多相流测量

激光-多普勒法(LD)
商业公司：Malvern Mastersizer
u
狭缝 光电 倍增管 透镜
f D 2 sin( / 2)
透镜 试验点
频移，判定流动方向 镜面
频率变相器
1.7 局部速度的测量
皮托管：
u
2p

m
or
m (1 ) l g
m
Gl
Gl Gg G g
NMR or MRI 的特点： 优点：非接触测量；可实现三维速度和浓度的测量；连续测量参数 缺点：价格昂贵；限于液体；要求管道为绝缘体，不具有磁性；采集信
控制体内平均值
M (k , t ) M 0 exp{ikv(t )} k GT
流体速度
号的时间快（几微妙）
截面含气率和液相折算速度的测量
放大器
光谱分析器
l
g
Dai C
Dai C
1.8 核磁共振法（NMR）
测量液相或固相的流场，空间和时间上的分布，紊流速度。
在外磁场 B作用下
d ( B) dt
磁:
一群大数目的核（原子核）在无外磁场下， 宏观磁化强度为零，在外磁场 B作用下，以外 磁场方向B为轴线回旋，Larmor 旋进。 原子核固有性质：
多相流的物理 高粘度流体中单一气泡的上升速度 微小喷雾液滴发生装置的研究 原子能 钠-水反应的数值模拟 放射线诱导表面活性 相变化 有油污表面的突发池沸腾现象 低浓度水溶液中水平圆管周围的液固相变化
6
电容层析成像技术 PT, CT 实时在线测量流型和截面含气率等
M (t ) (t ) 1 M 00
管道充满液体 时的信号强度
气液两相流的流型检测
除了直接观察法和电容层析成像法外，常用的是传感信号特征分析法 电容、电导、电阻、光纤、差压、 射线等
核磁共振成像 MRI 技术用于液体局部速度、界面浓度和截面含气率
Vskj
ait
S k t kj
k 1,2,3
1 V s2 j
2
1 1 V j s1 j
1 V s3 j
2

2 1/ 2

S 2 S1 S3
ns1
ns 3
其它考虑：合适的 S 减少探针对气泡流动阻力的影响
1 ai ( x0 , y0 , t0 ) 2 N z cos
在 z 轴上气泡数，2 表示气泡两个界面 2、界面面积浓度的时间平均 在 时间 段的平均
Vij nj
j
ai
t p3
a i
p 3t
时均值与体均值是等价的
t ai pz与 ai 时均值是等价的
当线平均是沿流动方向时，线平均值
ait ( x0 , y0 , t0 )
Dai C
Dai C
f j ( x0 , y0 , z j , t0 ) 0
ai pz ( x0 , y0 , t 0 )
pz
1 ( gradf j / z ) L j
f j
ait ( x0 , y0 , z0 ) 2 N t
1 1 Vij cos j
单位时间内，通过 (x0, y0, z0)的气泡数，2 表示气泡两个界面 稳态充分发展两相流的界面浓度的各态遍历假设 (Ergodic Theory) 界面移动速度
B
Planck 自旋量子数 旋进角频率
P h I ( I 1)
核:
相同频率的核射频场照射自旋核，能级跃迁
P
磁矩 磁旋比
角动量
E
M
宏观磁化强度
h B 2 2
X
Z B
M Br

Br
Y
Br t
射频作用时间
Br
Dai C
Dai C
测量核磁共振回波信号的强度和方向 回波宏观磁化强度信号相位角的变化
1.2 传热系数的测量
目前精确测量两相或多相流的传热系数有一定的难度.
h
q w Tw T f Tw T f
流体温度
k
T y
固体壁面侧 导热
壁面温度
Dai C
温度测量一般仍采用热电偶 测量流体的热电偶 类型 Ni-CrNi-Al CuNi-Cu Fe/Ni-Cu Pt/Pt10%, Rh Pt/Pt13%, Rh W/W10%, Rh 温度范围oC -200~1400 -250~500 20 ~ 700 0 ~1500 0 ~1500 0 ~2300 100oC下 微伏/K 41 47 54 7.4 7.6 3.3
1
Dai C
Dai C
Dai C
Dai C
最短响应时间 非凯装热电偶 几微秒 几毫秒 10毫秒
凯装热电偶
30毫秒
电阻式、热敏电阻式、填充液体或气体式、双金属式
Dai C
Dai C
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.3 传质系数的测量
薄膜萘升华法：气-固颗粒流化床的模拟试验 测量出口的萘蒸气浓度，萘薄膜厚度 的变化。（Sparrow E） 电化学法：壁表面到液体的质扩散系数。液体中含有 电解液，器壁表面为阴极，下游某处 安装一阳极。
需要信号处理、统计的数学知识。
4
Dai C
Ci
Dai C
2、测量的一些理论问题
界面面积浓度
z
nj
j
流型特征线
1 界面面积 ai 混合体积 Ls
ai ( x, y, z , t ) gradf j ( f j ( x, y, z , t ))
j
t (s)
1、界面面积浓度的空间平均
I lim kc (C B Cw ) kc C B AF 电解质浓度
法拉第常数 阴极的表面积
I I lim
电位差
2
Dai C
Dai C
1.4 空隙度的测量
放射性吸收法和散射法、电阻抗法、容积法 放射性吸收法和散射法: 当 射线通过流体或其它物质时发生初始强度 I0 的衰减过程。 （衰减过程由三部分组成，对特定物质衰减系数与入射线的光子能量 有一定关系。以此通过测量吸收强度可以测量空隙度）
f 1 ( gradf j / tj ) j
1 1 1 1 l cos( ) Vij cos( j )
Dai C
Dai C
日本多相流学会 2002年会议论文部分题目
电导探针法测量界面浓度
ns 2
后端探头
超声波现象及其应用 利用超声波紫外线处理难分解的物质 高温排气中微粒在超声波处理时的现象机理，除NO的改善 气液、气液固多相流反应装置中的现象及其应用 采用气提泵使海水吸收CO2研究 蘑菇养殖时营养液中采用气泡柱时的气液固流动 流化床中管群周围的流动和传热 电解过程中的气液两相流动现象 前端探头 界面现象 液体降膜的3维波形结构和传热特性 垂直管内气液两相流动管经对空隙度的影响
电阻抗法
A Al g 2 l A 2A l g l
液体的电导率 导纳数（阻抗的倒数）
I I 0 e z

ln I ln I l ln I g ln I l
射线在介质内 行进距离 衰减系数 缺点：安全操作， 在低空隙率下误差较大 纯液体时衰减系数
缺点：对流型比较敏感， 要求：两电极间的流场均匀，有代表性， 流动界面不能有突变
纯气体时衰减系数
Dai C
Dai C
直接容积法和间接容积法 管道内两相流通过阀门瞬间排到特制的测 量容器，直接测量。目前可以采用空压活 塞，测量时间可缩短到毫秒级。
分流分相法
分配器
取部分样品 缺点：不适合连续测量
气体管道 气体流量计 分离器
v kMVtp
涡轮的转子速度 质量流率
1.6 颗粒相尺寸的测量
光散射法：
光通过两相混合物的 距离
其中：
Vtp
x2
g

(1 x) 2 (1 ) l
I I 0e

3z 0 2 d p 32
Sauter 平均直径
3
Dai C
Dai C
光衍射法： 光散射-脉冲的振幅分析法：
Dai C
Dai C
1、测量的主要参数
压降，传热系数，传质系数，空隙率， 质量流率， 颗粒、液滴、气泡尺寸， 局部速度
七、多相流测量
2、测量的一些理论问题
界面面积浓度
Dai C
Dai C
1.1 压降测量
压降的测量: (1) 液柱式压差计 注意的主要问题是防止过载和由于流动的波动 导致气体的流入 (2) 压力传感器, 两个压力传感器的差, 或压差传感器 有阻抗式, 压电式, 电位式, 磁致伸缩式, 涡流式
Pi
i
波幅在第 i 区段的数据总数 数据总数
Pi
在 z 轴上 L 长度的线平均
ai pz ( x0 , y0 , t0 )
Ci Pj
j 1
1 zL ai ( x0 , y0 , z , t0 )dz L z zL 1 gradf j ( f j ( x0 , y0 , z , t0 ))dz L j z
1.5 两相流流量的测量
查压装置（孔板、文丘利管）
液体管道
液体流量计
工作稳定，测量范围广，可靠性高，精度好
M 2 x P
Dai C
Dai C
几种分流分相手段：
1、三通型分流分相 2、旋风分离器 3、螺旋转鼓分配器 涡轮流量计
流量测量的其它方法：
两种流量计的组合 流量计与射线密度计组合 两相流的波动信号特征值，脉动法 f(G, x) 放射性同位素示踪法 脉冲中子辐射法
四头探针
5
Dai C
Dai C
向高粘度流体中喷射液体时携带空气的特征 多相流紊流 垂直U形管内牛顿流体和非牛顿流体的液柱减弱振动 多相流数值模拟 格子-Bolzmann方法模拟两相流的变形和分裂 蒸气发生器可靠性试验的数值模拟 界面追踪法对垂直管内大气泡的数值模拟 多相流实验与控制技术 小管经环状两相流的轴向观察 微小喷雾液滴发生装置的研究 利用润湿性实现液液分离