多相流动测试技术的研究动态

多相流动测试技术
摘要：多相流现象广泛的存在于自然界和工业、农业、国防、环保等各个领域，多相流技术已渗入到我国国民经济建设的各行各业，并在一些领域成为关键性技术和尖端技术。

本文详细介绍了国内外多相流测试技术发展现状，将现有技术进行分类，并介绍了近代新技术中广受关注的激光技术、太赫兹技术、过程层析成像技术。

关键词：多相流动；分类；测试技术
Multiphase flow measurement technology Abstract: Multiphase flow phenomenon exists widely in nature and various fields， such as industry, agriculture, national defense, environmental protection, and have penetrated into all walks of life to the construction of the national economy, and in some areas to become key technology and cutting-edge technology. In this paper, introduces the developing situation of it in home and foreign, classify it, and emphatically introduced new technology which wide attention, such as laser technology, terahertz technology, process tomography technology.
Key words:Multiphase flow; classify; measurement technology
1.引言
相的概念通常是指某一系统中具有相同成份及相同物理、化学性质的均匀物质成份，各相之间有明显可分的界面。

从宏观的角度出发，可以把自然界的物质分为三类：气相、液相、固相。

单相物质的流动即为单相流，如气体或液体流。

常见的多相流有气液两相流、气固两相流、液固两相流、液液两相流以及气液液、气液固多相流等等。

多相流现象广泛的存在于自然界和工业、农业、国防、环保等各个领域。

如石油混输、气力输送、硫化床、燃料系统等工业过程。

多相流技术已渗入到我国国民经济建设的各行各业，并在一些领域成为关键性技术和尖端技术。

随着原子能核电站及航天工业的迅速发展，动力工业及石化工业高参数的引入，以及对环境保护的日益重视，促使多相流领域研究工作迅速发展，目前己成为国内外给予极大关注的前沿学科。

建立了相对完善的理论体系,在理论研究和指导工程实际方面取得了丰硕的成果。

2.国内外多相流动测试技术的最新进展
多相流的研究不仅涉及许多学科的内容，而且由于多相流体动力学
特性极其复杂，所需研究的流体参数众多，迄今为止人们对于多相流流动机理的认识还相当有限。

目前国内外科技工作者广泛开展多相流的研究工作。

提出了各种多相流研究的物理模型和数学模型,并用所建立的数学模型进行求解,将其所得的理论(数值)结果与实验测试结果进行比较,以验证所建立的物理模型和数学模型的正确性和准确性。

物理模型如：连续介质模型、离散颗粒模型和流体拟颗粒模型三大类；数学模型有：k-ε模型、颗粒动力学模型、涡动力学模型、拟序结构模型、颗粒轨道模型[1]等等。

当前，多相流的研究方法主要有理论模拟和实验测量两种方法。

在理论模拟方面，随着计算机硬件性能和数值算法的快速发展，计算流体力学的数值计算方法被广泛应用于多相流体运动特性的数值模拟。

目前对于湍流、漩涡等杂单相流动也能获得较好的模拟结果。

但是，数值模拟方法对于多相流中分散颗粒相以及两相藕合的模拟结果还比较粗糙，相关的数值模型和算法有待于进一步研究和改进。

实验测量是研究多相流特性特别是分散颗粒相运动的直接方法，实验测量得出的丰富信息有助于研究多相流动的内在特征，也能为深入了解机理和模型化研究提供坚实的基础。

2.1国外发展现状
据有关文献记载，早在1877年，Boussinesq[2]就应经系统地研究过明渠水流中泥沙的沉降和输送，1910年Mallock[3] 研究过声波在泡沫液体中传播时强度的衰减。

但是许多经验和研究成果分散在各个生产部门，交流不多。

有意识地总结归纳所遇到的各种现象，用两相流的统一观点系统地加以分析和研究，则是在上世纪40年代才开始的。

两相流这一术语在上世纪30年代首先出现在美国的一些研究生论文中。

1943年，苏联首先将这一术语应用于正式出版的学术刊物上。

近年来，多相流计量研究得到迅速的发展。

回顾多相流测试技术，自20世纪60年代以来，国外就建造了各种有水平、垂直和倾斜测试段的多相流综合试验环道，并展开了对多相流的研究。

在70、80年代国外的TULSA大学在其流体流动工程环道和TEF环道上就开始了对多相流计量的研究。

最早的有关多相流计量的文章是由BP和TEXACO在80年代中期发表的。

美、英、德等国投入了大量财力、人力进行多相流流量计的
研究和开发。

EUROMATIC、TEXACO、BP[4]等研制了第一代多相流量计。

目前大多数的测试技术仅局限于实验室研究，为数极少的商品化
的多相计量仪表在工业应用中存在一定的局限性，并且造价昂贵。

Hewitt[5]提出了微倾斜管中油、气、水在不同压力下的流型图并发现压力增大会促使分层流扩大，他还研究了压力降和微倾斜管油、气、水三相流持液率问题。

2.2国内发展现状
在国内，西安交通大学、浙江大学、清华大学、大庆油田、石油大学等先后开展了这方面的研究。

早在1986年由浙江大学发起，第一届全国多相流测试学术讨论会就在杭州召开了。

此后，又召开了第二、第三、第四届多相流测试学术讨论会。

1995年，在东南大学召开了首届国际多相流测试技术学术讨论会。

浙江大学和西安交通大学在多相流流型识别、空隙率、流量测量、信号处理等方面都做了大量的工作。

近年来石油大学开展了油、气、水无分离在线计量研究，该相研究还处于实验室研究阶段，离工业应用还有一定的距离。

由于多相流系统的随机性和复杂性，多相流系统的参数检测的难度较大，在很多情况下，多相流检测技术己成为目前多相流研究中的一个制约性因素。

与单相流动体系相比，多相流动体系的相间存在着界面效应和相对速度，流动状态复杂多变且具有随机性，致使参数检测的难度较大。

为此，世界各工业发达国家对多相流的研究均做了大量的工作。

到目前为止，已有的测量技术和方法大多数还处于实验室应用研究阶段，商品化的在线检测的工业型仪表为数还非常少。

目前，多相流测量方法包括传统的单相流测量在多相流中的应用以及新技术的应用:如激光多普勒技术、超声技术、射线技术、微波技术、核磁共振技术、光纤技术、相关技术、流动成像技术等等。

但这些多相流参数的检测技术和方法多数还处于实验室应用研究阶段，针对实际的应用需要还需要进行进一步的研究和完善，并探索新的更有效的传感技术和实现方法。

3. 多相流检测技术的分类
多相流动的复杂性导致多相流参数检测难度变大。

目前多相流参数检测技术及装置大多处于研究探索阶段，实用化的技术和工业型的仪器仪表还不多，这与多相流在工程领域的广泛性极其不适应，因此多相流参数检测是一个急需研究、亟待提高的领域。

面前多相流参数检测方法
可分为四大类[6]。

3.1采用传统的单相流仪表和两相流测量模型组合的测量方法。

把成熟的单相流仪表应用到两相流参数测试中，一直是人们多年来的愿望和受到普遍重视的研究方向之一。

以工业应用中最迫切需要的两相流流量测量为例，目前已有将差压式流量计、容积式流量计、涡街流量计、电磁流量计、科里奥利流量计等多种单向流量计应用于两相流测
量的大量报道，并取得了较大的进展 [7~8]。

单相流动已有传统光学、电学、热学等探头和传感器，也经改造广泛地应用到两相流测试系统中来，如用电导探针测量流行、气泡速度、
局部速度以及液滴粒度及其分布等 [9-10]。

3.2应用近代新技术
在多相流参数检测中研究较多的测量方法也大多涉及近代新技术，如辐射线技术、激光技术、光纤技术、核磁共振技术、超声波技术、微波技术、光谱技术、新型示踪技术、过程层析成像技术和高速摄影技术
等 [11]。

基于辐射线吸收或散射原理的γ射线、X射线、β射线以及中子射线仪表是两相流组分浓度的重要测试手段。

3.2.1激光多普勒测试技术
激光多普勒测试技术在进入两相流测试领域的二十多年间，由于其具有非接触方式、空间辨析率高、动态响应快、方向性好和测速范围宽等特点，得到了很到发展。

特别是相位多普勒技术不仅能测量颗粒相（气泡、液滴、颗粒）速度，还能得到颗粒尺寸和流量信息。

由于光导纤维具有灵敏度高、光子传递信息不受电磁场干扰，“传”“感”合一、工作可靠、重量轻、尺寸小且柔软、安装方便等特点，其在多相流检测中的应用得到了迅速发展。

3.2.2过程层析成像技术
过程层析成像技术的研究最早开始于上世纪50年代直到1972年由
英国人G.N.Hounsfild[12]研制成功了第一台Ｘ射线计算机断层扫描成像装置，随后就迅速的被推广应用于医学领域。

自70年代末期以来，国内外很多学者开始积极探讨将医学领域中的层析成像技术应用于多相流检测。

自20世纪80年代中期起，过程层析成像技术开始应用于多相流参数
的检测。

各种研究表明，在多相流检测中，层析成像技术可获取多相流二维、三维的时空局部的，微观的分布信息。

这为流动特性复杂多变，常规方法检测难度较大的多相流领域提供了一条十分有效的在线测量和监测途径，是目前多相流参数检测技术研究发展的前沿和趋势之一。

根据层析成像采用阵列传感器敏感性原理的不同，目前应用到多相流领域的层析成像技术可分为：电阻层析、电容层析、射线层析、超声层析等。

3.2.2.1电阻层析成像的测量原理
电阻层析成像（Electrical Resistance Tomography ，ERT）系统的工作方式通常采用电流激励电压测量。

激励电流通过对电极施加到被测域建立敏感场。

当场中电阻率分布发生变化时电流场的分布也发生变化导致场内电势分布发生变化场域边界上的测量电压发生变化。

利用边界上的测量电压通过一定的成像算法可以重建出场内的电阻率分布或者反映电阻率分布的灰度分布实现可视化测量。

该技术主要通过重建出媒质的分布图像从而确定出各组分的位置和截面相含率适用于两相流多相流中以导电的液相为连续相的生产过程。

其中n为边界上任一点的外法向矢量s为积分面积方程组1直接求解非常困难，通常采用有限元法求解上述方程的正问题，从而获取敏感场
的分布信息[13]。

3.2.2.2电容层析成像技术原理
电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，简称ECT)的测量原理是：多相流体中各相介质具有不同的介电常数，当各相组分浓度及其分布发生变化时，引起多相流体介电常数分布的变化。

通过安装在管道上的电容传感器记录测量电容值的变化，并以此重建反映管道截面上多相流相介质分布状况的图像[13]。

电容层析成像技术是近年来研究是比较广泛的一种过程层析成像技
术，工业应用前景广阔[13-14]。

3.2.2.3射线层析技术原理
射线层析成像的原理是利用放射性射线（如Ｘ射线、γ射线）穿过物体时，其能量将部分被吸收，射线强度发生衰减。

将放射源置于被测管道的一侧，而将探测器置于另一侧，放射性射线通过被测物体后其强度被物质衰减，衰减程度与物质的组成成分有关。

因此，利用射线对管
道内多相流体进行不同角度和方向的扫描获得有关管截面的多个测量数据，可重建出该管截面的物质分布图像。

与ECT/ERT 成像技术相比,射
线层析成像技术具有更高的空间分辨率[15]。

3.2.2.4超声波层析技术
超声波过程层析成像是目前广泛研究的一种过程层析成像技术。

超声层析成像的测量原理是应用超声波作为扫描源，利用被测介质对超声波的的吸收和散射效应引起的衰减，同时超声波在不均匀介质中传播时，速度随介质不同而发生变化，因此采用从不同角度和方向扫描获取管道横截面的超声层析图像[13]。

超声层析成像技术分为：反射式、衍射式及透射式三种形式。

1979年S.J.Norton等人提出单个传感器同时起发射和接收作用的反射式超声层析成像方法，Weigrand等人在1989年提出反射式的超声波过程层析成像系统，并用单节及三节的扇形超声波传感器对气液两相流进行实时成像及参数测量。

层析成像技术经过多年的研究和发展已经取得了很大进步，已经在较大型的多相流实验装置上成功运行。

3.2.3太赫兹技术的多相流检测
太赫兹波通常是指频率在0.1~10THz（1THz=1012Hz）范围内的电磁波，与其它波段的电磁波相比，太赫兹波段是电磁波谱中最后一个有待全面研究的重要频段。

太赫兹波具有安全性好，穿透力强，光谱灵敏度高等诸多特点。

但是由于太赫兹波段的辐射源和检测手段在技术上实现非常困难，所以太赫兹波段的相关研究曾一度处于停滞不前的状态。

然而，随着半导体技术和超快激光技术的飞速发展，太赫兹技术在20世纪90年代后期开始得到了蓬勃.的发展。

太赫兹技术作为一种新兴检测手段，它在基础研究、天文观测、安全检查、生物医学、环境检测，乃至现代通信技术等领域都展现出巨大的应用潜力[16]。

3.3在成熟的硬件基础上，以计算机为支撑平台，应用基于软测量技术的测量方法
传统的、通常建立在传感器等硬件基础上的各种现有测试手段，目前在多相流领域还未能获得令人十分满意的结果，因此从事多相流测试技术工作的同行们开始探索，拟把将成为21世纪研究热点的软测量技术（如状态估计、过程参数辨识、人工神经网络等）引入多相流参数测试
领域中来。

通过软测量方法可解决具有复杂性和不确定性，且很难用数
学模型精确描述的多相流的测试问题[16~18]
如以多相流中简单、易测而且可靠地差压波动信号作为软测量中的辅助变量，以多相流中的流型作为模型中的主导变量，利用小波分析技术可以建立主导变量与辅助变量之间的数学关系，进而通过测量压差波
动信号对多相流流型进行辨识[16~20]。

3.4先进信号处理与智能方法的应用
现代信息技术提供了快速分析和处理动态数据的条件，特别是随着计算机技术的发展，现代信号处理技术和各种智能方法在多相流系统研究中的应用也随之呈现出也来越大的潜力和吸引力。

利用信息处理技术，可以从多相流的波动信号中获取重要但又难以直接获取的参数和信息，具有成本低、硬件简单等优点，因此信号处理技术有着广阔的发展前景。

在两相流参数检测领域，国内外许多研究者开始将传统的、建立在传感器硬件基础上的各种检测手段同现代信号处理相结合，运用频谱分析、分形理论等对获得的信号进行处理，提取隐含的有效信息作为信号的特征量实现多相流系统的机理分析、状态监控或参数检测
等[15~21]。

此外，作为一种辅助方法，采用数值计算方法对多相流流动形态进行模拟也是一种有效手段。

目前一些学者已经对一些典型流型如泡状流、弾状流、分层流等进行过数值模拟，分析多相流动特性，取得了一些成果。

随着计算机技术的快速发展和多相流动机理的深入研究，数值模拟方法必将发挥更大的作用。

4. 发展趋势
相比于单相流系统，多相流流体不同相成分之间随机可变的相互作用为流动参数的测量如前所述，其特征参数相比于单相流流体更为复杂，且参数相对较难实现准确测量和估计。

目前多相流发展和研究方向主要可以归纳为如下几个方面：
(1) 多相流测量系统中，从严格意义上讲，不同相成分在整个流动体系中为非均匀分布，因此需要测量和估计某时刻、某截面或某个流场区域内的不同相成分浓度及其具体分布情况[22]；
(2) 测量系统中，不同相成分之间的相互作用使得流动结构多变，从而导致多相流系统不仅流型多变，而且会伴随着不同流型间的相互转化。

一般而言，这种流型的转化过程往往无明显特征，且这一过渡过程难于用肉眼进行观测或者采用仪表实现检测，因此有必要对流型识别及
转换问题展开讨论[23]；
(3) 现有的多相流系统商业化检测仪表，目前多为侵入式测量方法，这一方法无可避免的会对流场产生影响，从而增大测量误差、降低测量准确度，所以非侵入式的测量手段是未来的发展趋势[23]。

按照如上三个问题，依据现有国内外相关文献，可以将目前多相流流动参数测量方法简单分为如下几类。

(1) 单相流参数检测问题研究由来已久，因此借助于单相流检测技术的已有成果，并将其应用于多相流参数检测领域仍将是以后或者短时间内的一个主要研究方向。

但传统的单相流流动参数检测仪表并不完全适应于多相流检测系统，因此有必要结合新技术，尤其是电子和计算机技术对已有单相流检测仪表进行改造和测量模型改进，从而增大其应用
范围，提高其测量精度和有效性[23]。

(2) 信息融合技术近三十年得到长足发展，基于多传感器参数融合方法能够较好的实现被测参数检测问题。

因此，对于同一测量介质，采用多传感器的信息融合方法实现多相流流动参数检测问题，势必会为多相流领域的研究注入新的血液。

(3)发展和完善现有的不干扰流动的流量测量技术，如射线技术、光学测量技术、超声波技术、微波技术、相关技术等;
(4) 影响多相流动参数检测的不确定性因素很多，因此需要灵敏度较高、准确度较好的检测技术和手段，这就要求检测装置必须符合工厂现场使用条件。

因此，高精度、高灵敏度和实时的多相流检测仪器的研发必定会成为多相流流动参数检测领域的一个重要分支。

(5) 对于基于层析成像技术的多相流流动参数检测系统而言，随着计算机技术和图像处理技术的发展，高速、实时的获取多相流流体二维或三维时空分布信息，同时结合实际测量信号的定性、定量分析结果，采用组合方法，结合成像与信息处理技术的优点，必将提高多相流流体流动过程中的局部空间、甚至微观的测量信息获取。

因此，基于层析成
像系统的信号、图像综合分析方法也将成为以后的研究热点之一[23]。

(6)研究多相流动过程中参数测量系统建模，特征参量的选取、时变性的自适应功
能、动态跟踪能力、校验标定方法和误差分析等。

(7) 结合具体的工业过程工况、与被测对象，探索具有针对性的、新型测量技术势在必行。

各行业对多（两）相流的检测要求及侧重点存在差异，如何结合自身的需求，进而开发出发展适合该领域的检测方法，也将成为以后的主要研究目标与方向。

5. 总结
多相流系统大量存在十实际工业生产过程中，企业在提高效率的同时也对多相流参数检测问题提出了更高的要求。

迄今为止，己研发出的多相流参数检测技术或方法大多数仍处十实验室研发或试用阶段，与商品化产品仍然存在一定距离;同时己商品化的、可在线检测的实用型测量仪表相对较少，所以整体上讲，多相流测量与参数检测问题仍然是一个国际上待发展的、具有价值的探索研究领域，它对十提高我国的工业水平和国民经济具有重要意义。

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