有限元法在两相流检测中应用探究

1、有限元法在两相流检测中应用探究摘要：电容层析成像技术(ect)是两相流参数 检测领域中的一门新技术，在工业生产中有着广阔的应用前 景。通过建立有限元模型，编写有限元仿真程序，进行有限 元的计算，对两相流典型流型的敏感场场域进行建模仿真， 得到的电容值可以作为图像重构的样本数据。关键词：电容层析成像；有限元；敏感场；图像重 构中图分类号：tp391. 9文献标志码：a文章编号： 1006-8228 (2013) 11-04-020引言在现代工业中，两相流系统的应用越来越多，特别是在 石油、炼油、电力、环保及核能等国民经济行业中两相流动 现象更是普遍存在，实际中对两相流的计量、控制及节能有 非常高

2、的要求，发展两相流检测技术是现代工业发展的迫切 要求1。但两相流系统极其复杂，它具有比单相流更复杂 的流动特性。两相流检测技术发展现状及水平与飞速发展的 现代工业需求之间的矛盾日益突出。随着我国各大油田纷纷 进入中晚期的开发阶段，油田多采用注水工艺来提高原油的 采收率。井口产出液常常是原油、水和天然气的混合物，同 时海上石油生产中的产出液通常也是由原油、水和天然气组 成的多相流体，这些多相流体具有粘度较大和凝固点较高的 特点，油水、气在长距离混相输运时，对管线压力和温度等 条件有一定的要求。各相流体特征的在线测量也依赖于油 水、油气两相流本身的流动规律，其中含水率测量、流型的 识别等是必须解决

3、的难题2。因此急需开展这方面的研究 工作，这对相关工业的发展具有重要意义。在现阶段，电容 层析成像技术3-4是解决这方面问题较为理想的理论方 法，本研究将为解决以上难题在理论上提供支持。1电容层析成像问题采用的有限元法解析1. 1有限元法有限元法5基本思想是，将连续的求解区域离散为一 组有限个且按一定方式互相连接在一起的单元的组合体。由 于单元能按不同的联接方式进行组合，且单元本身又有不同 的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。利用变分 法原理对单元近似求解而实现对整个连续体的数值逼近，其 基本思想是结构体离散和分片插值。有限元法是把要求的被测场简化为静电场，利用静电场 的汤姆逊定理6,

4、并通过变分原理将静电数学模型转化为:1. 3方程集合为了获得整个被测场域内的所有节点的离散方程组，将 式中的单位元的插值进行扩展，可写为1. 4极板电容值的快速计算在获得传感器内电位分布数值后，可以通过电通量积分 法或电荷法计算检测极板j上的电荷量qjo2数值测试3结束语表1所示为采用有限元法计算的电容值与实验测量数据 的比较，实验中选择的两相介质为水和油。对被测场域采用 三角形剖分，全水时理论数据与测量数据之间的平均误差为 1.2533%,全油时理论数据与测量数据之间的平均误差为 1.5229%。可见，两种场域剖分的传感器电容理论值的平均 误差均小于1. 523%,说明所建立的有限元模型和编

5、写的三角 剖分求解方法是正确有效的，可以得到较好的仿真效果，为 工业两相流检测提供一种新的方法。参考文献：1李海青两相流参数检测及应用m.浙江大学出版 社，1997. y yan. flow measurement of particulate solids, in pipelinesj. flowmeasurement and instrumentation, 2000. 11： 1513 彭珍瑞，殷红，董海棠.电容层析成像技术的研究 现状综述j.传感器与微系统，2009. 28 (9)： 5-84 王保良.电容层析成像技术及其在两相流参数检测 中的应用d.浙江大学博士学位论文，199&5 nicholls g k and fox c. prior modeling andposterior sampling in impedance imaging bayesianinfe