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摘要：針對(duì)高含氣率條件下V錐流量計(jì)內(nèi)氣液相分布及對(duì)V錐下游壓力恢復(fù)影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，考查了不同流型的來流以及節(jié)流比對(duì)氣液相分布的影響，獲得了不同節(jié)流比V錐流量計(jì)的壓力恢復(fù)長(zhǎng)度。研究表明：氣液兩相流流經(jīng)V錐后，其流動(dòng)狀態(tài)可能發(fā)生轉(zhuǎn)變，節(jié)流比越小，來流的變化越明顯；流態(tài)的變化直接影響V錐流量計(jì)內(nèi)的壓力分布，氣液兩相流條件下V錐流量計(jì)所需的壓力恢復(fù)長(zhǎng)度與單相流體相比較短。對(duì)于節(jié)流比為0.45的V錐流量計(jì)，高含氣率條件下，下游壓力在6D（D為管道內(nèi)徑）處可以恢復(fù)，部分工況下，壓力在下游3D處也可恢復(fù)，而節(jié)流比為0.55、0.65和0.75的V錐流量計(jì)，壓力在下游3D即可恢復(fù)。研究結(jié)果可為開發(fā)基于單V錐節(jié)流元件的氣液兩相流量在線測(cè)量方法提供理論指導(dǎo)。
　　高含氣率氣液兩相流（體積含氣率φ超過95%）廣泛存在于石油、核能、化工、動(dòng)力等工業(yè)過程中，其流量在線測(cè)量一直是多相流領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。例如，在天然氣開采過程中，氣井出口產(chǎn)氣往往為攜帶少量液相的天然氣，屬于典型的高含氣率氣液兩相流。以我國陸上最大的整裝氣田蘇里格氣田為例，其采用了井間串接工藝生產(chǎn)模式，這種生產(chǎn)模式由于國內(nèi)外均沒有在線測(cè)量氣液流量的低成本技術(shù)，難以獲得單井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響到了對(duì)氣藏出水的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、配產(chǎn)的科學(xué)管理、增產(chǎn)措施的科學(xué)設(shè)計(jì)等[1-2]。
　　當(dāng)前，采用最多的高含氣率氣液流量在線測(cè)量方法為“組合法”，即通過兩個(gè)或多個(gè)單相流量計(jì)（傳感器）串聯(lián)起來，通過求解單相流量計(jì)對(duì)應(yīng)的測(cè)量方程得到氣液兩相的流量。其中，采用最多的是差壓流量計(jì)（孔板流量計(jì)、文丘里管、V錐流量計(jì)等）和其他傳感器（包括速度式、容積式、質(zhì)量式、伽馬射線、微波以及紅外光譜傳感器等）的組合型式[3]。自20世紀(jì)50年代起，人們就開始探索氣液兩相流在線測(cè)量技術(shù)，到20世紀(jì)90年代，其商業(yè)應(yīng)用開始興起，許多研究機(jī)構(gòu)和公司相繼推出了一系列的氣液在線測(cè)量流量計(jì)此外，這些裝置所用測(cè)量模型對(duì)工況變化的適應(yīng)性不強(qiáng)，多需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，并且其價(jià)格高昂不適于氣井單井計(jì)量等對(duì)成本要求較苛刻場(chǎng)合。因此，迫切需要開發(fā)出成本低廉、準(zhǔn)確可靠的氣液流量在線測(cè)量技術(shù)和方法。
　　作為一種新型的差壓式流量計(jì)，V錐流量計(jì)因其具有信號(hào)穩(wěn)定、壓損低、量程比寬、所需直管段短等優(yōu)點(diǎn)[11-15]，近年來在多相流測(cè)量領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注。deLeeuw發(fā)現(xiàn)，差壓流量計(jì)測(cè)量氣液兩相流時(shí)，其壓力損失能夠反映氣液流量、相含率、氣液密度比等參數(shù)的變化，可用進(jìn)行氣液流量在線測(cè)量[16]。根據(jù)Steven的研究結(jié)果[17]，He等采用節(jié)流比為0.55的V錐流量計(jì)，結(jié)合V錐流量計(jì)壓力損失特性，建立了基于單V錐節(jié)流裝置的氣液兩相流在線測(cè)量方法[14]。確定V錐下游壓力恢復(fù)位置，是準(zhǔn)確獲得壓力損失的前提，但是目前尚缺乏針對(duì)V錐流量計(jì)下游壓力恢復(fù)特性的系統(tǒng)研究。值得注意的是，He等在計(jì)算壓力損失時(shí)，認(rèn)為壓力在V錐下游3倍管徑處即可恢復(fù)[14]。因此，研究V錐流量計(jì)壓力恢復(fù)特性，獲得下游壓力恢復(fù)位置，對(duì)于建立基于單V錐節(jié)流裝置的氣液兩相流在線測(cè)量方法十分關(guān)鍵。
　　針對(duì)V錐流量計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)不同節(jié)流比的V錐流量計(jì)壓力恢復(fù)特性進(jìn)行了研究。首先，研究了V錐流量計(jì)內(nèi)氣液相分布特性，重點(diǎn)考查了不同流型來流流經(jīng)V錐后的變化，以及節(jié)流比對(duì)氣液相分布的影響；其次，分析了V錐流量計(jì)下游壓力恢復(fù)特性，對(duì)比了單相和氣液兩相條件下V錐下游壓力恢復(fù)位置的變化；最后，給出了不同節(jié)流比V錐流量計(jì)的下游壓力恢復(fù)長(zhǎng)度。研究結(jié)果為建立基于單V錐節(jié)流元件的氣液兩相流量在線測(cè)量方法提供了技術(shù)支撐。
1實(shí)驗(yàn)裝置及方法
1.1.V錐流量計(jì)
　　V錐流量計(jì)的節(jié)流元件結(jié)構(gòu)如圖1所示，節(jié)流元件由前、后錐角分別為α和θ的兩個(gè)V形錐體組成，并且由支撐桿固定在管道上；高壓取壓口位于V錐元件上游，低壓取壓口位于后錐體的頂點(diǎn)處，穿過錐體由支撐桿引出管外。V錐流量計(jì)水平放置,其前、后錐角分別為45°和135°�；�于內(nèi)徑D為50mm的管道，通過改變錐體直徑d，設(shè)計(jì)了節(jié)流比β分別為0.45、0.55、0.65和0.75的4個(gè)V錐流量計(jì)；同時(shí)，為了觀察氣液兩相流的流型特征及流經(jīng)V錐前后的變化，測(cè)試管道采用透明的有機(jī)玻璃管。實(shí)驗(yàn)段及錐體實(shí)物圖如圖2所示。
1.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
　　氣、水兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖3所示。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用的是壓縮空氣和自來水�？諝饬髁坑删�度為0.5%的科氏質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，水流量由精度為0.2%的電磁流量計(jì)或精度為0.1%的科氏質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，依據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)工況選擇不同的流量計(jì)；計(jì)量后的空氣和水在混合器內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣液混合，然后流經(jīng)一定長(zhǎng)度的直管段，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了保證氣液充分混合和流動(dòng)充分發(fā)展，從混合器出口到V錐測(cè)試段入口的直管段長(zhǎng)度約為150D；實(shí)驗(yàn)段出口的氣液混合物由分離器進(jìn)行分離，空氣直接排入大氣中，水進(jìn)入儲(chǔ)水箱進(jìn)行循環(huán)利用。


　　壓力P由精度為0.075%的Rosemount3051CG型壓力傳感器測(cè)量，差壓△P由精度為0.075%的Rosemount3051CD型差壓傳感器測(cè)量。溫度由Pt100溫度傳感器測(cè)量，其精度為±0.15℃。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由NIUSB-6229數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于LabVIEW的測(cè)量軟件獲得，采集的數(shù)據(jù)包括氣、液流量、溫度、壓力、差壓等。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)測(cè)量?jī)x表的響應(yīng)頻率特性，設(shè)定采樣頻率為500Hz，每個(gè)工況采樣時(shí)間為60s。采用奧林巴斯（Olympus）公司的i-SPEEDTR高速攝像機(jī)記錄V錐流量計(jì)內(nèi)的氣液流動(dòng)狀態(tài)。

1.3測(cè)試方法
　　為了判斷V錐下游的壓力恢復(fù)位置，實(shí)驗(yàn)過程中沿流動(dòng)方向在V錐節(jié)流裝置上布置了P1′、P1、P0、P2、P3和P4共計(jì)6個(gè)取壓點(diǎn)，如圖4所示。其中，P1′、P1分別位于V錐上游5D和1D處，P0位于V錐錐尾取壓口處，P2、P3和P4分別位于V錐下游3D、6D和9D處，取壓點(diǎn)之間的距離L0、L1、L2、L3、L4如圖4所示。實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量5個(gè)差壓（△P0、△P1、△P2、△P3和△P4）和一個(gè)壓力P4。其中，△P1為前差壓，△P2、△P3和△P4為后差壓。根據(jù)壓力P4與差壓之間的關(guān)系，計(jì)算其余5個(gè)取壓點(diǎn)處的靜壓。取壓點(diǎn)的位置、靜壓和差壓的關(guān)系見表1。

　　實(shí)驗(yàn)中根據(jù)測(cè)量差壓的范圍選擇不同量程的傳感器，采用便攜式375手操器根據(jù)測(cè)量工況對(duì)儀表的量程范圍進(jìn)行調(diào)校，使測(cè)量?jī)x表保持最佳測(cè)量范圍。另外，除錐尾低壓取壓點(diǎn)外，其余的取壓點(diǎn)均位于管道上壁面。實(shí)驗(yàn)中過程中并未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)壓管中積液現(xiàn)象，僅有少量的液滴進(jìn)入導(dǎo)壓管內(nèi)，對(duì)壓力和差壓測(cè)量基本沒有影響。因此，在氣液兩相流測(cè)量范圍內(nèi)，壓力、差壓傳感器的導(dǎo)壓管無需加裝過濾器。
1.4實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)
　　氣液兩相流的氣液分相流量、壓力等流動(dòng)參數(shù)以及節(jié)流比對(duì)V錐測(cè)量氣液兩相流時(shí)流動(dòng)和壓力分布特性的影響規(guī)律。節(jié)流比為0.45、0.55、0.65與0.75的4個(gè)V錐節(jié)流裝置。對(duì)每個(gè)節(jié)流裝置，測(cè)量了0.10、0.15、0.20及0.30MPa共計(jì)4組壓力；每組壓力對(duì)應(yīng)4組不同的氣相流量，每組氣相流量調(diào)節(jié)10次左右的液相流量。實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)如表2所示。

　　實(shí)驗(yàn)中，不同節(jié)流比V錐流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)工況基本相同，由于實(shí)驗(yàn)過程中的操作誤差而略有差異。以β=0.75的V錐流量計(jì)為例，其實(shí)驗(yàn)工況在經(jīng)典的Mandhane流型圖[18]上的分布如圖5所示。圖中Usg和Usl分別為氣、液表觀流速，如下式所示
???
式中：mg和ml分別為氣、液相質(zhì)量流量；ρg和ρl分別為氣、液相密度。
　　可知，測(cè)試工況位于光滑分層流、波狀分層流、環(huán)狀流以及彈狀流區(qū)域。其中大部分工況點(diǎn)位于波狀分層流和環(huán)狀流區(qū)域。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1V錐流量計(jì)內(nèi)相分布特性
　　氣液兩相流流過V錐后其流動(dòng)的變化主要取決于來流流型和錐體結(jié)構(gòu)。不同流型的來流流過同一V錐節(jié)流元件，可能呈現(xiàn)出不同的相分布特性；同一流型流過不同結(jié)構(gòu)的錐體后，也可能呈現(xiàn)出不同的相分布特性。
　　當(dāng)來流為光滑分層流時(shí)，流體經(jīng)過錐體喉部加速，然后噴出，使得管道下部的分層液體破碎形成液滴，飛濺到管道上壁面（見圖6）。節(jié)流比越�。�即V錐錐體越大），噴射速度越高，飛濺至管道上壁面的液體也越多。液相的加速和破碎，使錐后的管道下部液體發(fā)生波動(dòng)；節(jié)流比越小，波動(dòng)程度越大；在V錐下游一定距離處波動(dòng)逐漸減弱，例如節(jié)流比為0.55的V錐節(jié)流裝置，在V錐下游約3D處，液膜的波動(dòng)逐漸變�。ㄒ妶D6b）。

　　圖7展示了來流為波狀分層流時(shí)的情況。與光滑分層流相比，來流液體的增多，減小了氣體的流通面積，V錐喉部氣液作用劇烈，高速的氣流攜帶更多的液體至管道內(nèi)壁。當(dāng)攜帶的液量足夠多時(shí)，會(huì)在管道上部形成連續(xù)液膜（如圖7a所示），使來流轉(zhuǎn)變成環(huán)狀流。來流工況基本相同時(shí)，能否轉(zhuǎn)變成環(huán)狀流則取決于節(jié)流比的大小。如圖7所示，節(jié)流比為0.75的V錐裝置，下游管道上部?jī)H有少量的液滴和液條；隨著節(jié)流比的減小，液滴和液條也逐漸增多，當(dāng)節(jié)流比為0.45時(shí)，V錐下游為環(huán)狀流態(tài)。

　　圖8所示，來流為彈狀流流型時(shí)，彈頭部位的大股液體，經(jīng)過V錐之后劇烈破碎，與氣體進(jìn)行混合，形成環(huán)狀流。可以預(yù)測(cè)，與來流的彈狀流流型相比，此時(shí)的環(huán)狀流氣核中夾帶更多液體，管道內(nèi)壁上的液膜分布也較為均勻，并且節(jié)流比越小，氣核中夾帶的液量也越多。

　　環(huán)狀流流過V錐節(jié)流元件時(shí)，由于V錐節(jié)流裝置環(huán)形通道特點(diǎn)，V錐對(duì)環(huán)狀流的破壞較小，下游仍然呈環(huán)狀流型（如圖9所示）。由于喉部的加速，氣液剪切作用強(qiáng)烈，使得液膜破碎成液滴，導(dǎo)致氣核中液滴夾帶量增加；相同工況條件下，節(jié)流比越小，液膜越容易破碎，氣核中液滴夾帶量越大。

　　如圖10所示：表觀氣速較低時(shí)，來流的表觀液量越大，錐后液體被卷吸的高度也越高，卷吸距離越短，同時(shí)飛濺液量越多，越容易在下游管壁上形成液膜（見圖10a～10d）；表觀氣速較高時(shí)，隨著表觀液量增大，錐后的氣液作用越劇烈，氣核中夾帶的液體越多，氣液分布越均勻（見圖10e～10h）。

2.2壓力恢復(fù)長(zhǎng)度
　　V錐節(jié)流裝置的壓力恢復(fù)長(zhǎng)度，是指從V錐錐尾取壓孔到下游壓力基本不再變化位置處的距離[19]。該處流體的動(dòng)能已恢復(fù)，從該處往下游，壓力沿流動(dòng)方向降低主要是流體之間以及流體與壁面之間的摩擦造成的。
2.2.1壓力恢復(fù)位置判定圖11所示為氣液兩相流流經(jīng)V錐時(shí)6個(gè)取壓位置處的靜壓力�？梢园l(fā)現(xiàn)，氣液兩相流流過V錐之后，動(dòng)能迅速恢復(fù)，壓力升高，然后趨于穩(wěn)定。壓力恢復(fù)位置可能受到氣、液相流量、節(jié)流比等因素的影響，只有確定了V錐下游的壓力恢復(fù)位置，才能合理布置下游高壓取壓點(diǎn)的位置，得到準(zhǔn)確的壓力損失。這對(duì)于利用V錐節(jié)流裝置的壓損特性，建立基于單節(jié)流裝置的氣液兩相流在線測(cè)量模型十分關(guān)鍵。

　　根據(jù)下游壓力的分布特性可知，當(dāng)V錐下游3個(gè)取壓點(diǎn)的壓力滿足P2＞P3＞P4時(shí)，則認(rèn)為V錐下游壓力在P2處（3D）已恢復(fù)；當(dāng)滿足P2＜P3＞P4時(shí)，則可認(rèn)為下游壓力在P3處（6D）已恢復(fù)。
定義

　　按照上述判別方法，若△P3-2＜0且△P4-3＜0，則在V錐下游3D處壓力已恢復(fù)；若△P3-2＞0且△P4-3＜0，則在V錐下游6D處壓力已恢復(fù)。
2.2.2單相流體壓力恢復(fù)長(zhǎng)度實(shí)驗(yàn)研究了空氣和水兩種單相介質(zhì)情況下V錐流量計(jì)的壓力恢復(fù)長(zhǎng)度。由圖12可知，測(cè)量介質(zhì)為空氣時(shí)，對(duì)于節(jié)流比為0.45和0.55的V錐節(jié)流裝置，其下游壓力在V錐下游3D處并未完全恢復(fù)，而6D時(shí)可以認(rèn)為壓力已完全恢復(fù)，因此其壓力恢復(fù)長(zhǎng)度大于3D；對(duì)于節(jié)流比為0.75的V錐節(jié)流裝置，其下游壓力在V錐下游3D處則可以完全恢復(fù)；節(jié)流比為0.65的V錐節(jié)流裝置，當(dāng)氣體雷諾數(shù)Reg≥0.6×105時(shí)，也可以認(rèn)為其壓力在V錐下游3D處已完全恢復(fù)。當(dāng)流動(dòng)介質(zhì)為水時(shí)，如圖13所示為△P3-2和△P4-3隨液體雷諾數(shù)Rel的變化，4個(gè)不同節(jié)流比的V錐節(jié)流裝置下游壓力恢復(fù)處的位置與測(cè)量空氣時(shí)所需的恢復(fù)長(zhǎng)度基本相同。

2.2.3氣液兩相流時(shí)的壓力恢復(fù)長(zhǎng)度如圖14和15所示，測(cè)量氣液兩相流時(shí)V錐流量計(jì)下游壓力恢復(fù)長(zhǎng)度與測(cè)量單相流時(shí)并不完全相同。對(duì)于節(jié)流比為0.45的V錐流量計(jì)，空氣中引入少量水后，當(dāng)體積含氣率小于99.5%時(shí)，部分測(cè)試工況所需的壓力恢復(fù)長(zhǎng)度與單相空氣相比變短，但仍有一些實(shí)驗(yàn)工況的壓力恢復(fù)長(zhǎng)度需要大于3D，而在下游6D處壓力能夠完全恢復(fù)。在圖14中，節(jié)流比為0.55的V錐流量計(jì)測(cè)量氣液兩相流時(shí)，壓力在下游3D處即能恢復(fù)。這意味著與測(cè)量單相空氣相比，液相的加入縮短了V錐流量計(jì)下游所需的壓力恢復(fù)長(zhǎng)度。其主要原因如下：①V錐前后流型變化的影響。由圖10可知，在一定表觀氣液流速下，氣液兩相流流經(jīng)V錐后，流型可能發(fā)生變化，如分層流變成環(huán)狀流（見圖10c、10d）等。環(huán)狀流條件下，壁面潤(rùn)滑效應(yīng)的存在使得摩擦壓降降低，進(jìn)而導(dǎo)致壓力恢復(fù)距離的縮短，并且節(jié)流比越�。ㄥF體體積越大），對(duì)流型影響越大，流型轉(zhuǎn)變所需的氣液流速越低（見圖7），對(duì)下游壓力分布的影響越明顯。②與V錐下游的尾渦對(duì)壓力分布特性的影響有關(guān)。尾渦越長(zhǎng)，則壓力恢復(fù)所需的距離越長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，氣液兩相流來流時(shí)的尾渦長(zhǎng)度比單相氣體時(shí)的短，因此所需的壓力恢復(fù)長(zhǎng)度也小于單相氣體。圖15表明，節(jié)流比為0.65和0.75的V錐節(jié)流裝置測(cè)量高含氣率氣液兩相流時(shí)，壓力在下游3D處可完全恢復(fù)。


　　對(duì)于4個(gè)不同節(jié)流比的V錐流量計(jì)，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，測(cè)量單相流體和氣液兩相流時(shí)，所需的壓力恢復(fù)長(zhǎng)度如表3所示。可知，V錐節(jié)流裝置測(cè)量氣液兩相流時(shí)，當(dāng)節(jié)流比為0.45時(shí)，建議恢復(fù)壓力測(cè)壓點(diǎn)設(shè)在大于3D的位置處；節(jié)流比為0.55、0.65和0.75時(shí)，推薦恢復(fù)壓力測(cè)壓點(diǎn)設(shè)在下游3D處。此外，在研究范圍內(nèi)，壓力恢復(fù)長(zhǎng)度受入口壓力影響較小。
3結(jié)論
　　高含氣率條件下V錐流量計(jì)內(nèi)氣液相分布特性及V錐下游壓力恢復(fù)特性。考查了不同流型來流以及節(jié)流比對(duì)氣液相分布的影響，獲得了不同節(jié)流比V錐流量計(jì)的壓力恢復(fù)長(zhǎng)度，主要結(jié)論如下：
（1）氣液兩相流流經(jīng)V錐后，其流動(dòng)狀態(tài)可能發(fā)生轉(zhuǎn)變，節(jié)流比越小，來流的變化也越明顯；V錐下游的相分布特征與來流流型密切相關(guān)。流態(tài)的變化會(huì)直接影響V錐流量計(jì)內(nèi)的壓力分布。
（2）對(duì)于光滑分層流和波狀分層流，在錐體喉部加速的影響下，下游管道上壁面有液滴或液膜出現(xiàn)，且在一定條件下，V錐下游可轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流；彈狀流流經(jīng)V錐后，則轉(zhuǎn)變?yōu)闅夂酥袏A帶大量液滴的環(huán)狀流；V錐對(duì)環(huán)狀流氣液相分布影響較小。
（3）氣液兩相流條件下V錐流量計(jì)所需的壓力恢復(fù)長(zhǎng)度與單相流體相比較短。對(duì)于4種節(jié)流比的V錐流量計(jì)，節(jié)流比為0.45時(shí)，高含氣率條件下，下游壓力在6D處可以恢復(fù)，部分工況條件下，下游壓力在3D處即可恢復(fù)；節(jié)流比為0.55、0.65和0.75的V錐流量計(jì)，壓力在下游3D即可恢復(fù)。

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