（检测技术与自动化装置专业论文）垂直上升管内两相流旋涡脱落特性研究.pdfVIP

中文摘要 现实生活中，钝体绕流产生旋涡是一种普遍的现象。研究旋涡脱落的影响在 工程应用中主要有两个方面，一方面防止旋涡产生的振动对设施的破坏，另一方 面利用旋涡产生的振动反映管路流场的流动状态。涡街流量计正是利用这一原 理。旋涡的分离及涡街流量计对于单相流体的研究已经很充分，对于经常涉及的 气 夜油水两相流的相关研究很少。但在实际工况中，液体掺杂气体，蒸汽凝集 成液滴，油水两相混合的情况大量存在，这些都对旋涡的形成和检测有明显影响。 鉴于流体的对称性本文对涡街流量计在垂直上升管内两相流条件下的旋涡 脱落特性进行研究。针对有规则旋涡脱落的气液两相泡状流，没有规则旋涡脱落 的气液两相流和油水两相流三方面设计了实验方案，完成内容如下： 1 利用f l u e n t 软件成功对三维液相管流进行数值仿真，利用速度分布来研 究发生体附近旋涡的结构。 2 对气液两相泡状流进行研究，使用测量重复性作为判别旋涡是否规则脱落 的依据，得出含气率低于1 5 时流体是稳定的。 3 通过对各不确定度源的分析，得出频率分辨率是影响涡街流量计测量泡状 流的系统的不确定度中的主要因素。 4 运用e m d 能量熵和能量特征值方法相互补充成功进行了气液两相流型识 别，分辨出泡状流、弹状流和混状流。 5 对管内油水两相旋涡脱落特性进行研究，实验结果表明低含油率比低含水 率时测量误差小，通过文献与实验数据的对比，发现这一结果与流型的变化相关。 上述的研究证实两相流的旋涡脱落特性存在丰富的流场信息，可以为工程应 用奠定基础。 关键词：旋涡脱落；气液两相流；油水两相流；数值模拟；流型识别；h i l t a b s t r a c t i ti sac o m m o np h e n o m e n o nt h a tl i q u i da r o u n da b l u f fb o d yg e n e r a t e sv o r t e x e si n r e a l i s t i cl i f e t h e r ea r et w ok e yp o i n t st os t u d yt h ee f f e c t so fv o r t e xs h e d d i n gi nt h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s i nt h ef i r s tp l a c e ，i tc a np r e v e n tt h ev o r t e x - i n d u c e dv i b r a t i o n ， w h i c hc a nr e s u l ti nd a m a g et ot h ef a c i li t i e s o nt h eo t h e rh a n d ，v i b r a t i o ng e n e r a t e db y v o r t e xc a nr e f l e c tt h es t a t eo f f l o wf i e l d v o r t e xf l o w m e t e ri sp r o d u c e db ym a k i n gu s e o ft h i s p r i n c i p l e v o r t e xs e p a r a t i o n a n dt h er e s e a r c ho fv o a e xf l o w m e t e rf o r s i n g l e p h a s ef l u i dh a v eb e e ns t u d i e da b u n d a n t l y , w h i l ei t i sn o ta d e q u a t ef o rt h e r e s e a r c ho ng a s 1 i q u i da n do i l w a t e rt w o p h a s ef l o wi n v o l v e df r e q u e n t l y h o w e v e r ， t h el i q u i dm i x e di ng a s ，s t e a mc o n d e n s e dt od r o p l e t sa n do i l - w a t e rt w o p h a s e m i x t u r e sa l ea b o u n di na c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，w h i c hp l a ys i g n i f i c a n tr o l e si nt h e v o r t e xf o r m a t i o na n dd e t e c t i o n i nv i e wo ft h i sp a p e r ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fv o r t e xs h e d d i n gf o rv o r t e xf l o w m e t e r u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft w o p h a s ei nv e r t i c a lp i p ea r es t u d i e dd u e t ot h es y m m e t r yo f f l u i d t h ee x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e df o rt h es t u d yo fg a s l i q u i dt w o - p h a s eb u b b l yf l o w o fr e g u l a rv o r t e xs h e d d i n ga sw e l l a sg a s l i q u i dt w o p h a s ef l o wa n do i l - w a t e r t w o p h a s ef l o w o f r u l e l e s sv o r t e xs h e d d i n g t h e ya r ec o m p l e t e da sf o l l o w s ： 1 t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ft h ep i p ev o r t e xf l o wf i e l da r e p e r f o r m e du s i n gf l u e n ts o f t w a r e ，a n dt h es t r u c t u r eo f v o r t e xa r o u n dt h eg e n e r a t i n g b o d yi sv e r i f i e db ym a k i n gu s eo fv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n 2 g a s l i q u i dt w o p h a s eb u b b l ef l o wo fr e g u l a rv o r t e xs h e d d i n g i ss t u d i e d m e a s u r e m e n tr e p e a t a b i l i t yo ft h ev o r t e xf l o w m e t e rc a nb eu s e da sac r i t e r i o nf o rt h e s t a b i l i t yo ft h ev o r t e xs h e d d i n g ，a n di td r a w st h ec o n c l u s i o nt h a tf l o w i ss t a b l ew h e n v o l u m ev o i df r a c t i o no ft h eg a si sl o w e rt h a nl5 3 b ya n a l y z i n ga l lk i n d so fu n c e r t a i n t i e s ，i td r a w st h ec o n c l u s i o nt h a tf r e q u e n c y r e s o i u t i o ni st h em a i nf a c t o rt oi m p a c tt h eu n c e r t a i n t yo fb u b b l ef l o wm e a s u r e m e n t s y s t e m 4 t h em u t u a lc o m p l e m e n t a t i o no fe m de n e r g ye n t r o p ya n dv o r t e xe n e r g yr a t i o i su s e dt oi d e n t i f yt h ef l o wp a t t e r n ，a n db u b b l yf l o w , s l u gf l o wa n dm i x e df l o wa r e d i f f e r e n t i a t e ds u c c e s s f u l l y 5 t h ev o r t e xs h e d d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fo i l - w a t e rt w o p h a s ei nt h et u b ea r e s t u d i e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tm e a s u r e m e n te r r o ro ft h el o wo i l c o n t e n ti ss m a l l e rt h a nt h a to f t h el o ww a t e r c o n t e n t c o m p a r et ot h el i t e r a t u r ea n dt h e e x p e r i m e n t a ld a t a ，i ti sf o u n dt h a tt h er e s u l t sa r er e l a t e dt ot h ec h a n g e so f f l o wp a r e r n i ns u m m a r y , t h ea b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c hh a sc o n f i r m e dt h er i c hf l o wf i e l d i n f o r m a t i o ne x i s t i n gi nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t w o p h a s ev o r t e xs h e d d i n g ，a n di tl a y s t h ef o u n d a t i o nf o re n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：v o r t e x s h e d d i n g ，g a s l i q u i dt w o p h a s ef l o w , o i l w a t e r t w o 。p h a s ef l o w , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f l o wp a r e r ni d e n t i f i c a t i o n ，h h t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤童盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：社 签字日期：卸印年石月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞叁茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：沙明年6 月弓日 导师签名： 签字日期：劢卿年月弓日签字日期：劢叨年莎月乡日 l 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 涡街流量计概述 第一章绪论 流量测量作为工业测量的一个重要领域，与温度、压力、物位的测量并称为 检测中的四大参数，凡是需要有掌握流体流动的地方就会涉及到流量测量的问 题。由于提倡从粗放型生产转变为集约型生产，因此社会对流量测量更为关注。 目前流量计量主要应用于能源领域、环境保护领域、科学实验领域，其它在水利、 农业、管道输送、航天航空、军事领域也有广泛的应用。 流量测量有很长的历史，早在古代就有埃及人通过观测尼罗河流量来预报年 成的好坏。随着技术的发展特别是近4 0 年来的电子技术的进步，流量测量的方 法发生了巨大变化。由传统的流量计如孔板流量计、涡轮流量计、容积式流量计 发展到新技术流量计，例如超声流量计、流体振动型流量计等等。其中，涡街流 量计属于流体振动型流量计，是本课题的研究对象。 在自然界中，存在许多流体振动现象。例如旗帜在风中飘扬；野外架空电线 在风中发出嗡嗡声响；小溪流使水中的水草、禾苗、小树干频频摆动等，都是流 体振动现象的具体表现。在流体振动现象中，流体振动频率与流速之间存在着对 应关系。应用这种原理测量流量的仪表主要包括旋涡分离流量计常称涡街流量 计；旋涡进动流量计常称旋进旋涡流量计和射流流量计口1 。 早在1 8 7 8 年斯特罗哈( s t r o u h a l ) 就发表了关于流体振动频率与流速关系的 文章，斯特罗哈数就是表示旋涡频率与旋涡发生体直径、流速关系的相似准则。 人们早期对涡街的研究主要是为了防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与 流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。5 0 年代开始用于测量研究，如风速 计和船速计等。6 0 年代末开始研制涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测 法涡街流量计。7 0 、8 0 年代涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型检测法 的涡街流量计，如应力式、电容式、超声式、振动式、应变式、光电式和光纤式 等，并迅速大量生产投放市场，像涡街流量计这样在短短几年时间内从实验室样 机到批量生产的流量计还绝无仅有。基于涡街流量计的诸多优点口1 ，其在轻工、 食品、化工、石油、电力、冶金、城市公用事业等领域都得到了广泛应用。 本课题选取了涡街流量计中的一种典型类型应力式涡街流量计进行研究。应 力式涡街流量计又称为压电式涡街流量计，是涡街流量计的主要产品，占市场份 天津大学硕士学位论文第一章绪论 额的9 0 以上。目前工业上常用的应力式涡街流量计采用压电敏感元件将涡街流 量计旋涡发生体上受到的横向交变升力作用转换为电信号，再通过信号处理单元 从检测到的电信号中提取涡街频率，进而根据涡街频率与流体流量的关系得到被 测流量。 1 2 气液两相旋涡脱落特性的提出与研究 涡街流量计在工业测量中，经常在所测量液体的管道中有气体混入从而导致 被测量流体变成气液两相流。当气液两相流绕过旋涡发生体时，在满足一定条件 下，柱体后的尾流中会出现周期性的旋涡脱落现象，但是另一方面，气液两相流 绕旋涡发生体时不会产生规则的旋涡脱落，这两种状况下在本文统称为气液两相 旋涡脱落特性。 气液两相旋涡脱落特性的研究，始于2 0 世纪8 0 年代。因为不仅气液两相流 与被绕流主体之间存在复杂的相互作用，而且气相液相成分之间也会相互影响， 因此有关气液两相流旋涡脱落特性的研究，其难度很大。目前还处于探索阶段， 主要集中在两个方面： 一方面是通过实验研究两相流内部绕流钝体的旋涡脱落特性。 1 9 8 2 年，h u l i n 等人h 3 在垂直上升管中通过研究气液两相流绕流双梯形柱体 时斯特劳哈尔数与液相流量和截面含气率的关系，指出当截面含气率小于1 0 时可以得到稳定的卡曼涡街流动，且采用双柱体有助于增加涡街的稳定性。 1 9 8 6 年，i n o u e 和y o k o s a w a 等人针对单根圆柱体在垂直上升管中进行了一 系列气液两相流实验，观测了柱体直径与含气率变化对涡街流动尾迹的影响，测 量了柱体附近流场的局部含气率、静压和流速，获取了柱体表面周向压力分布并 据此计算出柱体受到的时均阻力，并且在泡状流情况下发现了与单相流相似的双 子涡川删。 s h a k o u c h i 等人分别于2 0 0 1 、2 0 0 2 年研究了气液两相流流过阻流比为1 3 、 长宽比为4 的单矩形柱体的特性，提出了涡街频率与压降、两相雷诺数的实验关 联式】，讨论了阻流比对涡街脱落的影响呻1 。 西安交通大学的林宗虎、李永光等人从流体力学的角度，对气液两相涡街脱 落特性及工程应用展开研究n n 妇n 2 儿”1 ：提出了气液两相斯特劳哈尔数的通用计算 式，研究了气液两相流绕流单柱体和管束时涡街的结构与力学特性。 2 0 0 7 年，浙江大学的孙志强研究了气液两相流绕流和气液两相流涡街尾流 中管壁压力的波动特性，并重点研究了涡街特性在气液两相流流动分析与参数检 测中的应用n 4 3 1 5 m 6 1 。 天津大学硕士学位论文第章绪论 另一方面研究主要是针对气液两相流场的数值模拟计算，这类研究主要依据 已有的两相流体模型和单相流提模型进行修正，同时考虑紊流的作用和气泡的影 响。 1 9 8 2 年，d r e w 等人较早在气液两相流动模拟中考虑紊流，采用混合长度理 论计算管内泡状流的含气率分布7 1 。 1 9 8 6 年，t h o m a s l c o o k 等采用双流体模型对垂直上升流中的气液两相绕流 矩形平板形成的涡街进行数值模拟，通过改变流道的长度和矩形平板的宽度，分 为四种流动形式，比较了这四种流动形式中气泡密度和气泡直径以及两个连续旋 涡的动量交换，对涡街特性进行了初步研究。 2 0 0 1 年，卢家才采用双流体模型对气液两相泡状流垂直向上绕流方柱引起 的交替脱落的旋涡进行了数值模拟，得到了来流含气率为口= 0 0 3 ，r e = 4 0 8 x1 0 4 时涡街脱落周期中流场和局部含气率变化图n 钔。 2 0 0 1 年，马昕霞采用商业软件p h o e n i c s 对气液两相涡街进行了数值模拟， 并通过实验测量了旋涡脱落频率嘲。 2 0 0 7 年，天津大学的贾云飞分别研究了泡状流和雾状流条件下，涡街流量 传感器的测量特性，并在雾状流条件下，通过对旋涡结构和涡街传递的机理性研 究，建立了涡街流量传感器斯特劳哈尔数随液相含量变化的数学模型乜。 1 3 油水两相旋涡脱落特性的提出与研究 油水两相流是多相流中的一个很重要的分支，它广泛存在在石油开采和运输 过程中。在石油开采过程中，地层的不同深度有水层和油层的存在，这就造成了 不可避免的二者的混合，在石油通过管道输送的过程中，通常油和水是以混合物 的形式输送的。 同样，油水两相流体流过涡街流量计时，柱体后的尾流中也会出现周期性的 旋涡脱落现象，称为是油水两相旋涡脱落特性。 虽然，油水两相流研究已成为国内外给予极大关注的前沿课题，但是，由于 两相流动的复杂性和随机性，致使其参数检测难度较大，至今在科学与工程领域 内尚未有效地解决。目前，将成熟的单相流量计应用于油水两相流量测量取得了 较大进展，例如：利用文丘里管基于差压法来测量油水两相流的流量胆羽、研究 c o r i o l i s 流量计在油水两相流流量测量中的应用【2 们等。 在油水两相流方面，有关旋涡脱落特性的研究很少。1 9 9 9 年，英国 h e r t f o r d s h i r e 大学的a e s k e a 瞳副在英国国家工程实验室( 简称n e l ) 的水平实验 管段上，就油或水中第2 相( 组分) 液体含量对八种常用单相流量计进行了流量 天津大学硕士学位论文第一章绪论 测量影响的实验研究。实验中选用了一台罗斯蒙特公司的d n l 0 0 口径涡街流量 计，文中只给出了该涡街流量计在油中含水和水中含油时的测量值误差结果，但 未对实验结果予以分析，而且实验中被测流量计为水平安装。 1 4 论文研究的内容 1 4 1 研究内容 由于旋涡脱落特性与其所在的流动状态密切相关，旋涡脱落特性能够在较大 程度上反映流体流动状况，因此，采用合适的涡街信号检测和处理方法，可以部 分实现对管内参数检测和流动状态分析。 本文主要从实验角度对气液油水两相流条件下旋涡脱落特性进行研究。对 于气液两相流，从两方面出发，一方面是在旋涡规则脱落的前提下对泡状流进行 研究，另一方面是在旋涡不能规则脱落的情况下从流型的角度出发进行研究。对 于油水两相流，主要对低含油率条件下旋涡脱落特性进行研究。各章主要内容如 下： 第一章绪论。介绍了涡街流量计的基本知识并介绍了两相流旋涡脱落特性 的研究背景。 第二章介绍了卡门涡街特性并进行了单相三维数值仿真研究。仿真主要是 对涡街流场剖面平均速度进行分析。 第三章介绍了信号采集方法，对实验条件和实验准备进行概述 第四章研究了泡状流下涡街流量计的旋涡脱落特性。从旋涡规则脱落的条 件，两相流量计仪表系数拟合和泡状流下涡街流量计不确定度的角度进行全面分 析。最后提出了用“涡街特性能量特征值检测管内流动状态是否为单相水。 第五章研究了基于旋涡脱落特性的流型识别方法。首先介绍了h h t 去噪并 与小波去噪进行比较，再使用统计量和h h t 参数来进行管内流型的辨识。 第六章研究了油水两相条件下旋涡脱落特性。对测量特性进行分析，并研 究了低含率相的影响，并从流型出发进行分析。 第七章总结和建议。对课题中所完成的各项工作进行了总结，并对本论文 工作的研究方向和进一步深入需要解决的问题提出了建议。 1 4 2 创新点 本论文创新点包括： 1 对管内涡街流场在单相流条件下的三维数值模拟，利用速度分布来研究发 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 生体附近的涡结构。 2 在气液两相泡状流的范围内，利用测量重复性来判断旋涡是否规则脱落， 并得出低于含气率1 5 时流体稳定。 3 对涡街流量计测量气液两相流泡状流系统的不确定度进行了评定，得出在 所有的不确定度源中，频率分辨率是影响不确定度的决定性因素。 4 在气液两相条件下旋涡不能规则脱落时，使用e m d 能量熵和能量特征值 相互补充对垂直上升气液两相流成功的进行了流型识别，分辨了泡状流，弹状流 和混状流。 5 在油水两相水包油条件下验证了涡街流量计测量不受组分影响的特性，同 时，实验结果表明低含油率比低含水率时的测量误差小，通过文献与实验数据的 比对，发现这一结果与流型的变化相关。 天津大学硕士学位论文第二章三维涡街特性单相仿真研究 第二章三维涡街特性单相仿真研究 对旋涡脱落形成涡街的研究，主要是从钝体绕流的研究开始的。钝体绕流是 流体力学中非常经典的研究课题之一。钝体绕流问题大量出现在实际问题中，如 风工程、海岸工程、化学工程、地面交通、航空航天等广泛领域中。而且绕流也 涉及流动分离、旋涡的生成和脱落、旋涡的相互干扰等许多问题，并对许多实际 工程问题也有非常重要的意义。这种分离流的重要特征是在尾流中出现周期性涡 脱落。 从1 7 6 8 年a l e m b e r t 提出绕物体流动“阻力绝对等于零的“疑题”开始， 钝体的研究已有2 0 0 多年的历史。s t r o u h a l 在1 8 7 8 年发现，空气流里一根金属线 产生的风鸣音调和流速被金属线除的商成正比。一年后，r a y l e i g h 发现，虽然并 不是金属线一定要振动才能产生这种音调，但是当旋涡脱落的频率和金属线固有 频率相重合并且诱发振动时，声响就会显著增加。后来，英国的m a l l o c k l 9 0 7 年 和法国的b e n a r d l 9 0 8 年分别观察到钝物体后面交错排列的旋涡，并对此进行了 研究。在1 9 1 2 年v o nk a r m a n 研究了涡街的形成和稳定性问题，从而得名卡门涡 街。 2 1 卡门涡街特性汹1 当流体流过曲面物体时，例如圆柱体，在圆柱表面上同样存在边界层，但此 时边界层外各处流速不像平板的情况那样都接近或等于来流速度，而是接近或等 于图2 1 所示的流过各截面的流速“、从、从。因而边界层外边界上各点 的流速应等于流体流过各截面的流速。一般规定，边界层外边界上各点的速度应 等于主流速度的9 9 。此时，在圆柱体等柱体上会发生一个重要的现象，即边界 层分离。在图2 - l 中，设来流的速度为，在前驻点a 处，流速等于零而压力最 大。当流体流过圆柱体时，边界层外流体的速度在点2 最大。根据能量守恒定律， 点2 的压力最小。所以，沿圆柱体表面的流动可以分为两个区域：第一个区域在 点2 之前，在此区域中沿流动方向速度渐增而压力则逐渐减小，到点2 时速度最 大而压力最小；第二个区域在点2 以后，在此区域中沿流动方向速度渐减而压力 则逐渐增高。因此，过了点2 以后，边界层内流体质点除了受摩擦力作用以外， 还有与流动方向相反的压力差的作用。 天津大学硕士学位论文第二章三维涡街特性单相仿真研究 一 广弓 _ 算4 、 图2 1圆柱体表面边界层的分离 边界层外的流体可近似认为是理想流体，因此没有能量损失。但是，在边界 层内由于摩擦力作用，流体不断损失动能。在点3 以前，只有壁面上的流速等于 零。在点3 以后，例如在点4 ，由于边界层近壁面处流体的动能消耗尽了，因而 在后端高压力的作用下，除了壁面上流体的流速等于零，近壁面处的流体也发生 停滞和倒流。边界层外流体由于没有动能损失，仍在向前流动，这样在此区域就 形成流体的旋转运动，即形成旋涡，使流体不再贴着柱体表面流动，而是从柱体 表面分离出去。柱体后面形成的旋涡不断将有用的机械能耗费为无用的摩擦热， 使旋涡区的压力降低，使之低于柱体前端的压力和旋涡区外面的压力。 当流体绕非流线型柱体时，旋涡分离会更加强烈，由于边界层的不稳定性， 使流动分离产生的旋涡有一定的规律。当雷诺数大于某一临界值以后，旋涡在柱 体的一侧形成并分离，另一侧就不可能形成旋涡，而只能为旋涡的形成和分离做 准备。只有当一侧旋涡离开柱体一定距离后，另一侧才可能形成旋涡，于是在柱 体两侧形成交替的、有规律的旋涡列，称为卡门涡街，简称涡街。 2 2 单相三维涡街流场仿真研究 目前，获得涡街流量传感器内部流场有两种方法，即通过实验的手段直接获 取流场内部信息和利用数值仿真的方法模拟出涡街内部的流场。直接测量的方法 直观反映了真实流场的流动特性，但其前期投资巨大实验条件要求高。采用计算 流体力学( c f d ) 技术对涡街流量传感器内部流场进行单相流的数值仿真逐渐增 多。 采用的是商用c f d 软件f l u e n t ，因其具有界面友好、自动化程度高、模 块功能强大、易于上手等特点已被广泛应用于各个行业中。近些年来很多流量计 的设计人员将f l u e n t 应用到流量计的开发、优化中来，既节省了开发成本又 天津大学硕士学位论文 第二章三维涡街特性单相仿真研究 缩短了研究的时间，并且收到了很好的效果。k o l p a t z i k ”1 、s e s h a d r i 和s i n g h 等人通过f l u e n t 对管道中流场的模拟，分别对温度传感器、阿牛巴流量计和 孔板流量计进行了优化设计。孙志强等人应用f l u e n t 计算软件对涡街流量 计流场进行数值仿真，结果与实测结果具有很好的一致性。天津大学流量检测实 验室在应用f l u e n t 进行涡街流量计研究方面做了大量的工作，取得了丰富的 研究成果。贾云飞”“利用f l u e n t 软件成功模拟出二维涡街流场，对涡衡流场 中压力场进行研究得出最佳检测位置。郑丹丹1 通过f l u e n t 对涡街流盘传感 器二维、三维流场差异进行了讨论并讨论了圆柱与梯形柱发生体的谒街流场差 异但并来对三维流场进行更深入的讨论。l 午多研究者的工作表明，利用f l u e n t 仿真能够较真实的反映流量传感器内部流场特性，通过仿真与实验相结合为流量 计研究人员提供了一条开发流量计的捷径。但是目前仿真都是为了与实验相比 对，对涡衡流量传感器涡街流场速度特性进行深入仿真的研究还很少。 本文对纯水相三维祸街流场进行了仿真研究。本论文希望通过f l u e n t 对 涡街流场进行敛值仿真对流场内部旋涡结构、分布情况、速度分布等信息有一 直观认识，更有助于对祸街流场的理解。 2 2 1 流场的涡街特性 首先对纯水条件下的管道内涡街流量计进行仿真研究 0 0 2 0 0 0 2 0 0 5o o0 5 譬 0 1 5o2o2 5 图2 - 2x - y 藏面网格分布圈 图2 2 为x y 截面网格分布图，可以清楚地看到旋涡发生体在整个管道中 相应的位置及x , y 轴分布。 豳为涡街流场中静压、动压、速度和湍流度等参数的分布情况。从圈中可以 看出旋涡从旋涡发生体两侧交替脱落形成涡街，分离点在梯形柱的锐边，卜。涡运 动都要经历一个产生、发展、成熟和衰退的过程。流体流过旋涡发生体后，旋涡 在向下游运动的同时，旋涡强度也逐渐由强变弱。相应地静压、动压、速度和 湍流度也都是在漩涡发生体附近较强，在向下游运动的过程中强度也连渐减弱。 显然，旋涡的周期性变化使流场内参数也箍之发生交替的波动。 天津大学硕士学位论文第二章三维涡街特性单相仿真研究 静压 动压 湍流强度 图2 - 3 涡街流场参数的数值模拟结果 2 2 2 流场平均速度的统计结果 在上面叙述中研究了三维涡街流场的涡的脱落过程，但是流场的平均速度对 不同涡结构的传递机理，特别是涡结构在近发生体区域的脱落有着重要的影响。 现进行详细分析。 图2 _ 4 为：= o 剖面流场的平均速度在x 不同的位置沿y 方向上的分布。 天津大学硕士学位论文 第二章三维涡街特性单相仿真研究 o 幡 o m ， ( a ) y 方向上流向平均速度分布图 m 厨也o ：- 0 0 i口o j l0 地o ， y ( b ) y 方向上横向平均速度分布图 ( c ) y 方向上展向平均速度分布图 图2 - 4y 方向上速度分布图 图2 - 4 ( a ) 为流向平均速度的分布图。在三维涡街流场中，在尾迹的边缘两侧， 由于发生体锐边造成的流动分离使流场的流向平均速度表现出非对称性。在贴近 旋涡发生体一侧的表面处，由于存在着壁面边界层，流向平均速度在达到一个最 大值后，迅速下降。并且在贴近发生体表面时，由于存在旋涡区，部分流体反向 流动( 回流区) ，使流速为负值，在发生体处变为0 。而在流体绕过发生体运动 时，在发生体表面附近，出现了边界层的脱离现象，同时在附近的流场中，流向 平均速度又增到了最大值。 图2 - 4 ( b ) 为流场横向平均速度的分布，从图中可以看出，在柱体的两侧，流 体的横向平均速度差别较大，符号相反。并且横向平均速度在发生体一侧达到最 大值的位置与流向平均速度极值点不同。这是因为当流体运动到近壁区时，由于 柱体的存在，横向平均速度突然被放大，达到最大值。而在发生体后侧的尾迹中 ( x = 0 0 1 4 ，x = o 0 2 8 ) ，由于产生了旋转方向相反的环旋流涡，此时横向平均速度 反而降低，随着流向长度的增加，横向平均速度最大值减小，并且峰值有略微的 提前。 天津大学硕士学位论文第二章三维涡街特性单相仿真研究 图2 - 4 ( c ) 为展向平均速度分布。从图中可以看出，在旋涡发生体前侧 ( x 0 0 2 8 ) 处，展向平均速度为o ，这是因为尾迹后出现了强大的环旋流涡， 因而大大加强了展向扩散，但是相对于流向和横向扩散来说，展向扩散的程度较 小，且展向平均速度没有丝毫对称性，而是在流场下游随着流场的逐渐稳定而呈 相似性分布。 图2 5 为z = o 时剖面流场的平均速度在y = o 沿x 方向上的分布。 o 。 o 鼻 o j 言 量0 2 , 袖 o 且 a 2 j - 0 船0 8 0o 坞o 1 00 1 5口丑蜡 ( a ) x 方向上流向平均速度分布图 o 邸o o 胚o 1 0d 幅0 卸n 5 x ( c ) x 方向上展向平均速度分布图 o 埔0 舯0 埔0 1 00 1 50 丑玑葛 x ( b ) x 方向上横向平均速度分布图 图2 - 5x 方向上速度分布图 图2 - 5 ( a ) 为流向平均速度的曲线，从图中可以看出，绕流流场的流向平均速 度沿流向方向上，在发生体的前侧，流向平均速度逐渐减小，并且越靠近发生体， 平均速度衰减的程度越大。在发生体后，由于柱体后存在回流区域，流体平均速 度继续降低，在达到最大的回流速度时，流体的平均速度开始逐渐增大，中间由 于涡结构的影响，出现了速度波动，最后稳定到接近来流速度。 图2 - 5 ( b ) 中给出了横向平均速度沿流向的发展变化。从图中可以看出，流体 的横向平均速度在发生体前侧减小，而在发生体后侧，由于涡结构的产生、发展 天津大学硕士学位论文第二章三维涡街特性单相仿真研究 和脱落过程的影响，横向平均速度有个跃升。之后，产生的流场涡结构在发生 体后交替脱落，并且旋转方向相反，使得横向平均速度也随之呈交替变化，并且 变化的幅度随着流向距离的增大而减小，这也进一步验证了涡的整个变化过程。 图2 - 5 ( c ) 中给出的为展向平均速度沿流向的发展变化曲线。从图中可以看出， 流体的展向平均速度在发生体前侧基本上保持不变，但在发生体近壁区，由于钝 体的存在，展向平均速度的变化最为剧烈，并且达到流场中的最大值。在发生体 后侧，由于涡结构的发展和脱落过程的影响，展向平均速度开始逐渐降低，然后 在流向方向上的变化逐渐减弱。与横向平均速度不同的是，展向平均速度变化最 为剧烈的区域为发生体后侧回流区域中。相比于横向平均速度，展向平均速度的 变化幅度较小。 2 3 小结 通过f l u e n t 对涡街单相流流场的数值模拟，对涡街流场剖面平均速度进 行分析，分析了流向、。横向、展向平均速度在旋涡发生体附近的分布，验证了发 生体附近的涡结构的特性。 天津大学硕士学位论文第三章两相流旋涡脱落信号采集 3 1 实验系统简介 第三章两相流旋涡脱落信号采集 实验是在天津大学油气水三相流装置上进行，它是一套功能比较完备的实验 装置，集实验与流量计标定为一体，不仅可以完成水平管、垂直上升下降管， 以及。一9 0 。内任意角度的上升管和下降管内两相流和多相流实验，还可以作为标 准装置，采用标准表法进行多相流流量计的标定工作。整个装置精度为05 级。 实验系统如图3 1 ( a ) 所示。 l l l ；羊，法。e ；i 。 i 、蓥 十下= 鑫蛰i l 堕划 h m o j 。? 吐= 蓥盏拳型# m k 齿9 乌o ( a ) 图3 1 三相流实验装置结构简图及涡街流量计安装实物图 该系统大致可分为介质源、标准表管段、混台管段、垂直实验管段及计算机 自动采集控制系统五个部分。标准表管段包括油、气、永三路共8 套调节和计量 醴c 一骚码。坐坚 天津大学硕士学位论文第三章两相流旋涡脱落信号采集 方案，各方案计量范围及精度如表所示 表3 1 标准表流量范围及精度 计量范围 计量精度 0 0 2 - 2 5o 5 水 l 一1 0 0 2 2 - 2 00 2 0 - 6 0 0 8 空气0 1 5 - 1 71 0 6 5 - 1 3 01 5 油 0 0 2 - 2 5o 5 1 1 0 0 5 实验所用的涡街流量计为一台国内广泛应用的普通应力式涡街流量计，内径 为d = 5 0 m m ，实物如图3 1 ( b ) 所示。涡街流量计安装于垂直上升测量管路上， 其前后直管段分别为2 5 d 和3 0 d ，并且涡街流量计前后管段为透明管用于观察 流型。实验用涡街流量计采用梯形体来产生绕流，该柱体的迎流面宽度为1 4 m m ， 轴向长度为1 7 5 m m ，阻流比为0 2 8 。 3 2 两相旋涡脱落信号的获取 3 2 1 信号采集系统 实验中利用图3 2 涡街信号采集系统。由于流体流过时会在旋涡发生体的 两侧交替产生旋涡，旋涡的产生会引起管道中压力场的变化，压力场的变化会使 传感器探头中的压电晶体产生电荷，电荷信号经电荷放大器进行放大，低通滤波 消除涡街信号中的高频干扰，输出的模拟信号由n i 6 0 0 9 数据采集卡进行采样并 输入计算机存储。 图3 2 涡街信号采集系统 天津大学硕士学位论文第三章两相流旋涡脱落信号采集 采样频率是实际测量信号过程中必须要确定的重要参数。通过对气液油水 两相流涡街波动信号的研究，频域分析结果表明，涡街波动信号的频率较低，在 本文实验范围内，频率成分一般密集于5 0h z 以下，因此时域和频域分析对采样 频率的要求不高。根据奈奎斯特定律，要将采样信号中的信号复原，采样频率必 须是信号最高频率的2 倍以上，在实际中还要有所提高。但是非线性分析如h h t 等要求采样频率不能太低，否则不能反映变化细节，同时采样时间也不能太短， 以满足反映动力学系统演化的需要。通过对油水和气液的实验过程的观察，油水 两相流流动过程中的动态波动要小于气液两相流的流动过程。设置油水采样频率 为10 0 0 h z ，气液采样频率为5 0 0 0 h z 。 实验采集到的数据样本必须能够完整反映两相流的流动状态。数据长度不足 会造成信息的丢失。在低压气液两相流中，液相的流速一般在每秒数米的数量级， 气体的流速一般为每秒几十米。在实验中，在一些低流速的流型如弹状流的情况 下，气弹的流速大约在几十厘米每秒，压力的传播不到1 秒。因此必须设定足够 的数据长度来反映完整的流动状态。本实验中取每组实验数据的长度为5 0 0 0 0 点，使数据具有足够的冗余。在进行数据分析的时候，每次取的数据长度为3 2 7 6 8 点，可以足够保证低流速情况下获得完整的信息。 3 2 2 实验装置中的噪声分析 1 振动噪声 装置的试运行期间存在比较强的振动，严重影响工况的稳定，经过分析，认 为气源、水源以及在流动中流体的相互作用是引起振动的主要因素。设备的振动 对实验的影响体现在两个方面： ( 1 ) 引起管道内流型结构发生变化，在低液相表观流速的情况下，振动会 促进气泡之间的聚合，引起空隙率在管道截面上分布的变化，这种变化使漂移通 量模型中分布系数升高。在表观液速高的情况下，振动会导致液相湍动性增强。 因此，振动对流型识别实验的准确性有很大的影响。 ( 2 ) 气液两相流的压力波动特征频率一般在5 0 h z 以下，与管路的振动频 率存在重叠，振动必然会干扰流型的准确识别。 2 电气噪声 电噪声主要是测量现场普遍存在的电磁干扰对检测信号产生的影响。导致电 噪声产生的测量现场的电磁干扰主要有三类：高频电磁辐射干扰、交直流电源干 扰和低频电磁干扰。 高频电磁辐射干扰主要是通过空间电磁场作用到信号处理电路，其频带一般 高于涡街频率频带( 上限为几千i - i z ) ；交直流电源干扰的来源是现场电网的交、 天津大学硕士学位论文第三章两相流旋涡脱落信号采集 直流电压波动和波形畸变；低频电磁干扰是引起涡街流量计电噪声最主要的一类 电磁干扰。包括：空间电磁干扰，是电力线、电力设备工作时辐射的电磁干扰， 一般为5 0 h z i 频干扰。 3 3 气液油水两相流绕流 两相物体的流动称为两相流。在两相流中，两相之间不仅存在分界面，而且 这一分界面是随着流动在不断变化的。因此，两相流可定义为存在变动分界面的 两种独立物质组成的物体的流动删。在两相流研究中，把物质分为连续介质和离 散介质。气体和液体属于连续介质，也称为连续相或流体相：固体颗粒、液滴、 气泡等属于离散介质，也称为分散相或颗粒相。 3 3 1 两相流流型分类 流型即流体流动的形式和结构，是影响两相流的流动特性的重要因素，因此 两相流流型的辨识是两相流中必须解决的基本问题之一。流型还影响对两相流其 他参数的精确测量，因此流型辨识是两相流领域的一个重要研究方向。 3 3 1 1 垂直上升管中气液两相流流型， 图中给出了垂直管中几种典型的气液两相流流型。 雷冒冒目圈 泡欹漶弹状渣混状流环状流掖丝环状流 图3 - 3 垂直上升管中气渡两相抗漉型 波 动 方 向 1 ) 泡状流在连续的液相中含有分散的小气泡。在气泡较多时形成一种沫 状流动。 天津大学硕士学位论文第三章两相流旋涡脱落信号采集 2 ) 弹状流或塞状流当两相流中含气量增大时，小气泡结合形成大气泡， 当气泡直径增大到接近管道内径时，便形成弹状大气泡。气弹头部呈弹头状，尾 部是平的大气泡，而且一个大气泡后面跟随着许多小气泡。在垂直上升流中，弹 状流动有时也称为塞状流动。 3 ) 乳沫状流或混状流气液两相以强烈湍动的非均匀混合物形式流动，并 伴有液相的激烈搅动。 4 ) 环状流液体沿管壁流动，形成一层薄膜，而气相则在管道中心流动，其 中夹带着一些小液滴。 5 ) 液丝环状流 当气液两相流为环状流时，液体流量增加，使得管壁上 液膜增厚并且含有小气泡，管道中心流动的气体内液滴浓度增加，小液滴合并成 大液块、液条或者液丝，便形成了液丝环状流。这种流型只有在高质量流速的流 动中才会出现。 3 3 1 2 垂直上升管中油水两相流流型 国内外许多学者都对垂直流动进行了研究。油水两相流由于两相介质均为液 体，且密度相近，所以流动特性与气液两相流有很大的不同，不能按照气液两相 流流型分类方法进行划分。19 9 7 年，t u l s a 大学的f l o r e s 等在内径为5 0 8 m m 的 垂