油氣儲運論文

1、.PAGE 1油氣混輸管路的流型特征及其識別方法第一章 緒論1.1課題背景氣液兩相流的宏觀運動規(guī)律以及它與其他運動形態(tài)之間的相互作用是兩相流體力學的主要研究容之一。氣液兩相流的研究，是隨著工業(yè)技術的需要而開展起來的。特別是本世紀40年代后，由于動力工程化學工程石油工程原子能工程航天工程以及環(huán)境保護工程的興起和開展，氣液兩相流的研究日益得到重視，促使它形成為一門完整的應用根底學科。廣義而言，氣液兩相流動屬流動力學的研究疇之一，流動力學的根本方程也適用于氣液兩相流。但由于在氣液兩相流中，存在氣液兩相間的相互作用，因此兩相流動問題較單相流動問題要復雜的多，兩者間在本質(zhì)特征上也有較大的不同。氣液兩相流

2、流型的復雜性和多樣性就是顯著區(qū)別于單相流動的特點之一。兩相流流型是兩相流的構造形式。對于流型形成機制及其特點的認識，是兩相流的機理及其規(guī)律研究的重要組成方面，同時也直接關系到對兩相流學科中其他問題的分析研究。例如，對于氣液兩相流問題的分析處理，經(jīng)常采用基于流型的方法，即首先分清氣液兩相流的流型，然后根據(jù)各種流型的特點，分析其流動特性并建立關系式。這種方法考慮了兩相流的流型特征，具有較強的針對性。流型研究在工程中也具有重要的應用價值。在涉及到氣液兩相流動的管路系統(tǒng)設計時，流動壓降是根本參數(shù)之一，而兩相流壓降與流刑具有密切關系。實驗結果說明，在一樣的質(zhì)量流量下，不同流型下的流動阻力可以變化幾倍甚至

3、幾十倍。不同的流型，將會使管道受到不同頻率分布特性的作用力，這將直接關系到管道構造的減振設計，以確保管道系統(tǒng)的平安運行。為了進展多相流動參數(shù)的測量和計量，流型也是必須考慮的重要因素。因為流型的變化往往會造成測量裝置的顯著改變。另外，不同的流行具有不同的傳熱傳質(zhì)特性，這對于化工動力等過程的工藝技術也至關重要。氣液兩相流流型與兩相間界面的形狀及其組合變化密切相關，流型的開展與穩(wěn)定往往是相對的例如，在長距離管線中，由于沿程狀態(tài)參數(shù)的變化，流興會發(fā)生改變，從而導致流型問題變化復雜。早期的研究者為了方便，常常用各單相流型層流或紊流的不同組合為描述多相流模型并以此建立計算模型或在此根底上根據(jù)質(zhì)量流速壓力等

4、參數(shù)進展修正以提高模型的精度。例如對于氣液兩相流的壓降計算模型的研究就是如此。顯然，這種流行描述方法比較粗糙。目前常用的流行分類方法是根據(jù)流動形態(tài)分類。這種分類方法比較直觀，但流型確定容易受到觀察者主觀因素的影響。目前對于流型的分類方法還沒有一個統(tǒng)一的標準，這是流型研究需解決的問題之一。另外，如何根據(jù)流動條件確定流型，以及如何在流動過程中實時的利用流動狀態(tài)信息確定流型也是目前在流行研究及工程應用中迫切需要解決的問題。本文針對上述問題進展評論，以期反映近年來對于氣液兩相流流型問題的研究狀況。1.2國外多相流根底理論近年來國際上對多相流的研究興趣在持續(xù)增長，其原因在于多相流不僅在一系列現(xiàn)代工程中得

5、到廣泛應用而且對促進這些工程設備的開展和創(chuàng)新也起到了重要作用.涉及多相流的工程設備有新型的相變換熱器、鍋爐、蒸發(fā)器、凝結器、空間設備、制冷機、核反響堆、別離設備、過濾設備、流化床反響器、氣力輸送設備、液力輸送設備、石油工程設備和多相流泵等。每年發(fā)表的有關多相流方面的論文數(shù)以千計，因此要在一篇論文中對近期多相流研究工作進展全面綜述，實非易事.本局部擬對其中的一些有關多相流研究的新課題、具有實用意義的新工程以及能促進多相流學科開展的新研究容進展了扼要的論述。1.2.1多相流流型及流型圖多相流流型和流型圖對確定多相流的組分、分相流壓力降和傳熱系數(shù)是十分重要的.此外，流型對建立多相流理論模型也是有力的

6、物理根底.至今，在氣液兩相流方面，對重力作用下的氣體和牛頓液體混合物的兩相流體流型和流型圖的研究己經(jīng)比較多，特別是在水平管、垂直上升管的管流型和流型圖方面的研究工作己較完善.因此，近年來有關這方面的研究論文數(shù)量己大為減少，但對氣體和非牛頓液體的管氣液兩相流型以及對小尺寸管或特殊管子橫截面的管氣液兩相流型的研究論文為數(shù)仍不少.例如:王樹眾研究了油氣兩相流在下降管的流型;Bonjoun研究了水在直立兩板中狹小空間沸騰時的流型;Mishima研究了徑為14mm的毛細管中的氣水兩相流流型;Triplett發(fā)表了微通道中氣液兩相流流型研究報告;Wolk研究了當量直徑為6mm的三角形截面垂直管中的流型;G

7、radeck研究了水平波形管中的氣液兩相流型;weiseman研究了管存在微型螺旋線狀肋片時流體物性對氣液兩相流型的影響以及衣服發(fā)表了微型肋水平管中凝結時的流型研究報告等.對氣固、液液兩相流流型的研究比氣液兩相流流型的研究要少得多，但近年來，在區(qū)分流型和預測流型轉換界限方面己取得了一些進展.例如:Doron建立了管液固兩相流的流型圖;出價提出了氣固流態(tài)化和向上氣力輸送顆粒時的流型圖;N adlen研究了兩種不溶混液體在水平管中形成乳濁狀流型的過程及天使的研究了油水混合物在水平管中的流型等.在三相流的流型研究方面:Hewitt提出了微傾斜管中油氣水三相在不同壓力下的流型圖并發(fā)現(xiàn)壓力增大會促使分層

8、流動區(qū)域擴大;羅玉珊等研究了垂上升管中乳狀油氣水三相流由細泡狀流型過渡到彈狀流型的轉變條件;學俊等研究了螺旋管中油氣水三相流的流型等.由于氣液兩相流在宇宙飛船的設計和運行中具有重要用途，例如在飛船環(huán)境系統(tǒng)、制冷流體的儲存和輸送、太空核電站系統(tǒng)平安性等系統(tǒng)中均有重要應用.因此，建立微重力下的氣液兩相流流型圖就顯得十分必要.根據(jù)Rezkallah的研究，微重力下的氣液兩相流流型根本上可分為細泡狀、彈狀、泛沫彈狀和環(huán)狀等幾種流型，并由他建立了流型圖和流型轉換條件.Colin和Bousman研究了管徑、液體粘性和外表力對流型的影響.1.2.2壓力降研究近期對多相流壓力降進展研究的論文主要涉及液液、氣固

9、、液固兩相流和三相流問題.在氣液兩相流壓力降方面，由于對一般直管研究己經(jīng)較多，因而新的論文主要涉及特殊管子、微重力條件下以及氣體非牛頓液體等的氣液兩相流壓力降問題.其中:Dziubimsk, Dasf報導了氣體和非牛頓液體在管壓力降方面的研究結果;M ukhtan研究了900水平彎頭中含多尺寸顆粒的氣固兩相流壓力降;T urian研究了非牛頓液體的泥漿流壓力降;天使的研究了液液兩相流在水平管中的壓力降。此外，M ishima研究了各種毛細管中空氣一水兩相流的壓力降;研究了R-12氣液兩相流的壓力降;Awward研究了氣水混合物在螺旋管中的壓力降;weisman研究了R-113氣液兩相流在螺旋肋

10、管中的壓力降等.在油氣水三相流方面，Hewitt研究了微傾斜管中的油氣水三相流壓力降，并發(fā)現(xiàn):如果油水混合物粘度能采用合宜的方法確定，則*些兩相流壓力降預測方法可用于進展油氣水三相流壓力降計算，林宗虎等對水平管中的油氣水三相流摩擦壓力降的研究說明:由于工質(zhì)對管子材料的濕潤性和吸附力等的不同，有機玻璃管和鋼管中的油氣水三相流摩擦壓力降在一定條件下是不同的.在微重力作用下對氣液兩相流進展的初步研究說明，在兩相摩擦壓力降方面，微重力條件下和重力作用時的壓力降數(shù)量級一樣.1.2.3截面含氣率和截面含液率的研究在海洋石油等開采儲運過程中，為了進展油氣混輸管路的設計和運行，必須進展油氣水三相流流動特性的研

11、究，其中一個重要參數(shù)是截面含氣率或截面含液率(持液率).Hewitt研究了空氣折算速度固定、總液體速度不變時微傾斜管的油氣水三相流持液率問題.試驗說明，水含量增大，則持液率增加到一最大值后再銳降到近乎為一常數(shù)值.峰值發(fā)生在油為連續(xù)相區(qū)域，而曲線平坦局部(近乎常數(shù)值區(qū)段)位于水為連續(xù)相區(qū)域.雖然三相流時各相含液率與兩相流時表現(xiàn)不同，但仍可用*些兩相流預測方法預測，只要油水混合物的粘度應用一種可考慮相轉變和混合工況的模型加以估算.此外，由于彈狀流對油氣混輸管的重要性，掛起研究了垂直上升管和垂直下降管中彈狀流的含氣率，酋長研究了垂直下降管中油氣混合物在細泡狀流型和彈狀流型時的含氣率，F(xiàn)eenstra

12、提出了一種計算兩相流橫掠水平管束時含氣率的改進計算模型。.1第二章 氣液兩相流流型及其判別的假設干問題2.1引 言氣液兩相流體系是一個復雜的多變量隨機過程體系，流型的定義流型過度準則和判別方法等方面的研究是多相流學科目前研究的重點容。下文就與氣液兩相流流型及其判別有關的研究狀況進展了回憶和評述，力圖反映近年來氣液兩相流流型及其判別問題研究的狀況和趨勢。2.2氣液兩相流流型的分類由于目前在研究和應用中涉及的氣液兩相流大多數(shù)是管流動，因此下面的討論主要針對氣液兩相管流進展。表2.1垂直上升管中的氣液兩相流流型劃分在氣液兩相流流動過程中，由于氣、液兩相均可變形，兩相界面將不斷變化，從而兩相介質(zhì)的分布

13、狀態(tài)也不斷改變，所以流型極為復雜。同時，流型還與管道尺寸、管截面形狀、管道角度、管道加熱狀態(tài)、所處的重力場、介質(zhì)的外表力、壁面及相界面間的剪切應力等因素有密切關系.因此總體而言，流型的種類是相當復雜繁多的。這使得不同的研究者，從不同角度對流型進展研究時，會給出流型的不同定義和劃分。例如，對于垂直上升管中的流型劃分就有幾十種，如表2.1所示。又如，對于水平管絕熱流動，在不同的液相流量下，加速等提出的流型劃分也有十余種，如表2.2所示。表2.2水平絕熱管中的流型(管道徑0.0935m)注: A環(huán)狀流(環(huán)的), B氣泡(泡沫), BTS中空氣彈(毆打穿過鼻涕蟲), D液滴(小滴), F液膜(薄膜),

14、 IW平緩波(不活潑的波), LRW大翻 卷波(大的滾動波), PB氣栓加氣泡(堵& 泡沫), PF氣栓加泡沫(堵 & 泡), R漣漪波(波紋), RW翻卷波(滾動波), S氣彈(鼻涕蟲),ST層狀流(成層)表2.3幾種常見管道條件下的流型劃分從實際應用的簡明性考慮，Oshinowo等，在綜合開展了其他研究者結果的根底上，提出的幾種常見流動條件下的流型劃分，成為目前比較經(jīng)常采用的流型劃分，如表2.3所示(目前常用的幾種主要流型的名稱和簡要描述見附錄)。盡管如此，由于流動條件變化的多樣性以及研究角度的多樣性，基于流動構造形態(tài)學上的流型劃分方法有以下幾個問題。 (1)流型定義的模糊性 目前對于各種

15、流型的定義只是建立于主觀觀察的結果上的，這樣不可防止引入觀察者主觀因素的干擾。(2)流型定義的多樣性 對于各種流型，目前還未建立起一套統(tǒng)一的且被公認的定義。(3)流型定義的定性特性 對于流型的判別只能定性判斷，公認的定量判斷方法還沒有。圖2.1水平蒸發(fā)管氣液兩相流流型按介質(zhì)的連續(xù)性進展劃分近年來，有些學者(Barnea等)提出了從多相流中的流動介質(zhì)的連續(xù)性出發(fā)進展流型的劃分.即將介質(zhì)的形態(tài)分別分為連續(xù)的(連續(xù)的)、連續(xù)的(間歇的)和彌散的(被驅(qū)散的)。流型的要素就是不同介質(zhì)及其形態(tài)的不同組合，如對于水平蒸發(fā)管中的流型，就可以圖2.1所示的方式進展劃分。由于這種流型劃分方法一方面考慮介質(zhì)的連續(xù)性

16、，便于將兩相流問題與比較成熟的單相流流體力學相聯(lián)系，另一方面又能將各種不同的流型歸結為較少的幾種模式，相互之間有比較明確的區(qū)別特征，簡化了理論研究的對象，從而便于氣液兩相流的研究與應用。因此有希望為流型劃分找到一條比較客觀和完善的途徑。2.3流型及其轉換的理論判斷氣液兩相流流型問題的困難不僅表達在其定義與劃分上，出于類似的原因，流型的識別及流型過渡準則確實定也有嚴重的困難。盡管如此由于流型問題的重要性，人們還是對此做了大量的工作。2.3.1流型圖流型圖是用于流型識別及流型轉換判斷的重要工具之一。早在1949年，Lockhart等研究了不同的管流動條件下的流動阻力問題。面包師在前人研究結果的根底

17、上開展了流型判別的流型圖方法。同時代Hoogendoorn針對水平管氣液兩相流也應用了這一方法。其后，出現(xiàn)了許多種不同條件下得到的流型圖。比較有代表意義的有Mandhane等，Taitel等，Weisman等，林等(水平圓管)，Griffith等，Gooier等，Taitel等，McQuillan等(垂直上升管)，加速等，Weisman等，B arnea等(垂直上升管到垂直下降管之間的各種傾斜管)，以及Wambsganss(小尺度水平矩形管)。一般用氣相表觀速度和液相表觀速度(或以這兩個參數(shù)為根底得到的其他折算參數(shù))構成流型圖的坐標系，如圖2.2所示。表2.4給出了一些典型的流型圖所采用的坐標

18、參數(shù)及其主要工況。表2.4幾種典型流型圖的坐標參數(shù)及主要工況表中=G/a(L/w),=(w/L)(L/w)(w/L),為介質(zhì)密度(公斤/m),v為介質(zhì)流速m/s,相界面的外表力(N/m),為介質(zhì)物性參數(shù)和管道直徑?jīng)Q定的修正系數(shù).下標中，a和w為表示空氣和水，L和G分別為氣相和液相介質(zhì)，S為表觀量.就流型圖而言，目前還有以下問題:1流型圖中所表達出的決定流型的因素主要為氣、液相的流速等幾個主要參數(shù)，其他影響流型形成的因素未得到表達，使得根據(jù)流型圖確定流型的可靠性受到影響。這在流型轉換時顯得尤為明顯。例如，我們在實驗中發(fā)現(xiàn)，非牛頓流體氣液兩相流型處于過渡階段時，所表現(xiàn)的實際流型不僅與表觀流動速度值

19、有關，還與表觀速度變化率的大小和方向有關。(2)在流型圖中流型轉換表現(xiàn)為一些過渡區(qū)域，在這些區(qū)域中流型是不確定的。(3)大局部的流型圖所依據(jù)的實驗數(shù)據(jù)來自水空氣流動，因此流型圖的適用圍是有限制的。(4)存在如此之多且相互之間往往不一致的流型圖的事實也說明，目前對于流型形成機制的研究還處于經(jīng)歷階段，要把所有的流型統(tǒng)一到一個流型圖中還不可能。因此，目前流型圖的研究仍然是針對特定的流動條件和介質(zhì)進展的，但是涉及條件圍和介質(zhì)種類擴大了，如特殊構造管道或大口徑管道，微重力環(huán)境，非牛頓流體以及各種熱工質(zhì)等。圖2.2水平管的Mandhane流型圖2.3.2流型轉換準則1.水平流動Taitel等根據(jù)大氣壓下空

20、氣水的水平流動的流型實驗結果，將流型劃分為層狀流、泡狀流、連續(xù)流和環(huán)狀流四大類，同時引入了一系列控制參數(shù)，加上Lockhart-Martinelli參數(shù)*構成了流型轉換的控制參數(shù)組，對于水平及小傾角管道的流型轉換判斷具有較好的普適性，其根本思路目前仍為其他研究者采用。這些控制參數(shù)如下F= T= (2.1) Y= K=F(Re) (2.1)式中與分別為氣相流量和液相流量單獨在同一流道流動時的摩擦壓力梯度(Pa/m)。為流道的傾角(rad)，d為流道徑(m)。為介質(zhì)密度(kg/m)， v為介質(zhì)流速m/s,g為重力加速度(m/s)。下標中，L和G分別為氣相和液相介質(zhì)，S為表觀量。Taitel & D

21、ukler提出的各流型間轉換的機理與控制參數(shù)分別為:(1)層狀流到連續(xù)流:當氣相通過波形交界面的波峰受到加速，產(chǎn)生局部壓力降，使峰部同時受到抽吸作用。當抽吸力的作用大于峰部的重力作用時，波峰就會擴大.波峰到達管道頂部井與管道接觸，構成彈狀流。(2)波狀流到環(huán)狀流:主要由*控制.當氣相速度比液相速度高得多時，就產(chǎn)生這種過渡。(3)連續(xù)流到泡狀流:在彌散泡狀流下，氣泡分散在連續(xù)的液相中。當液相的湍流脈動效應大于氣泡的浮力時，阻止了氣泡聚合到管道的頂部。(4)層狀流到波狀流:主要與液體外表力及氣液兩相間的滑移速度有關，根據(jù)Keivin-Helmholtz穩(wěn)定性理論給出過渡準則。(5)連續(xù)流到環(huán)狀流:

22、當液面的平均高度超過管道高度的一半以上就發(fā)生這種過渡。Taitel&Dukler過渡準則與Mandhane的流型圖吻合得相當好。但是，該方法不適合于高粘性流體，對于從連續(xù)流過渡到彌散泡狀流時，未考慮外表力的影響(而實驗說明該因素是顯著的)，另外，人為規(guī)定液面的平均高度超過管道高度的一半以上就發(fā)生連續(xù)流到環(huán)狀流的過渡，也比較牽強。Weisman等考慮到Taitel & Dukle:準則的上述缺乏，提出了另一類流型轉換準則式。其所依據(jù)的實驗數(shù)據(jù)來自12mm, 25 mm和51mm三種管徑，且覆蓋了更加廣泛的各種特性的流體。這些判據(jù)與Weisman自己的實驗數(shù)據(jù)吻合很好，但是普適性不如Taitel

23、& Dukler準則。2.垂直上升流動Taitel等認為:氣泡流轉換到彈狀流是由于氣相速度的增加，到達一定程度后，小氣泡聚生成接近管徑的大氣泡，從而導致彈狀流的形成。流型變化的界限可由空隙率確定，而攪拌流產(chǎn)生的主要原因是，在兩個彈狀氣泡之間的液彈因太短而不能形成穩(wěn)定的液相段。液彈周期性的形成和破碎使流動受到很大的擾動.攪拌流只能在*些區(qū)域才能觀察到。從彈狀流向攪拌流過渡決定于產(chǎn)生攪拌流所需的入口管道長度Le.根據(jù)分析，Le可用下式表示=40.6d而對于彈狀流向環(huán)狀流的轉變，是由于高速氣體引起的.流型變化的界限條件為=3.1 (2.2)Golan等是較早開展對攪拌流研究的學者。他們提出的流型變化

24、判據(jù)為0.189+0.011(2.3)Weisman等通過實驗數(shù)據(jù)整理，提出的由氣泡流向彈狀流轉換的判據(jù)為0.45 (2.4)對于攪拌流到目前為止還沒有統(tǒng)一的認識?，F(xiàn)在常以液相的湍流作用大到粉碎大氣泡而形成湘沫為攪拌流的全要標志、故攪拌流也稱為乳沫狀流或混狀流。對于彈狀流向環(huán)狀流的過渡，一般都是根據(jù)經(jīng)歷公式進展判斷。不過，Moissis依據(jù)KelvinHelmholtz不穩(wěn)定性判據(jù)，分析了彈狀流向環(huán)狀流轉變的條件，則有較強的理論色彩。兩個氣彈之間液膜穩(wěn)定的界限條件為 VV= (2.5)式中k為波數(shù)，h為液膜的平均厚度。根據(jù)理論和實驗結果，最不穩(wěn)定的波數(shù)與液膜厚度之間的關系為：k=。由此可以確定

25、彈狀流轉變成環(huán)狀流的條件?？傮w而言，盡管目前對于氣液兩相流流型判斷的理論方法進展了較多的研究，但是由于對流動機理缺乏深入的了解，所建立的理論模型常常存在較大的誤差。不同的研究者所得到的流型圖或流型轉換準則也不完全一致，有時差異相當大，以至于應用者無所適從。再者，由于兩相流系統(tǒng)的復雜性，所涉及的工況條件與流體物性參數(shù)的多樣性，在目前還難以獲得一個對各種流型轉換準則，退一步說，即使要應用現(xiàn)有的這些流型圖和轉換準則，還需得到分相流量等參數(shù)，而在實際工程應用中，往往是希望通過判斷流型來實現(xiàn)對這些參數(shù)的檢測。這就構成了應用該種方法講行流型判斷的兩難境地。筆者認為，為了從本質(zhì)上了解氣液兩相流動的機理，應對

26、流型的構造性和隨機性進展綜合分析和認識。構造性表達為:流動條件和參數(shù)的變化引起流型的改變意味著構造性的變化而這些條件和參數(shù)在一定圍變化時，流動構造是根本穩(wěn)定的.隨機性則表達為:每種流型下，每個時刻流動狀態(tài)參數(shù)都呈現(xiàn)為較強的不可預測性。這時候的流動規(guī)律在更多意義上是統(tǒng)計性的。構造性研究可以一方面從簡化兩相流動中各種不同因素間的相互作用入手，以便了解流型產(chǎn)生和轉換的機理.例如，在微重力條件下，由于重力根本消失，氣液兩相流流型較常重力條件下得到大大簡化。構造性研究的另一方面是對不同尺度或不同介質(zhì)多相流動的相似參數(shù)進展研究，如果能夠在一定的條件下獲得與流型關聯(lián)的無量綱準則數(shù)，就不僅意味實驗研究的簡化，

27、同時意味著理論研究的突破，這對于流型機理研究的意義將是不言而喻的。Bl等在對大量的氣液和氣固垂直上升管流流型進展總結比較后，就發(fā)現(xiàn)兩者在流型和流型過渡準則上有著較好的相似性。2.4流型的在線識別應用流型圖或流型轉換判據(jù)只能大致預測流型及其轉換，但是不能準確獲取流動狀態(tài)的實時信息。而工程實際應用時，往往需要實時了解流型對系統(tǒng)運行狀況的影響。此時，應用儀器設備直接識別管道氣液兩相流的流型就自然而然成為人們的選擇了。根據(jù)工作原理，流型實時識別方法可以分為兩類。一類是根據(jù)兩相流流動圖像的形式直接確定流型，如目測法、高速攝影法、過程層析成像法等;另一類是間接方法，即通過對反映兩相流流動特性的波動信號進展

28、處理分析，提取出流型特征，進而識別流型.這種方法建立在隨機信號處理技術的根底上，不僅具有設備簡單、價格低廉的優(yōu)點，還極有希望開展成為流型識別的客觀方法，因此受到眾多研究者的關注，現(xiàn)已成為流型識別技術中的研究熱點。這里主要針對后者進展綜述。2.4.1頻域處理方法早在1966年，Hubbard等就將水平管道氣液兩相流壓力信號的功率譜分析結果應用于流型判別。他們假設氣液兩相流的隨機壓力信號是平穩(wěn)的，通過壓力信號的自相關函數(shù)求得功率譜密度函數(shù)(PSD)。為了便于比較，對功率譜密度函數(shù)進展了歸一化后可得出結論(如圖2.3所示)。 (1)連續(xù)流(層狀流和波狀流)的PSD集中在零頻率附近，即呈現(xiàn)出一定的直流

29、特征，隨頻率增加幅度明顯下降，見圖2.3(a)。(2)彌散狀流(氣泡流、霧狀流等)的PSD分布較平坦均勻，見圖2.3(b)。(3)連續(xù)流(彈狀流和栓狀流)的PSD分布出現(xiàn)一個幅度明顯的特征峰，見圖2.3(c)。a連續(xù)流 (b) 彌散流 (c)連續(xù)流圖2.3壓力信號功率譜密度(PSD)函數(shù)與氣液兩相流流型的關系Matuszkiewicz等利用類似方法對于氣液兩相流中氣泡流流型到塞狀流流型的轉換進展分析預測，所用于功率譜密度的分析信號是用電導探針所獲得的局部空隙率信號，管道直徑為40毫米，液相流速為0.18m/s。在不同的平均空隙率的條件下，不同流型的譜分析呈現(xiàn)出以下的特征。 (1) 0.25時，

30、氣泡流流型，譜分布的圍較寬見圖2.4(a)。 (2) 升高后出現(xiàn)混狀流型，譜分布的圍明顯縮小見圖2.4(b)。(3) 升高到0.5左右時，出現(xiàn)塞狀流流型，在低頻上出現(xiàn)了一些突出的頻率分量見圖2.4(c)。由此出發(fā)，他們得出結論，當氣泡流流型下，空隙率信號具有較小的方差(即分散性較小)，而在塞狀流下，空隙率信號呈現(xiàn)較大的方差。(a)氣泡流 b混狀流 c塞狀流圖2.4空隙率信號功率譜密度與氣液兩相流流型的關系功率譜密度函數(shù)分析法的一個關鍵問題是，功率譜密度分布不完全取決于流型，而與流體流動速度的關系較大，但流速一般難以預知。盡管如此這種分析方法在預估流型轉換上還是有效的。2.4.2時間頻率域方法表

31、2.5各種流型下尺度密度的數(shù)量級圍功率譜密度分布所要求的隨機信號的平穩(wěn)性，在許多兩相流動場合不能很好地滿足。有些學者提出了基于小波(wavelet)分析的兩相流信號處理方法，用于進展流型辨識。在對水平管道所取的間距50 mm差壓信號進展二進小波分析后，差壓信號被分解成了不同尺度上的能量，用尺度密度S(j=1,2,3,4)表示。4種常見流型下其尺度密度的數(shù)量級如表2.5中所示。它們具有如下特點:氣泡流的尺度密度絕對值最小，大多集中于1010數(shù)量級，各尺度下的凡相對變化不大。波狀流和塞狀流兩者的尺度密度的分布頗為相似，它們的尺度密度均比對應于氣泡流的要高出一個數(shù)量級。另外，同尺度下塞狀流的S一般比

32、波狀流大35倍。彈狀流各尺度下的S都明顯高于其它流型。Bakshi借助于對局部空隙率信號的小波分析對氣液兩相流中氣泡流的流型轉變進展了研究，實驗結果分析說明，氣泡流中空隙率信號頻率分布的不連續(xù)變化與流型轉變密切相關。Wigner-Ville譜(WVD)分析方法是近年來興起的一種用于瞬態(tài)信號分析的方法。解析信號*(t)的WVD譜的定義W(t,)=,它在一定意義上統(tǒng)一了時域和頻域分析，這表現(xiàn)在其本身同時表征了時頻二維信息，從而使頻率的時間定位成為可能勞力云對徑分別為40毫米和50毫米的水平管道空氣水兩相流的脈動差壓信號進展了WVD分析，結果說明在氣泡流、塞狀流和彈狀流三種流型下的WVD分布有較為顯

33、著的不同。在泡狀流流型中，頻譜比較分散，幅度信號能量在時頻域中的分布比較均勻。在塞狀流流型中，其信號能量根本集中在低頻區(qū)間中，有時也出現(xiàn)一些較高的頻率分布。在彈狀流流型中，能量在時域、頻域和幅值上都表現(xiàn)得比較離散，即呈現(xiàn)出明顯的非平穩(wěn)性。2.4.3幅值域處理方法信號幅值域的處理指對信號幅度進展統(tǒng)計處理。所給出的結果可以反映信號幅度變化的分布規(guī)律。常用的參數(shù)有概率密度函數(shù)(PDF)、方差、均值等。由于氣液兩相流參數(shù)直接影響著流動信號的統(tǒng)計特性，對獲得的氣液兩相流動體系中的常規(guī)信號如局部空隙率、壓力、壓力降、電導率、電容等信號在幅值域上進展統(tǒng)計處理，往往可以實現(xiàn)對流型、流量、空隙率和氣泡直徑等參數(shù)

34、的檢測估計。瓊斯等對*射線空隙率計得到的空隙率信號進展了概率密度函數(shù)(PDF)分析，空隙率的概率密度函數(shù)P()用統(tǒng)計值域P()代替 P()=其中為空隙率信號。(t)的值落在與+之間信號段長度的總和;T為用于統(tǒng)計分析的空隙率信號(t)的總長度。實驗結果發(fā)現(xiàn)，PDF可用于辨識氣液兩相流的流型。流型與空隙率的PDF之間有以下關系泡狀流: PDF在低值上有一個單峰;環(huán)狀流: PDF在高值上有一個單峰;彈狀流: PDF分別在低值和高值存在一個單峰。Vince等進一步用空隙率PDF的方差來進展流型判別。歌等發(fā)現(xiàn)氣泡流到彈狀流的轉換可以在空隙率信號PDF的形狀上得到較好的反映。Elkow等, Lowe等應用

35、空隙率的PDF對微重力下的氣液兩相流流型進展識別。通過空隙率信號實現(xiàn)流型識別是比較可靠的方法之一，但獲取空隙率信號并不容易。應用壓力降信號的幅值概率密度分布進展氣液兩相流的流型判別是應用較多的方法之一，主要應用于垂直管流型的判別。在垂直管道上，取一定管段的差壓信號，這個差壓反映了該管段上氣液兩相流的體積含氣率。對不同的流型，含氣率的概率分布有明顯區(qū)別，據(jù)此可以判斷出流型。以差壓信號代替空隙率信號顯然比較簡單方便。但壓力降的大小及變化程度不僅與空隙率有關，還與壓力、流速等關系密切，因此在應用中應對此加以考慮. 利用測得的氣泡直徑的PDF亦可用于進展氣液兩相流流型的判別。在一定流型工況下，氣泡直徑

36、大小分布具有一定的統(tǒng)計規(guī)律。泡狀流時，氣泡直徑服從高斯分布且其均值遠小于管道的當量直徑;環(huán)狀流時，氣泡直徑同樣服從高斯分布，但其均值遠大于管道的當量直徑;彈狀流和波狀流時氣泡直徑的概率分布具有雙峰性，每個峰呈現(xiàn)為近似的高斯分布，由于這種識別方法以氣泡的物理表現(xiàn)為依據(jù)，因此對流型的判別比較可靠。但氣泡直徑的測量比較困難。應用概率密度函數(shù)方法時，需要進展較大量的運算比較。2.4.4其他方法除了以上信號處理方法以外，在氣液兩相流流型識別中，也有研究者應用了模糊信息處理、模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡和分形等近年來開展迅速的現(xiàn)代信息處理方法。例如，應用模糊數(shù)學理論對垂直氣液兩相流的管壁壓力降波動的概率密度分布

37、進展處理，建立流型的模糊判據(jù)，使流型的在線判別成為可能。也有人基于兩相局部軸向壓差信號的統(tǒng)計分析，由信號的概率密度函數(shù)和功率譜密度函數(shù)的數(shù)學特征構成特征向量組，由原始信號建立自回歸模型，構造海灣統(tǒng)計評判函數(shù)，在最小誤差概率條件下，確定氣液兩相流的流型。林等利用管道壓力信號的相關特征對彈狀流進展識別。Mi等以反映空隙率變化的阻抗作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入，實現(xiàn)對于水平管和垂直上升管中流型的識別。還有些研究者從分形角度來認識氣液兩相流體系，從而產(chǎn)生了流型識別的分形方法。如Kozma認為，對于溫度波動信號，分形維數(shù)的標準差可以較好的反映流型特征，相應也產(chǎn)生了流型識別的分形方法。值得注意的是，有些研究者綜

38、合應用一些現(xiàn)代信息處理技術，從多相流體系的常規(guī)信號提取流型特征，實現(xiàn)流型判別。如吳浩江等對管段差壓信號利用小波分解重構方法進展去噪處理后，應用分形理論提取特定流型對應的特征向量，用于訓練人工神經(jīng)網(wǎng)絡，實現(xiàn)了對油氣水水平管流流型的自動識別。2.4.5流型在線間接識別方法評述由于氣液兩相流動過程參數(shù)的規(guī)律性呈現(xiàn)為統(tǒng)計意義上的規(guī)律性，因而在在線流型識別中所應用的信號處理方法大多為隨機信號處理方法。具體所涉及到的技術包括譜分析、幅值統(tǒng)計分析、分形分析、模式識別、模糊信號處理和神經(jīng)網(wǎng)絡等具體技術。應用信號處理技術進展流型識別需要兩個條件。(1)正確快速地獲取信號，這個(些)信號的*些統(tǒng)計特征與流型之間有

39、確定關系。(2)考慮到實際應用中進展流型識別往往有實時性的要求，因此需對被測信號能實現(xiàn)快速處理。事實上一方面通過理論和實驗的大量研究，人們己經(jīng)發(fā)現(xiàn)了兩相流動參數(shù)與其他參數(shù)的隨機波動之間的*些實質(zhì)性聯(lián)系。同樣，兩相流體系參數(shù)隨機變化的信號中載有流型的信息。這就使得通過對兩相流動常規(guī)信號的處理獲得流型的信息成為可能，當然，繼續(xù)深入探索這兩者之間的關系將為利用信號處理技術實現(xiàn)流型在線識別提供堅實的理論根底，因而是很有必要的。另一方面，現(xiàn)代電子技術、計算機技術及信號處理方法的開展，提供了快速處理隨機信號的理論根底和技術條件。在氣液兩相流動體系中，壓力或差壓是比較容易獲得同時也是最重要的參數(shù)之一，壓力或

40、差壓的測量已有許多成熟的方法和手段，其傳感器是數(shù)量最大，品種最多，在工業(yè)部門中應用最廣泛的傳感器之一在流動過程中，大多數(shù)壓力或差壓測量的目的是用于了解壓力損失，測量流量以及掌握其它流開工況，比較關心的是靜態(tài)值，對于其中的脈動信號則視為噪聲。而正如前所述，在這種脈動中往往蘊涵許多流動體系中其它狀態(tài)的信息。許多學者已注意到這一點，并在氣液兩相流流型識別得到應用。第三章 水平管氣液兩相流流型及其轉換特性研究3.1引 言近幾十年來，國外對氣液兩相流動問題開展了廣泛深入的研究，取得了一定的進展，但尚有假設干理論不夠完善，特別是關于流型的劃分和流型轉換特性等方而有許多問題還未能取得共識，許多工作還有待于深

41、入研究。為此本節(jié)以空氣水為工質(zhì)，對水平管氣液兩相流流型和轉換規(guī)律進展了研究。3.2試驗設備和方法 圖3.1 空氣水兩相流實驗系統(tǒng)1水箱；2水泵；3水旁路；4水流量計；5壓力表； 6空壓機；7穩(wěn)壓器；8氣旁路；9測溫點；10混合器；11實驗段；12別離器；13空氣流量計全部試驗是在空氣水兩相流試驗臺上進展的，如圖3.1所示。其運行流為: 儲存在水箱中的水經(jīng)水泵送入試驗系統(tǒng)，經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量后，通過水轉子流量計側量流量，空氣經(jīng)空壓機加壓后送入試驗系統(tǒng)，經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量后，通過空氣轉子流量計測量流量，空氣和水經(jīng)流量計測量流量后進入氣液混合器，混合成兩相流體，然后經(jīng)管路進入試驗段進展兩相流動測

42、試，從試驗段出來的氣水混合物經(jīng)氣液別離器別離后，空氣排空，水重新注入水箱循環(huán)使用。試驗段采用323有機玻璃管制成，試驗段兩端采用環(huán)室取壓，兩取壓點距離1500mm，壓差采用差壓變送器測量，差壓變送器將差壓信號轉換為電信號，用毫安表測量，再通過轉換將電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘?，接于函?shù)記錄儀記錄壓差波動信號。試驗條件如下: 工作壓力P 00.6MP空氣流量Q040 m/h水流量Q 04 m/h溫度t 16223.3試驗結果及分析3.3.1流型圖 本文流型的鑒別采用目測法和差壓波動法相結合的方式。壓差波動法鑒別流型的根本原理是:氣液兩相流動時，兩相之間存在復雜的質(zhì)量、動量和能量交換，使得局部區(qū)域流動構

43、造不斷發(fā)生改變，這一情況在兩相壓力上充分表達出來。流型不同，兩相流動擾動度不同，因此當不同流型的兩相流體流過壓差側量段時，就會得到不同的壓差波動信號，用壓差波動信號法判別流型正是利用這一特性。 圖3.2 氣液兩相流流型圖S分層流型區(qū) *波狀分層流型區(qū)I間歇狀流型區(qū)A環(huán)狀流型區(qū)B細泡狀流型區(qū)不可分辨區(qū)試驗結果表示在以兩相折算流速為坐標的圖3.2上，該圖分為五個區(qū)域，分別是分層流型區(qū)，波狀分層流型區(qū)，間歇狀流型區(qū)，環(huán)狀流型區(qū)和彌散狀流型區(qū)。各流型間轉換并非突變，而是存在過渡區(qū)，在圖3.2上用斜線表示過渡區(qū)。分層流型出現(xiàn)在較低的兩相流率下，該流型出現(xiàn)圍較窄，兩相折算流速稍有增大，即向波狀和間歇狀流型

44、轉變;出現(xiàn)分層流動時，假設保持液相流率不變，提高氣相流率到一定值后，形成波狀分層流型；出現(xiàn)分層或波狀流動時，假設保持氣相流率不變，提高液相流率到一定值后，就會出現(xiàn)間歇狀流型，本流型圖將泡狀流歸入間歇流，波狀或間歇狀流型條件下，增大氣相流量，由于慣性力作用，氣相將以氣柱的形式在管道中央偏上的區(qū)域運動，液相分散于管道四周形成液膜，該流動型式即為環(huán)狀流型，彌散泡狀流型出現(xiàn)較高的液相折算流速下，以氣相離散氣泡的方式分布在連續(xù)的液相中，當液相折算流速超過一定數(shù)值后，兩相流動將以彌散泡狀流型的形式存在。通過與傳統(tǒng)流型圖比較發(fā)現(xiàn)，該流型圖根本上能反映雙組分介質(zhì)流型的變化規(guī)律。3.3.2流型轉換特性兩相流動現(xiàn)

45、象十分復雜，影響流型的因素有許多，如物性、流動參數(shù)、流道形狀及位置等。由量綱分析，可以得到反映流型變化規(guī)律的無因次關系式: F=F(Re,Fr,/,ku) (3.1)其中： Re= ,Fr= , ku=,式中，液相密度，氣相密度，d管道徑， V氣相速度，外表力，液相動力粘度,氣相動力粘度，g重力加速度。顯然各流型轉換物理機制不同，上式中各無因次準則的作用也不一樣。有必要針對不同流型轉換的特點，找出起主導作用的準則，忽略次要因素，建立流型轉換的準則方程式。1.分層間歇流型轉換 從流型轉換的力學角度看，氣相慣性力、液相重力和外表力的綜合作用，決定分層間歇流型的轉換。顯然，氣相慣性力有助于界面波的產(chǎn)

46、生和開展，促使流型由分層向間歇流轉換;而液相重力和外表力抑制界面波的開展，不利于流型由分層向間歇流轉換。其中外表力對小管徑(d 10 mm)以下的轉換有明顯的影響，但對其他尺寸的管道影響很小，這里不考慮外表力的作用。由上面的分析，可以確定代表分層間歇流型轉換的主要無因次準則有: Fr：反映氣相慣性力的影響，:反映兩相相對運動的影響。分層間歇流型轉換關系式可表示如下:F=F(,Fr) (3.2)2.間歇環(huán)狀流型的轉換氣相慣性力在促使流型由間歇向環(huán)狀流轉換中起主要作用，而液相重力阻礙環(huán)狀流的形成，此外，外表力、液相粘性力對環(huán)形液膜的形成也有影響，然而威爾斯曼發(fā)現(xiàn)粘性力對于環(huán)狀流形成影響不大，故反映

47、間歇環(huán)狀流型轉換的主要無因次準則有: Fr,和ku其中ku是考慮兩相密度差和外表力的影響。流型轉換關系式可表示為:F=F(Fr,ku,) (3.3)3.向彌散泡狀流轉換彌散泡狀流型發(fā)生在液相流速較高的區(qū)域，當液相湍流雷諾應力抑制促使氣泡上升、團聚的浮升力時。發(fā)生向彌散狀流型的轉換。引入無因次準則T:反映作用在氣體上的湍流作用力和浮力比,S:表示外表力和浮力的影響。其中： T= (3.4) S=則向彌散狀流型轉換的關系式可表示為:F=F(T,S) 4.平滑分層流向波狀分層流的轉變在氣液兩相分層流動中。氣液兩相均勻連續(xù)相，氣液界面存在著兩種型態(tài)，即平滑分層界面和波狀分層界面。這兩種分層流動構造的壓

48、力降和截面相份額有著明顯的區(qū)別。在平滑分層流中。當氣相速度增加到足夠在界面產(chǎn)生穩(wěn)定的波而又不至于發(fā)生向間歇流和環(huán)狀流轉變時，波狀分層流就出現(xiàn)了。根據(jù)前人的研究結果，系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要受三種影響因素控制，即重力、外表力和氣液界面的相對速度。重力項在分層流中起穩(wěn)定作用;外表力由于具有保持流體外表積最小的性質(zhì)，而平滑的界面具有最小的外表積，因而也總是起穩(wěn)定作用;相對速度這一控制因素反映了伯努利定理中的壓力的影響，它有促使波產(chǎn)生和增長的作用。是一種不穩(wěn)定因素?？烧J為外表力對波的初始產(chǎn)生有重要作用，隨著氣相速度的增加，氣相與外表力共同作用在氣液界面上，使氣液界面發(fā)生變形，在隨后的過程中，變形了的界面在外表

49、力效應和伯努利效應的共同作用下。維持著波狀分層流的繼續(xù)和開展。綜合上述分析，引入以下無量綱準則數(shù): F= (3.5) We=(3.6)式中F修正的佛羅德數(shù);氣相密度;油相密度; U氣相折算速度;U油相折算速度; g 重力加速度;d管子直徑; We油相韋伯數(shù);外表力系數(shù)。圖3.3平滑分層流向波狀分層流的轉變修正的佛羅德數(shù)F為氣相慣性力和重力之比，它反映氣相慣性力抑制液相重力維持波狀分層流的特性，同時氣相慣性力的大小亦反映氣相速度的大小，所以，這一項也就是表現(xiàn)了伯努利效應的大小。外表力對波狀分層流轉化的影響則以油相韋伯數(shù)來表示。于是，從平滑分層流向波狀分層流轉換邊界曲線的準則方程式可以表示為:f(

50、F,We)=0(3.7)利用上式，通過對試驗數(shù)據(jù)進展回歸分析，得到水平管波狀分層流形成的準則關系式如下: F=0.37We (3.8)即： =0.37 (3.9)式(3.9)與試驗結果的均方根誤差為0.162，相關系數(shù)為0.988。由式(3.9)可以看出，管子的直徑對波狀分層流的形成也幾乎沒有影響。圖3.3中分別以無量綱量F和We、折算氣速U和折算油速U。為坐標給出了平滑分層流轉化為波狀分層流的試驗結果。5.分層流向環(huán)狀流的轉變在實驗過程中觀察到，分層流轉變?yōu)榄h(huán)狀流之前，氣液界面都已形成了波，即環(huán)狀流是由分層流中的波狀分層流轉變而來的，在試驗中觀察到對于波狀分層流，在其向環(huán)狀流轉變之前，保持液

51、相的流量不變，增加氣相的流量，液膜有沿管壁向上蔓延的趨勢，且液面波的波幅、波長減小，原先跨度很大的波演變成多個間隔均勻的微小波，隨著氣相流量的繼續(xù)增大，液相開場沿管壁兩側以液膜的形式向頂部蔓延，直到兩側的液膜在管頂集合，形成一層很薄的呈波紋狀沿管頂軸向前進的連續(xù)液膜，至此分層流向環(huán)狀流的過渡完成。由于所用的液相介質(zhì)為油，其顏色為暗黃色，轉變發(fā)生時氣液兩相的流速都相對較低，因而從透明的有機玻璃管中能夠清楚地觀察到以上過程。環(huán)狀流由分層流轉化時的力學特征都可描述為氣相的慣性力抑制液相的重力，這一點有助于對試驗數(shù)據(jù)的整理和其轉化準則的提出。 采用修正的佛羅德數(shù)和液相韋伯數(shù)來關聯(lián)試驗數(shù)據(jù)，修正的佛羅德

52、數(shù)表示氣相慣性力與液相重力的比值，液相韋伯數(shù)中含有外表力項，用以表示形成環(huán)狀流時液相對管壁的附著力與外表力共同作用所引起的附壁特性。在一些文獻中以庫德拉澤數(shù)來反映外表力的影響，但本試驗用其得出的關聯(lián)式與試驗數(shù)據(jù)之間的偏差較大。由試驗數(shù)據(jù)得到波狀分層流向環(huán)狀流過渡的關系式為:F=2.94We (3.10)式中 F修正的佛羅德數(shù)。即：=2.94 (3.11)式(3.11)與試驗結果的均方根誤差為0. 41，相關系數(shù)為0. 93，與試驗結果的比較見圖3.4。圖3.4分層流向環(huán)狀流的轉變第四章 垂直管氣液兩相管流4.1垂直上升管泡狀流壓力波動的多尺度分析氣液兩相流是一個復雜的非線性動力學系統(tǒng)，深入的研

53、究氣液相界面非線性動力學特性和規(guī)律具有重要的根底科學意義。由于氣、液相界面的變形和運動等原因，使兩相流動與傳熱過程表現(xiàn)出典型的隨機性，采用數(shù)理模型預測的方法十分困難，目前尚未有明顯的研究進展。統(tǒng)計方法在分析壓力波動規(guī)律中得到了充分應用，但是這些建立在平穩(wěn)隨機過程基上的統(tǒng)計分析方法反映非線性本質(zhì)的作用有限?；诜蔷€性理論研究波動過程是今后開展的一個趨勢，也是多相流熱物理學科的一個方向。在非線性研究方法中，確定性混沌理論已經(jīng)得到了較多應用。壓力或壓差或含氣率信號的關聯(lián)維數(shù)、墑、Lyapunov指數(shù)等特征分析對提醒兩相流非線性動力學規(guī)律方面有很大促進。4.1.1均勻泡狀流壓力波動的單氣泡分析兩相流壓

54、力波動時由于氣泡運動的動力學效應和流道系統(tǒng)的影響，流道系統(tǒng)的影響(泵、節(jié)流件、彎頭等)表現(xiàn)為白噪聲或倍頻噪聲，有多種濾波技術可以去掉這類噪聲，本文重點討論動力學效應，主要包括:(1)氣泡的運動對壓力場的影響;(2)氣泡的誘導湍流以及液相湍流。1.單氣泡運動對壓力場的影響 理想條件下，假設球形氣泡，半徑是a，氣泡是不可壓縮的，氣泡不旋轉，氣泡周圍液相的運動是無旋和軸對稱的。因此容易得到氣泡周圍的速度勢函數(shù)的分布規(guī)律:=Vcos (4.1)圖4.1垂直管單個氣泡運動時的壓力壓差波動模型計算總速度的平方: V=V+V+V= V (4.2)相對距離/mm(a)相對距離/mm(b)圖4.2 壓力和壓差波

55、動過程以無窮遠處的運動狀態(tài)為基準(p,v=0)，根據(jù)伯努力方程，速度V所對應的壓力為: P=P-V= P-V (4.3)忽略管壁對氣泡運動的影響，得到影響壓力(壓差)波動的幾個因素:氣泡周圍液體密度、氣泡直徑a、氣泡運動速度V、氣泡與測點的距離r,及夾角。壓力波動幅度隨氣泡直徑和氣泡運動速度的增加呈指數(shù)形式快速增加，但波動幅度和氣泡與測點之間距離的高次方呈反比。 設管道直徑D=0.05 m，氣泡半徑為0.002m，氣泡運動速度V=1.5ms，液相密度998kgm。沿直管流動方向布置了4只壓力傳感器，見圖4.1。以P所處截面為基準面0，其它壓力傳感器與P的距離分別為0.5D、D、5D。氣泡與管壁

56、的垂直距離為0.2D，計算結果見圖4.2,4.3。圖中*軸表示氣泡運動軌跡中相對0截面的無量綱垂直距離，負值表示氣泡位于0截面的上游。所有圖中的壓力波動過程均去掉了均值。(1)當測點位于氣泡運動的下游，壓力隨氣泡的接近逐漸升高，在氣泡的中心到達測量截面之前到達最大，在氣泡的中心到達測量截面時壓力到達最小;(2)壓差波動過程與壓力成反相特征;(3)壓差波動周期和兩個測量截面的距離有關，隨距離增加而增加，而壓差波動幅度與距離無關。2.氣泡的誘導湍流以及液相湍流文獻根據(jù)單相湍流強度的試驗數(shù)據(jù)分析了液相湍流引起的壓力波動幅度的大小，該波動值要小于氣泡的運動對壓力場的影響。氣泡的存在影響了液相流場的湍流

57、構造和湍流尺度，液相湍流的變化反之也影響氣泡的運動，這個相互作用關系是非線性的。氣泡誘導湍流的強度與液相流速和含氣率的大小有關，對低含氣率泡狀流或低流速泡狀流氣泡誘導湍流更顯著，但高液速流動時氣泡對湍流的抑制作用加強。Liu T J和Bankoff試驗研究說明，氣泡誘導湍流強度在低液速近壁區(qū)為0.15，在高液速近壁區(qū)為0.35。根據(jù)=1/2可以計算出氣泡誘導湍流所引起的壓力波動幅度，此值在低液速下同樣小于氣泡的運動對壓力場的影響，在高液速下大于氣泡的運動對壓力場的影響。4.1.2泡狀流壓力波動的試驗結果實驗段為由透明有機玻璃管制成的垂直上升管，徑為0.05 m。壓力信號由0.2級精度響應頻率1

58、 kHz的壓阻式壓力變送器測量，采樣頻率為500 Hz。折算液速為0.54 ms、1.00 ms 、1.50 ms。圖4.3是液速1.50 ms、含氣率為0.011的壓力信號(去掉了均值、光滑自回歸濾波處理)及其FFT譜。泡狀流具有類周期性的流動的特點，局部最大能量對應的頻率在1Hz、5 Hz和7Hz等，并且能量依次遞減，因此泡狀流壓力波動的信息具有多尺度的特點。頻率/Hz圖4.3泡狀流壓力波動及其FFT譜經(jīng)過無量綱處理后，壓力波動的均方根隨含氣率的增加而增加，但增幅不大，液速的影響很顯著，液速增加，無量綱均方根減小，由機理分析可知這是湍流強度增加所致。泡狀流壓力均方根可由下面的無量綱經(jīng)歷關聯(lián)

59、式預測:=10Rea(4.4)含氣率采用Zuber-Findlay公式計算。4.1.3泡狀流壓力波動的多尺度分析1.離散正交小波變換與統(tǒng)計分析小波變換具有時頻定位特性，它是函數(shù)f(t) (或信號)在小波函數(shù)系上的展開。對壓力采樣信號p(i): i=1,2,N, ,采用離散正交小波基，信號的小波系數(shù)為:W(k)= (4.5) 對不同尺度或j(j=1，2，M)，小波系數(shù)的長度為N/2。不同尺度上的小波逆變換為:P(i)= (4.6)對所有尺度的和即為原采樣信號。采用多分辨分析及重構算法和Daubechie小波基進展小波系數(shù)的求解，得到所有尺度上的小波系數(shù)序列。這些序列包含了原始采樣信號的從高到低的

60、頻率信息，每個序列都是一定頻率圍上原始信號的全部時間信息，因而多分辨分解是一種具有時一頻局部化特性的優(yōu)勢。傳統(tǒng)統(tǒng)計分析只能得到信號在時域或頻域的特征，無法提醒時頻域的規(guī)律。本研究對用信號的離散正交小波變換系數(shù)進展統(tǒng)計分析，即可以從時頻域?qū)毫π盘栠M展更加全面的分析。2.壓力信號的多尺度分解對壓力信號的小波分解發(fā)現(xiàn)，泡狀流壓力波動過程在不同尺度上表現(xiàn)為不同的特征，波動幅度隨尺度增加而增加，即在高頻區(qū)波動幅度最小，波動幅度隨頻率增加而減小。由前面的單氣泡模型及誘導湍流的分析可知，低頻區(qū)壓力的波動主要來源于氣泡的運動，高頻區(qū)壓力的波動主要來源于誘導湍流。氣泡的運動主要表現(xiàn)在壓力的低頻波動區(qū)。3.多尺