（测试计量技术及仪器专业论文）油品含水率在线测量系统的研究.pdf

浙江大学 | l 士学位论文 摘要 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的地位日 益重要，而多相流动体系中又以两相流动体系最为普遍。 本文从实际工程需要出发，查阅并继承了前人研究的理论成果，运用两相 流动基本分析方法，进一步对油品含水测量进行深入研究，结合当前成熟的计 算机技术，成功研制出将油品含水率测量系统。实验结果表明，本文介绍的研 究成果是有较大现实意义的。 本文的主要内容包括： l 、介绍了油品含水率测量手段的历史、现状，阐述了油品含水率测量意义。 2 、介绍了两相流的基本概念、两相流的基本方程及解析模型基本方程。 3 、深入研究了油、水两相流动因所处的流动条件不一而具有多种流动结构， 即流型。由于油、水粘度差异比较大不同的油水流动结构具有不同的流 变特征，油、水两相流型也就成了影响压降的重要因素。根据管内油、水 两相流流型特征，建立了新的油、水两相管流流型的转换准则。它包括： 分层流型的稳定性准则、分散流型和混合流型的转换边界及反相界线。 4 、研究了油、水混合物介电常数随油、水体积百分比的变化规律，以及变介 电常数式电容传感器设计原理及机械设计。 5 、详细介绍了油品含水率测量系统硬件、软件以及上位机设计过程。并给出 实验室测试结果，误差分析。 6 、介绍了本测量系统在实际应用场合高速轧机润滑系统中的应用，包括设备 安装，测试。 7 、总结了本测量系统的不足，为进一步研究者提供相关建议。 结果表明，油品含水率测量系统性能稳定可靠，精度能满足工程要求。具 有广泛的工程应用前景。 一一一 竺婪! 笪! 整! 塑! ! ! ! 坠圣! 受! 竺墨型型：! 竺! 坐型磐g ! ! ! ! ：生虫当! 尘塑 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，m u l t i p h a s e f l u i d s y s t e m sp l a ym o r e a n dm o r e i m p o r t a n tr o l e si nt h en a t i o n a le c o n o m ya n dp e o p l e s l i v e sa n dt h et w o p h a s ef l u i ds y s t e m sa r em o s t p o p u l a ri nt h o s em u l t i p h a s ef l u i d s y s t e m s t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fe n g i n e e r i n ga n da f t e rr e v i e w i n gt h ep r e v i o u s r e s u l t s ，t h ea u t h o rd e e p l yr e s e a r c h e sm e a s u r e m e n to fw a t e rr a t i oi no i l w a t e rt w o p h a s e ss y s t e mb a s e do nt h ep r i n c i p l e st oa n a l y z et w op h a s e sf l u i d w i t hp r e s e n t m a t u r ec o m p u t e rt e c h n o l o g yas y s t e mt om e a s u r ew a t e rr a t i oi n o i l w a t e rt w o p h a s e si ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e da n dt h ep r o c e d u r ei s w o r t hi n t r o d u c i n gh e r e a c c o r d i n g t ot h ed a t af r o mr e l a t i v ee x p e r i m e n t s f o l l o w i n g a r ei n c l u d e di nt h i st h e s i s ： 1 a b r i e f i n t r o d u c t i o n t o t h e h i s t o r y , p r e s e n t a t i o n a n ds i g n i f i c a n c eo f m e a s u r e m e n t o f w a t e rr a t i oi no i l w a t e rt w op h a s e ss y s t e m 2 ar e v i e wo f c o n c e p t s ，b a s i ce q u i t a t i o na n da n a l y t i cm o d e l so f t w op h a s e sf l u i d 3 t oh a v es t u d i e ds t r u c t u r e so fo i l - w a t e rt w op h a s e ss y s t e m 一- f l o wp a r e m s a c c o r d i n gt od i f f e r e n tf l u i dc o n d i t i o n s f o rd i s t i n g u i s h e dd i f f e r e n c eo fv i s c o s i t y b e t w e e no i la n dw a t e r , t h e i rf l u i ds t r u c t u r ef e a t u r e dd i f f e r e n tf l o w i n gc h a r a c t e r s a c c o r d i n gt o d i f f e r e n tf l o wp a t t e r n s ，an e wt r a n s f e r r i n g r u l ef o ro i l - w a t e rt w o p h a s e ss y s t e mf l o w i n gm o d e li np i p e si sb u i l ti ni n c l u d i n gt h es t a b i l i t yr u l ef o r s t r a t i f i e df l o w p a t t e r n s a n d t r a n s f e r r i n g b o r d e ra n d a n t i p h a s e b o r d e rf o r d e c o n c e n t r a t i n gp a t t e r n sa n d m i x t u r ep a t t e r n s 4 t oh a v er e s e a r c h e dt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n tc h a n g i n gr u l eo fo i l - w a t e rm i x t u r e w h e nt h er a t i oo fo i l w a t e rc h a n g i n ga n dt h ed e s i g np r i n c i p l ea n dm e c h a n i c a l d e s i g no fc a p a c i t o r s e n s o rw i t hd i e l e c t r i cc o n s t a n tc h a n g i n g 5 t og i v et h ed e s i g np r o c e d u r ei n c l u d i n gh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n ds u p e r v i s i o n s y s t e mw i t h t e s tr e s u l t sa n de r r o ra n a l y s i s 6 t os h o wa na p p l i c a t i o nc a s ei nt h el u b r i c a t i o np a r to f ah i g h 。s p e e ds t e e lr o l l i n g s y s t e mi n c l u d i n gi n s t a l l a t i o na n dt e s t i n g 7 t os u m m a r yd e f i c i e n c i e so ft h i sm e a s u r e m e n ts y s t e ma n d s u g g e s t i o n t o i m p r o v e i t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e a s u r e m e n ts y s t e mi ss t e a d ya n dr e l i a b l ea n di t s p r e c i s i o n c a l lm e e tt h e r e q u i r e m e n t o f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i t h a sr e a l a p p l i c a t i o n w o r t hi ni n d u s t r y 致谢 值此论文完成之际，衷心地感谢我的导师丁振荣老师、杨祥龙 老师在我的硕士学习期间给予的诸多关怀、鼓励和教诲。丁老师和 杨老师不仅教我治学之道，更授我为人之理。导师渊博的学识，严 谨的治学态度，活跃的学术思想，以及为科学和教育事业献身的精 神，将使我受益终生。谨此表示由衷的谢忱和敬意! 在两年多的研究生学习生活中，整个检测所浓厚的学术氛围， 严谨的科学态度使我受益匪浅，在此向检测所的潘家强教授、黄海 教授，以及陈汉良副教授表示深深的敬意! 感谢师兄江波，以及实验室的同学康娟、黄丹、罗子健、师妹 尉俊兰，师弟唐怀武。感谢杭州德泰仪器公司的黄小平总经理、王 俊先生及何雪雄先生的大力协助。本论文的完成与他们给予的帮 助和鼓励是分不开的。实验室轻松愉快的学习氛围和生活空间，以 及你们对我的帮助和关爱我将永远怀念! 特别要感谢我的父母，兄弟、姐妹，更有我的妻子等家人，他 们给予我在学习、生活、工作以及精神上的理解、关怀、支持与鼓 励，远非言语所能表达。谨此向他们致以最衷心的敬意和感激! 最后，我要感谢浙江大学对我的培养。“路漫漫其修远兮，吾 将上下而求索”。在今后的历程中，我将加倍的努力，牢记“求是 创新”的校训，做一个无愧于母校的学子! 陈卫民 2 0 0 4 年2 月 浙江人学硕士学位论文 1 1 课题概述 第一章绪论 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。 两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 的大漠扬沙，江河中的泥沙具下，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。在化工、石油、冶金、动力及原子能等工业中，两 相流动更是普遍存在。大量实例所反映的两相流涉及范围的广泛性及其应用 的重要性促使了两相流领域研究工作的迅速发展。但基于两相流体系情况极 为复杂，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， 首先要解决的就是两相流的检测技术问题，随着工业生产过程计量、节能及 控制要求的提高，对两相流参数检测的要求也就越来越迫切了。 由于两相流或多相流动比单向流动不仅流动特性复杂的多，且相间存在 着界面效应和相对速度，致使参数检测的难度较大。为此世界各工业发达国 家均做了大量研究工作。研究较多的测量方法涉及新技术：如辐射线技术、 激光多普勒技术、核磁共振技术、超声波技术、微波技术、光纤技术、脉冲 中子活性示踪技术、相关技术、流动成像技术等等，也有很多研究工作是应 用传统的单相流仪表和两相流模型进行多参数组合辨识而检测的。这些两相 流参数的检测技术和方法大都还处于实验室应用研究阶段，已商品化的工业 仪表为数还很少。可以说，两相流参数检测在国际上尚属一个急待发展的探 索研究领域。汹州 目前，油品含水率的测量主要在石油生产中广泛应用，事实上，在其他 大型机械制造行业中，常常需要用优质润滑油来润滑机器，机器在连续工作 时需要不断的进行润滑以使大型机器能长时间不问断工作。通常，大型机器 的润滑系统往往都是一个封闭的循环系统，润滑油处在一个周而复始的循环 之中，而对于某些行业( 如在钢铁行业的高速线材的轧制过程中) ，由于系统 处在高温的工作条件下，需要在外部用水进行冷却，在这个过程中不可避免 浙江大学硕士学位论文 的会渗入水分，随着油中水分的升高，其润滑作用减弱，结果将使轧机受到 磨损，严重时甚至损坏机器而导致停产。所以对油中水的含水量进行测量， 并进行实时监视是十分必要的。 油品中含水率的测量方法有卡尔费休法、蒸馏法、色谱法、电导法、微 波法等，这些方法有的工序复杂、费时费力、人为影响因素较多、精度低； 有的精度虽高，但结构复杂、体积大、价格昂贵，不适合在线的快速测量。 近年来，电容式传感器在近几年来得到快速的发展，这主要是因为：电容式 传感器结构简单，也比较容易加工。另外电容式传感器还具有动态响应好、 灵敏度高、能在恶劣环境下工作等优点。但是由于电容式传感器的电容量一 般很小，传感器的调理电路往往受到环境的影响( 如寄生电容等) 而难以实 现准确测量。 据市场调查，国外也有测量油品含水量产品，他们的产品功能多、技术 指标高，但价格昂贵，在我国的市场竞争力不强。国内也有生产油品含水量 测量设备的厂家，它们大都也是基于电容或电感的原理来做的，从它们产品 的功能、技术指标、技术方案等方面来看，和国外产品相比有较大的差距， 且成本较大。 另外，从应用场合看，国内外的油品含水率测试仪几乎都是针对于原油 含水率测试，成本较高，含水测试仪器销量小，售价高。而根据润滑油品含 水监控的实际情况看，该系统要求能快速实时反映含水变化，每个出油口都 要求有含水测试仪以及时反映对应哪个通道渗入水分，测量仪器数量较多， 对精度要求不是很高，而仪器价格则要求尽量低。 为迎接w t 0 的挑战，开发具有自主知识产权的功能强、性价比高、具有 强大市场竞争力的在线含水率测量仪，满足广大企业对润滑油品含水监控的 要求，具有重大的社会和经济效益。 1 2 国内外发展动态和现状 目前采用油品含水量测试方法有多种方法。但是适于在线测量的有电 容法、电导法和微波法等几种方法。 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 电容含水率计 应用于井下测量的电容传感器都是由表面覆盖绝缘层的金属内电极和 同轴金属外壳构成。但按工作方法不同，电容含水率计又可分为取样式( 集 流) 、自动取样式( 非集流) 、过流式( 集流和非集流) 等几种1 3 0 。这几 种电容含水率计的输入一输出关系、含水率测量范围、测量精度以及传感 器的适用范围也有显著差异。 取样式电容含水计目前广泛用于油田生产上，传感器的电容值和含水 率有良好的线性关系。该仪器的优点是含水率的测量范围宽( 理论上为0 1 0 0 ) 、测量精度一般为5 ，测量不受水矿化度的影响。其缺点是 不能实现随时间连续测量。自动取样式电容含水率计工作于非集流的状 态，仪器内部有取样室与流体连通。取样室很长，因此内部流体几乎不 流动，油水基本处于分离状态，传感器内部液柱与简内等高度的流体压 差相平衡，因此能直接感受筒内流体的密度变化。通过测量油水界面位 置即可确定含水率。传感器的电容与含水率为线性关系，实质上这是一 种压差密度计。含水率测量范围为0 1 0 0 ，测量精度可达3 ，测 量也不受水矿化度的影响。过流式电容含水率计的传感器结构与取样式 电容含水率计相同，但无取样装置。在油水泡状流型下，在集流状态下， 即使含水率接近于1 0 0 时，该仪器仍有显著的油水分辨力。传感器的 电容值与含水率的关系是非线性的，并且依赖于流速。在同样的含水率 下，流量越大，仪器响应越接近于全水值。在泡状流下，仪器的测量范 围为o 1 0 0 ，测量精度一般在1 0 左右。当流量足够大而使油水混 合充分均匀时，仪器将在含水率为4 0 左右失去灵敏度。这种仪器适用 于较低的流速。 1 2 2 电导含水率计 电导传感器具有结构简单、成本低廉、响应速度快等优点，因而在多相 流组分的在线检测中得到研究和应用。由于电极间电场分布的不均匀性，导 致传感器空间灵敏度分布的不均匀，因而测得的电导值不仅取决于流体的分 浙江大学硕士学位论文 相体积含率，也在一定程度上受流体状态所影响。 激 励 电 极 流体个 测 量 电 极 图l 一1 电导传感器示意图 电导传感器结构如图所示：它由安装在绝缘管道内壁上的四个圆环形不 锈钢电极组成。四个电极等距排列，外面一对作为激励电极，中间一对作为 测量电极，待测液体由环形电极的内部流过。测量电极做得尽可能薄，轴向 尺寸尽可能小，以减小对流场的影响。这样，尽管在激励电极附近电场分布 不均匀，但在测量电极处电场分布相当均匀。而且，由于两个激励电极之间 无电流流过，避免了双电层效应对测量的影响。 由电学原理可知，两测量电极间的电压幅度与位于传感器内部的流体的 电导率成反比。设测量电极间的电导在混相时为g 。，全水时为g 。，混相时 输出电压为v 。，全水时为v 。，o 。为混合相的电导率，o 。为水相的电导率， 贝4 有：v w 厂v m = g j g m = o m c w 一 ( 1 1 ) 反映混相电导率与全水电导率之比与连续相体积分数关系的两个常用公式 为： m a x w e l l 公式：o o 。= 2 ( 3 一p ) ( 1 2 ) 和b r u g g e m a n 公式：= p “2 ( 1 - 3 ) 式中b 为两相流中连续导电相的体积分数，在油水两相中为含水率。 1 2 3 微波含水率计 微波含水率仪在2 0 世纪8 0 年代9 0 年代研制出的一种测量仪。这种仪 浙江火学硕士学位论文 器因在高含水条件下的测量效果较好。微波含水率仪是利用高频电磁波的谐 振状态来测量原油含水率的【5 ”。高频电磁波在含水原油中传播时，其波长随 含水率的变化而变化，并引起谐振回路频率的变化，从而导致谐振回路和晶 振电路之间的谐振状态发生变化。仪器工作时，晶振电路产生频率不变的高 频电磁波。并进入谐振回路中。而谐振回路的固有频率是由探头天线周围介 质的特性决定的。当天线周围的介质为纯水时。谐振回路的固有频率与晶振 电路发出的电磁波频率相等，这时，电磁波在回路中引起谐振。检波后电压 值较高，而天线探头周围的介质为纯油时，谐振回路的固有频率与电磁波的 频率相差较大，回路处于失谐状态，检波后电压值较低。当天线周围的介质 为含水原油时电磁波在回路中既不处于完全谐振状态也不处于完全失谐的 中间状态。检波后的电压值也处于上述二者之间。实际测量过程中，由于受 仪器探测范围、仪器在流体环境中所处的位置、流体流速、混合流体的均匀 程度等因素影响，只有采用集流法测量，才能得到较为准确的测量结果。 1 3 课题研究的任务和内容 1 3 1 研究任务 本课题的研究目标是以在石油生产中以及有色冶炼过程中所涉及的“油 品含水率在线测量”进行进一步的研究；把当今最新的技术应用到含水率的 测量系统当中。研究油、水混合物的介电常数随含水率的变化，建立相应的 传感器模型，提高油品含水率的测量精度，并利用计算机网络技术实现多点 实时测量监控。 1 3 2 研究内容 1 、对油、水混合物介电常数随含水率变化的研究； 主要研究油、水混合物在流动中的状态以及介电常数随含水率变化的规 律。 2 、传感器的建模与设计： 为适合测量液态物系的含水量，设计合适的电容传感器。 浙江大学硕士学位论文 3 、信号处理及仪表抗干扰技术的进一步研究 通过传感器采集信号以后，进行信号处理，寄生电容、引线电容对信号 的影响，误差的数字化修正等研究。 4 、实现高速轧机润滑油在线测量的系统设计； 油品含水率测量的基本思路是：对于某种油品，其含水量不同，对应的 介电常数亦不同，利用这种油水介电常数数值差异的电物理特性，采用变介 电常数电容式传感器原理，可将被测信号的变化转换成电容量变化，再将电容 信号转换为电压信号，通过a d 采样和单片机处理即可测出油品中的含水量。 5 、现场安装技术研究 针对具体的工业环境，研究传感器合理的安装方法和部位。使研制出的 在线测量仪，对高线轧机润滑油系统进行有效的实时监测。 6 、多点含水率计算机实时监测系统研究 同时在不同的点进行含水率在线测试，将所有的测试结果都传送到计算 机上，进行实时监控。 浙江火学硕士学位论文 第二章两相流动的基本分析方法 2 1 两相流概述 两相流和单相流比较，多出一个相和相间界面。对于工程上的两相流动 问题，主要是研究其流动特性和传热特性。其中流动特性包括流速与流量、 流动参数及其相关性、流道及绕流体的阻力( 压降) 、相分布和相份额、流动 的稳定性、极限流动( 临界流) 等等。传热特性包括沸腾与气泡发生的规律、 蒸发与凝结、平衡与不平衡传热、沸腾临界状况与i 临界后传热、流道及流阻 件对传热的影响等等。 直到目前，两相流的研究，还是以实验为主。由于现象的复杂，影响因 素多，许多问题很难通过解析分析得出结论。近年来计算数学和计算工具的 发展，促进了两相流的解析分析研究。解析分析可以考虑更多的因素，可以 取得流场的局部特性，更确切地反映实际情况。但所取得的往往是离散的数 据，要想得到参数的关联，以便描述现象的规律，还需要进行相关的机理分 析和数据拟合处理，才能取得描述过程机理的关联式。 两相流动中，由于存在着一个形状和分布在时间和空间里均是随机可变 的相界面，而相间实际又存在着一个不可忽略的相对速度，致使流经管道的 分相流量比和分相所占的管截面比并不相等。因此，描述两相流动的参数除 描述单相流动的参数 t , 2 a 1 ，如速度、压力降、流量、温度等，在数量上要加倍 外，还要增加新的参数。其主要参数如下： 1 、流型 又称流态，即流体流动的形式或结构。两相间存在的随机可变的相界面， 致使两相流动形式多种多样，十分复杂。流型是影响两相流压力损失和传热 特性的重要因素。对两相流各种参数的准确测量也往往依赖于对流型的了解。 2 、分相含率 分相含率在气液两相流中又称空隙率或含气率；在气固两相流中又称空 隙度或含周率。各类两相流中的分相率都有一些不同的习惯术语。测知分相 含率就可知各相的分相含量。 浙江大学硕士学位论文 3 、速度 由于两相流动中相间存在相对速度，所以除了以混合流体的平均速度描 述外，还必须采用分相流速来表示。 4 、流量 根据采用的单位制不同，可以用容积流量或质量流量等表示。对各相流 量，可用分相容积流量、分相质量流量描述；对于两相混合物的流量，可用 平均容积流量和平均质量流量各种参数来描述。 5 、密度 在两相流动中，混合物的平均密度也是一个常用参数，可以由各相密度 和分相含率计算求得。 6 、压力降 压力降也是两相流动中的基本参数之一。混合物的两相流压力降与各分 相压力降间已建立了很多理论的、实验的和半经验的关联式。 另外，分散在两相流中的气泡、液滴、颗粒的尺寸及其分布：环状流中 的液膜流率、液膜厚度以及壁剪切力等也是描述两相流动的一些特征参数。 2 2 两相流基本方程 研究两相流动特性，不管是流道流动还是绕流流动都需要从建立流场 特性方程开始，用场特性方程关联必要的参数，由此达到所需参数的求解， 进而揭示其流动特性。和单相流一样，场方程即流场的质量守恒、动量守恒 和能量守恒，以及与三者相关联的结构式诺维司托克斯方程组。这种方 程组称为基本方程，根据需要，它可以是一维、二维或三维的。由于两相流 存在相间界砸，在界面上，介质参数存在急剧变化( 突变) ，于是在界面上便 存在参数或特性的传递，因此，两相流基本方程比单相流基本方程数量要多， 而且内涵复杂。尤其是气液两相流，相间变形和分散使界面本身成为不稳定 的，由此造成各种流型的变化，反过来这些变化又影响特性函数及基本方程 的变化。两相流基本方程到目前仍处在研究发展阶段。但是为了适应工程问 题的需要，也已形成了许多成熟的模型。 在讨论两相流基本方程之前，需要简述一下单相流特性方程口”，现取轴 浙江大学硕士学位论文 连续方程 挈+ 亟掣十上亟拿堕：0 ( 2 1 ) o to zr0 r 动量方程 罢+ 。挈+ ，宴：一g 一上罢+ 三导( 。，宴) ( 2 圳 o to zo rdo zrd ro r 能量方程。娶+ 。婴：一i _ 0 ( 酊婴) ( 2 3 ) 出o r，o r凹 式中，热扩散率口= k i ( c 。p ) ( m 2 s ) ；动量扩散率v = t p ( m 2i s ) ，对于湍流 情况v + = v + s ，口。= 口+ h 。，和h 为湍流扩散系数和动量扩散系数，“、v 为时 间平均流速。设a p & = o ，v “。另外，= g o 一工) n ( 】一口) 】， “，= g x i ( p ，口) ，则上式为： 一老一手一妒, p c o s o = g ：d l 黯去l 沼 煎爪隆m 南叫下= 軎b 分组胜 摩擦压降 监：监一2 r o 4 t o ( 2 1 6 ) d za 见d 瓞压降一誓娟2 鲁 糕杀 ”c z 郴， 重力压降 一_ d p g ：“g c o s 厅( 2 1 8 ) 可见两相流和单相流是相似的。 分相模型的能量方程，可推导如下：既然不考虑界面效应，只考虑每一相 的作用，则由热力学第一定律可知： q 一渺= d h + d ( u 2 2 、+ g s i n o d z ( 2 1 9 ) 其中，h 为混合物比焓：矿为对外做的功：q 为外界对体系的传热： d h = d e + d p 计d f ，这里p 为比热学能，f 为体系耗散功。将曲值代入前式，且 体系不对外做功，而d e + p d v = q 可得： 呻+ d f + d ( u 2 2 ) + g s i n s d z = 0 ( 2 - 2 0 ) 再对z 求导得： v 字+ 肇+ ；( 剃2 ) + g s i n 眺：o ( 2 2 1 ) 出比a z 或者：上车十车+ 车( n ：2 ) + g s i n 眺：o ( 2 2 2 ) 口a ga 2a 2 利用干度对动能进行加权，使“2 = x u 。2 + ( 1 一x ) “。2 ，并且： 浙江大学硕士学位论文 强2 州叫印= 等+ 舞簪= 蓦+ 慧辫 划高+ 黼 。2 3 再代入( 2 2 2 ) 式，可得分相模型两相流能量方程： 一上p 生d r2 竺d r + 里2 旦d r l 寿+ 巷茜睾p | + 列n 姚= o q 之。， 。 l a 2 以2 。( 卜口) 2 ，2l ”“ 于是，同样可以看到所得能量方程中也包括三个部分，即等号右侧第一项为 能量耗散部分( 它并不完全等于前面动量方程中摩擦压降所造成的能耗损 失) ；第二项为介质动能部分；第三项介质位能部分。如果在整个过程中，密 度p 不变( 工不变或等温流动) ，则将( 2 2 4 ) 式乘以p 可得： 一生d z = 户堡d z + 壁2 蔓d z i 南a2 p + 芒爵p 卜昭“n 跳- o q 之s ， 。 l。2 。( 1 一口) 2 ，2l 6 。 ( 2 2 5 ) 式类似于( 2 1 5 ) 式，因此，也可以根据此求得流道的压降。可以称 ( 2 2 5 ) 式右侧三项分别为摩擦压降部分、加速损失压降部分和重力压降部 分。 由以上推导可见，不管是均相模型还是混合后的分相模型，都没有反映出 界面效应。它们不能用来研究流场中的局部特性，而只能研究流动的整体特 性，或流道的对外效果1 1 1 6 1 。在工程中，有许多程序采用这种经验模型。使用 分相模型时，对两相流摩擦阻力系数和空泡份额还需建立结构式。 2 3 两相流解析模型基本方程 模型的建立是从每相的诺维司托克斯方程开始的r 2 ”。设为代表相的角 码( 女= 譬，) 。相的数目再多时，k 可取1 ，2 ，3 ，可以写出每一相的诺维 司托克斯方程组如下： 连续方程：孥+ v ( n ) = o ( 2 2 6 ) 动量方程：堡笋+ v ( p k 叶) = 一口( 以，_ t ) + a 矾 = 一v ( p ，) + v t + p 。g 浙江大学硕士学位论文 ( 2 2 7 ) 能量方程：警嘛+ 争冉k + 每卜吨+ vk n + t ) 】+ p 。g 。叱 ( 2 2 8 ) 式中，酢为相速度向量；见为相压力标量；，为单位张量；丁为剪应力张量： g 。为重力加速度相量：气为比热力学能标量。 在流场中除去k 相本身以外，还存在相间界面区，如果认为每一相区中， 介质特性和单相流一样时连续的，那么界面区在对每一相都不连续。为了描 述整个流场特性，不能不建立界面特性基本方程。与相特性相同，界面特性 是以界面区域内均一特性为基础的。界面区如图2 - 2 所示( 以两相为例) ，口，、 为界面区内两相的界面；一j 、一2 为d ，、口，的单位向量( 法向量) ；占一占，十 占，为界面总厚度和属于每一相的厚度，通常j ，= 占店n 为封闭端面的单位 相流；f 为封闭端面：f ，为i 和珥为的交线。 图2 - 2 两相流界面微元图 界面控制体即为i 和q i 所包围的体积u ；如果认为占很小很小，则n j 2 钠2 ， 对控制体k 的积分特性为： 丢f p a o d v = 喜。v k 虬一n 吼+ 瓦如一l r “一p p , + t p 倒j + f 一埘y 浙江大学硕士学位论文 ，( 2 - 2 9 ) 式中p 与为流场特性参数和流场体积源。界面基本特性方程也是三个( 质量 方程，动量方程和能量方程) 。对质量方程妒= 0 ，旷l ；对动量方程 妒= ”，= g ；对能量方程妒= p + “2 ，按不同情况决定。上式中r 为针对流 场特性的流出率( e f f l u x ) ；为相速度向量。把上式经过体积分与面积分的 变换( 雷诺变换与格林变换) 以及必要的简化，最后可得出三个基本方程。 通常在特殊但却合理的情况下，可将界面方程做如下的简化。假设6 = 0 ，则 质量守恒方程中移= 1 ，谚= 0 ，瓦= 0 ，则质量方程对v 的积分均为零。于是： 一乱叫搬k = o 鸭( 1 g - - u i ) p s 2 - - n i 叫，n g2 i 1 1 进行一维处理： ( ”e 一“，) b = ( l 一“) n ； 动量守恒方程式同样进行处理其中：p ，= q ，一：g ，瓦0 ， “g ( ”g 一1 - 1 i ) p g + p g f g = 甜l 。( l 一“) p l p l f i 能量守恒方程式中：仍= ( 咋+ ”。2 2 ) ，谚= g u i ，以= 吼一九坼+ f t ， ( “，一“) 户。( ，s + “s2 2 ) - u g p g + f g “g + g g = 一( “l 一“i ) 户i ( “l + “l 2 2 ) 一甜1 p l + r 】 j + 孽 此三个界面方程与前面六个( 两相) 基本方程耦合成为三组( 共九个方程) 来描述两相流场的基本方程组。如前所述，这三组方程是单独描述气相、液 相和界面的，它们是不连续的，不能直接求解。为了达到求解的目的，必须 把它们进行连续化，使其成为类似单相流体的连续方程组。所谓连续化，就 是用平均的方法，把方程改造成在一定的平均尺度内既保留原流场( 不连续 的) 的起伏变化特性，又表现出连续性。例如，图2 3 中，某个特性参数( 或 数组、方程，包括代数方程或微分方程) 妒在原流场中是不连续性的，如折 线a 所示。 浙江大学硕士学位论文 图2 3 两相流流场的平均 经过平均后，便成为口。这里的平均，可以按时间间隔进行，称为时间平均。 也可以按空间( 长度、面积或体积) 间隔进行，称为空间平均。不管是按时 间( t ) 或按空间( z ，a ，v ) 进行平均，其平均尺度a t ，az ( 或a ，v ) 的选取，都必须满足前面提出的原则，即在最大尺度内需保证平均后仍保留 原流场都不动特性( 比较a 与b 可见) ；在最大尺度内，要达到必要的连续 特性。尺度过大，平均后成为一条水平线，失去意义：尺度过小，仍保留原 流场的不连续的跳跃特性，都不能满足要求。如果把相方程用b k 代表，界面 方程用取代表，则以时间平均为例，平均后的特性方程应为： - _ 土i 以b , a t + 古，。b , d t = 0 c ：枷， 式中，a t 为时间平均尺度， ， k 与 a 归。为在，中k 相与界面的时间概率。 当a f 2 【a f 】k + ( a ，】s 时，此方程为单个相的特性方程。a ，2 f k + a r s 时，为两相流整体特性方程。 平均方法有欧拉平均法( 前面举例，即属此法) ，是最常用的方法。流场 坐标是以空间坐标与时间坐标描述的，即妒= 妒( 工，f ) 。对于拉格朗日平均法， 流场特性是以拉格朗目实质坐标( m a t e r i a lc o o r d i n a t e ) 与时间坐标描述的， 妒= p ( x ，t ) 。对于波耳兹曼平均法，则利用质点密度函数对特性进行统计加 权平均。 i 妒( 善) ，( x ，善，f ) 蟛 烈五”2 瓦丽矿 f ( x ， ，t ) a f f 为质点密度函数，为颗粒速度，它们受颗粒集中程度的影响。波 浙江大学硕士学位论文 耳兹曼平均法主要用在气固两相流和液滴分散气液两相流。般气液两相流 均使用欧拉平均法。欧拉时间平均、欧拉空间平均、欧拉时空或空时( 二者 等效) 平均是目前最常用的方法。 经过平均后的流场特性方程与相特性和界面特性不同之处，在于它多出 一些界面传递项，它的所有参量均属于平均尺度( t ，z 、a a ，a v ) 范 围内的平均值，而非局部值( l o c a lq u a n t i t y ) 。但如果平均尺度足够小，则平 均值液可以代表流场局部值，从而可描述流场实际特性。 经过平均( 以时间平均为例) 后，常特性方程组如下( 轴向一维) ： 质量方程： 型a t+ 三- 掣= e ， ( 妇，m 劲( 2 - 3 1 ) 塑堡垒丝! + ! 动量方程： 岔a 一1 堂皇盟 a臣 ( 2 3 2 ) ， q 五一导= 磁，( 培用2 s 2 ) j ( ，卅3 ) 昭喇+ 皋毋鲁( 础 = 职以+ 鲁r ：+ 鲁警+ 咏鲁警 能量方程：鲁慨魄一瓦p k + 譬，+ 去善t 岛啄z 心他+ - “t 2 - ) 卜 以幺吒= 霹+ 筹靠( 培，朋s 3 ) j ( 一，m3 曲，( ，卅b ) = 知+ r “+ 争p ：警一手鼽 峨2 ”尝一 式中，为界面质量传递【k ( s m 3 ) 】： 为界面动量传递( n ，m 3 ) ；层为界面能 量传递 j 代s m 3 ) 】：c ? 为摩擦周界( m ) ；q 为界面周界( m ) ：为壁面剪应力 n m 2 】；r ：为界面剪应力【n m 2 ；只( r w s 2 ) ，一般重力加速度； 群为 壁面外加热流密度( w m 2 ) ；g ：为界面热流密度( w m 2 ) r ? = 咖。虬2 2 = 钯虬2 8 ；c ? f ? a ，对圆管为4 f ；d ，或2 f ? r 。 m 鲫 也 浙江大学硕士学位论文 除上述六个方程外，还有三个界面传递方程。当界面厚度j = 0 时，界面 无质量，则界面传递方程为： 222 = o ，叫= o ，耳= o ；i = 1；t ( 2 3 6 ) 界面厚度占0 时，界面本身存在质量。此时，界面与相之间存在特性传递( 交 换) l ，m 。，e ，。 22 2 e l = o ，m ：一m ，= o , z e ；一e 。= o i = li t i= l ( 2 3 7 ) 通常情况下，可以认为6 = o 。l ，m 。，e ，为界面本身的特性存储，例如对动量 来说只是表面力。 如上所建立的两相流解析数学模型，称为二流体模型( t w o f l u i d m o d e l ) ， 共有九个方程，可以用来分析流场的局部特性。 第三章油、水两相流流型及流型 转换研究 3 1 油、水两相流流型研究 油、水两相流型是指油、水两相流动时在管内不同的分布情况，即流动 结构。油、水两相在管流时的存在形式有两种：分离流动和分散流动f 即相连 续和相分散) ，对于分离流具有界面波动问题。而对于分散流，又存在分散相 浓度分布的问题。两相之间有时还存在着滑差，这些都是构成油、水两相流 型的特征。油、水两相流动和气、液两相流动的根本差异在于：液、液的密 度差和界面自由能均比气、液小得多，而液、液界面的动量传递能力比气、 液界面大得多；另外，油水混合液中常常含有沥青胶质、环烷酸、脂肪酸等 多种天然乳化剂或人为加入的乳状剂，在流动过程中容易形成稳定的乳状液。 宏观上表现为：处于分离流型的油、水界面容易起波，油、水两相容易混杂， 出现分离流型的区域较小；乳化剂的存在使得油、水流型发展比较缓慢，流 型与油、水混合液在管道入i ：1 时初始的结构状态有着密切的关系。总的说来， 油、水两相流型的影响因素有：流体物性( 密度、粘度、界面张力) 、混合液 流速、含水率、管径大小和管壁的亲水性、管路倾角、油水的乳化情况等口州。 由于油、水乳化后能在较长时间内具有稳定的流动结构，这就给油、水两相 流型的确定带来了较大的因难。为了研究的方便，有的国外学者在油、水两 相流型实验中，对实验油品的乳化性有特殊的要求，t u l s a 大学要求实验油 品不具有乳化性，油水剧烈混合后、一旦静止放置能在1 m i n 内彻底分离。其 他研究者通常都选择不易乳化的油品来作为实验介质或降低实验流速来阻止 油水乳化1 5 , 6 , 7 】，如e g v i g n e a u x 的实验，最大混合流速仅为0 3 5 m s 。 3 1 1 流型的划分 油、水两相流型的影响因素很多，差异大。从已公开发表的油、水流型 实验来看，无论是流型的定义还是流型的划分都不尽相同。o g l e s b y 把实验得 浙江大学硕士学位论文 到的油、水两相流型划分成1 4 种流型。而r u s s e l l 、m a l i n o w s k y 等学者只划 分了3 4 种油、水流型。g u z h o v 、c o x 、t r a l l e r o 、n a d l e r & n e w e s 和v a i l e 等 学者都对水平管中的油、水两相流型实验研究做了不少工作。他们的实验管 径均在2 5 5 5i n 之间，油相一般为煤油、变压器油、精制矿物油、油水密 度比和粘度比均较小( 0 7 5 p o p 0 9 0 、1 3 0 ，f 0 p 2 0 0 ) 。直到 1 9 9 6 年t u l s a 大学t r a l l e r o 等学者在实验的基础上对水平管中油、水两相流型 的统一划分作出了初步尝试。实验中油、水分别由其单相管道经一个简单的t 形混合器流入一根长1 5 5 4 m ，内径为5 0 1 3 c m 的透明测试段，实验用的油、 水物性： 岛p ，= o 8 5 、心卢，= 2 9 6 ，油品清澈透明具有牛顿特性，它不 乳化也不和水相溶，还不具有挥发性。 在分析前人流型的基础上，t r a l l e r o 把油、水流型作了统一划分： ( 1 ) 分离流型：分层流流型；相界面上略有混杂的分层流流型； ( 2 ) 分散流型：水为连续相；油为连续相。 t r a l l e r o 等在流型实验时，油、水两相分别由单相管路输入，油、水流量根据 实验的具体要求可以连续调节，由一个t 形混合器进入混相测试管路。他们 对其它形状的入口混合器也作了实验，认为该实验系统的油、水两相流型取 决于混合流速和含水率，并在实验基础上提出了流型划分图。由于实验用油 的粘度较低，实验未能作出水包油核的环状流型【l ”。 3 1 2 油、水两相流型特征的影响因素 n ) 管径的影响 管壁效应随着管径的减小而迅速增大，从而对油、水两相流型的特征产 生影响。1 9 9 7 年b e r e t t 等就3 m m 内径的小管径中油、水两相流流型作了研究， 把流型主要分为三种：分散流、间歇流和环状流。其中间歇流又划分为段塞 流、泡状流和柱塞流三种。在分散流时，油以球形液滴的形式分散到连续的 水相中。随着油相入口流量的增加，油滴的尺寸、浓度也随之增大，从而产 生相应的聚集效应，此时流型开始向段塞流型转化。与t r a l l e r o 的实验流型相 比，小管径下的油、