是集成法还是分散法，多相流模拟都需要建立合适的数值模型以描述物理过程。
目前，多相流模拟的数值模型包含了不同的领域知识和理论方法，如离散元法、Lattice-Boltzmann方法、相场方法等。
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南京理工大学硕士学位论文多相流相关流量测试方法的研究姓名：张进申请学位级别：硕士专业：测试计量技术仪器指导教师：仇国富1999.12.1摘要本论文描述了利用基于硬件的差动自相关法来测量多相流平均流速的工作原理和特点，并提出了一种差动式充放电电容测量电路。
此电路消除了杂散电容的影响，使整个测量电路具有较好的稳定性和线性以及较高的灵敏度和分辨率，而且结构简单，成本较低。
同时对电容式离散相浓度传感器的电场分布的数学模型作了详细的分析和推导，分析了传感器的结构参数对测量的影响。
论文还较全面地讨论了引起相关测量误差的因素，最后利用所建立的测试系统进行了大量的实验，分析了实验数据，证实了方法的可行性和可靠性。
关键词：流量相莫差动电容传感器多相流ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｆｅ；ａｔｔｉｒｅｓｏｆｂａｓｅｄ－ｈａｒｄｗａｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌａｕｔｏ．ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｍｕｋｉｐｌｅｐｈａｓｅｆｌｏｗ．Ａｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｃｈａｒｇｅ／ｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｌＯＷｖａｌｕｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｉＳｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｗｉｍｌｏｗｃｏｓｔａｎｄｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｅｌｉｍｉｎａｔｅｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｔｒａｖｃａｐａｃｉｔａｎｃｅａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｇｏｏｄｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｌｉｎｅａｒｉｔｙ，ｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．ＴｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｒｏｏｄｅｌｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｆｉｅｌｄｏｆｃａｐａｃｉｔａｌｉｃｅｓｅｎｓｏｒｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｅｔｏｆｔｈｅｓｔｒｕｅｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅａｌＳＯａｎａｌｙｚｅｄｔｏｇｅｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｄｅｓｉｇｎ．Ａｓｙｓｔｅｍｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｇａｓ．１ｉｑｕｉｄｆｌｏｗｉｓｂｕｉｌｔａｎｄｓｏｍｅｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓｈａｓｂｅｅｎｄｏｎｅ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｈａｓｐｒｏｖｅｄｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉＳｃｏｒｒｅｃｔ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｆｌｏｗｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｓｅｎｓｏｒｍｕｌｔｉｐｌｅｐｈａｓｅｆｌｏｗ多相流相关流量测试方法的研究１引言１．１多相流测量的背景多相流动体系在自然界和工业生产中涉及范围十分广泛。
例如，自然界的大漠扬砂，江河中的泥沙俱下，以及空中烟尘弥散、雨雹交浸都是与人类生活有关的两相流现象。
生物系人体中所含的流体，如血液和奶液，也都是含有多种细胞、微粒或液滴悬浮体的两相流。
在化工、石油、冶金、动力及原子能等工业中，多相流动过程更是普遍存在。
工业中常见的多相流有以下几种：１）气液两相流；比如，在锅炉等汽化单元，石油、天然气、低沸点液体的传输过程，以及传热传质设备大量的分离和反应过程中。
２）气固两相流；比如，在干燥塔等气流干燥单元，煤粉、水泥、谷物、食盐等的气流输送过程，以及煤的沸腾燃烧、石油的催化裂化、矿物的六态化培烧等流态化技术中。
３）液固两相流；比如，在矿浆、纸浆、泥浆、胶浆等浆液流动，矿石、残渣的水力输送和污水处理系统中。
４）液液两相流；比如，在物质提取的萃取过程中，大都是液液两相流系统。
５）气液液和气液固多相流；比如，在油田井口的原油系统中，在油品加氢和精制中的滴流床、淤浆反应器以及化学合成和生化反应中悬浮床。
随着科学技术的迅速发展，多相流动体系在国民经济和人类生活中的地位日益重要。
多相流动体系中又以两相流动体系最为普遍。
大量实例所反映的多相流涉及范围的广泛性及其应用的重要性促使了多相流领域研究工作的迅速发展。
但基于多相流体系情况极其复杂，要认清现象，获得概念，建立模型并进行过程的预测、设计和控制，首先要解决的就是多相流的检测技术问题。
自六十年代以来，世界各国对多相流动系统的研究，包括多相流体流动的基本特性、多相流动系统的理论模型、以及多相流的检测技术等，进行了大量的实验研究和理论分析工作。
多相流的参数中，流量测量是一个很重要的方面。
由于多相流体的流动状况与单相流相比更为复杂。
近几十年来，虽有不少研究工作者提出了一些测量方案，并用传统的检测手段，构成了多相流测量系统。
但一般来说，这些系统还远未完善。
尤其它们的检测部件直接与被测流体接触，对流体流动产生了附近阻力，增大了能量损失，也限制了它们在气液、气固和液固等多相流系统中的应用。
多相流动是一种复杂的多变量随机过程，随着随机过程理论的逐步发展和信号处理技术的不断完善，应用统计的方法和过程辨识理论与技术，进行两相流参数的估计将成为重要的发展趋势之一。
当今计算机应用技术的发展，多相流相关流量测试方法的研究获得多个信息量对多相流流体局部空间区域，应用流动成像技术进行微观测量也将是重要的发展方向之一。
研制高灵敏度和稳定度的阵列式传感器，以达到较准确的测量离散相的浓度及其发布仍是重要的基础工作。
空间滤波器法、相关法和激光多普勒法在测量多相流流速方面将获得广泛的应用‘“。
１．２目前常用的流量测量方法由于多相流动中，流型多种多样形成相浓度分布，相间存在相对速度形成速度分布，因此严格地说，要测知多相流量，必须测知多相的分相含率和分相速度。
但实际应用中，工业管流通常多以均相流模型来处理，而其平均密度又可由分相含率计算求得，因此许多测单相流量的方法经修正后可应用到多相流量测量中。
多相流的流量测量方法按原理分类有【ｌｌ：１）节流法：基于多相流通过节流装置时产生的多相压差与多相流量或多相压差与单相压差间关系的测量模型而得到多相流量。
２）速度法：基于测量多相流混合物的流速和平均密度或分相含率来得到多相流量。
力学法：利用流体的动压、动量矩和离心力等测流速；相关法：通过两点的相关函数测流速；光学法：利用激光多普勒效应或光导纤维等技术测流速；声学法：利用超声波原理测流速：热学法：利用热线风速仪或量热计测流速；电磁法：利用电磁感应原理测流速；核磁共振法：利用核磁共振原理测流速；示踪法；利用脉冲中子触发新型示踪技术测流速。
３）容积法（ＰＶＴ法）：利用一定容积的多相混合物，其压力、体积和温度间的热力学关系测量多相流量。
４）质量流量法：直接测知多相质量流量。
１．３相关流量测量技术的历史和发展在流量测量中，速度法占有很大的比重。
六十年代中期发展起来的，以相关技术为基础构成的多相流测量系统，由于可以采用不同原理的传感器来获得多相流体的流动噪声信号，经相关处理后，求得离散相的平均流速。
再配以其它检测手段，即可构成各相流体质量流量测量系统。
它可实现非接触测量，因而具有很强的适应性，既可应用于气／液两相流系统，也可应用于气／固和液／固两相流系统以及油、气、水三组分混合物流动系统。
为解决多相流测量问题提供了一个强有力的技术手段。
一九六一年，英国Ｂｕｔｔｅｒｆｉｅｌｄ等人利用热轧带钢表面存在的微小凹凸不一致性在运动过程中所引起的随机噪声信号，首次提出并实现了热轧钢速度的相关测量系统。
在推动相关流量测量技术的发展上，英国Ｂｒａｄｆｏｒｄ大学以Ｍ．Ｓ．Ｂｅｃｋ为首的研究小组和西德Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ大学以Ｆ．Ｍｅｓｃｈ为首的研究小组作出了主要贡献口１。
从六十年代初期，到八十年代中期，研制快速而又价廉的在线流量测量仪器，成为决定相关流量技术能否在工业推广应用的关键。
相关测量技术的发展简史为：１）５０年代常用模拟式相关器，即采用模拟电路计算相关函数，但模拟技术（乘法器、积分器）精度低，零漂大，工作频率不够高，模拟信号的时延设备复杂，所以被后来的数字式相关器替代了。
在数字式相关器中，用数字技术计算相关函数，数字乘法器精度高，但结构复杂。
对高频信号，因舍弃样点，减少量化的比特数而导致误差。
２）１９６２年由Ｐ．Ｊｅｓｐｅｒｓ等提出采用１比特量化的极性重合相关器，简化了乘法器与积分器，使电路大为简化，提高了运算速度。
具有数字式相关器时延简单、无零漂等优点，特别适用于高频信号，但测量结果的随机误差较大。
３）１９７３年Ａ．Ｍ．Ｈａｙｅｓ提出了两种简化方法来简化相关器的设计，降低其价格，实现速度显示。
第一种方法是粗量化方法：对输入信号之一或两者作８比特或１２比特的粗糙量化处理；第二种方法是两点差分法：使相关函数在两个时延值１３１、１３２处的差值Ｒｘｙ（１３Ｏ．Ｒｘｙ（１３：）趋于零。
存在问题是积分时间的取值及流速变化时响应慢等。
４）１９７９年，Ｈｅｎｒｙ提出越零点极性相关的算法，从而使相关计算的软件实现成为可能，并在Ｚ８０上成功实现了这种算法，效率高、运算速度快，而且不需外加电路。
但此法需记录零点信号数据，只适用于信号带宽小于２５ｋＨｚ的场合。
５）１９８９年，Ｈａｒｂａ提出了一种“块采样”的极性算法，可同时采集一批输入信号，采样率高，速度快；所需存贮量少于零点渡越法，计算时间短（比零点渡越法快），不需专门硬件，应用范围广。
然而随着大规模集成电路的发展、高速计算机和数字信号处理器（ＤＳＰ）的出现，制约着相关流量测量实时化的问题已经日益减小。
采用ＦＦＴ甚至直接数字相关的算法，在ＤＳＰ和高性能ＰＣ上的实时实现，以及越来越高的性价比，使人们不必顾虑软件的运算速度和硬件资源的占用。
因此目前相关流量测量技术的发展已经转移到了传感器的研制和如何提高系统整体稳定性、灵敏度的问题上。
如何使多相流测量系统安全运行于恶劣的环境，如高温、高压、腐蚀性强、安装困难等等。
只有研制成功一些结实可靠、性能稳定、能在上述环境下运行的传感器，和采用一些新的测量手段，才能使相关测量系统显示强大生命力。
８０年代中期到九十年代初期，国内的一些科研机构如上海大学、清华大学、天津大学的一批科研人员，着力于研究如何克服超声波传感器中驻波对于系统性能的影响，并取得了一些成果【２６１。
但是，目前国内还未见到商品化的相关测量系统，绝大部分的工作还处于实验室阶段。
综上所述可见，随着未来相关技术的发展，如何进～步提高系统的测量精度，如何进一步提高系统的可靠性和抗干扰能力，是相关技术实用进程中必须解决的实际性问题。
１．４本论文的研究工作多相流相关流量测量法是流速法的一种，流速法测流量根据下列公式：Ｑ＋＝Ｖ・Ａ・疗其中，Ｑｉ为流体混合物中第ｉ相流体的流量；Ｖ为流体混合物截面平均流速；ｎｌ为流体混合物中第ｉ相介质的平均体积占空系数：Ａ为流体管道的横截面积。
由于流体管道的横截面积Ａ一般是容易得到的，所以要获得流体混合物中第ｉ相流体的流量的关键在于两个参数：流体混合物截面平均流速ｖ和流体混合物中第ｉ相介质的平均体积占空系数ｎｌ。