热膜流速仪在浮阀塔板局部流动特性研究中的应用.docx

1、第】。卷第3期1996年9月Vol.10,No.3Sep.,1996气动实验与测量控制AERODYNAMICEXPERIMENTANDMEASUREMENT&.CONTROL热膜流速仪在浮阀塔板局部流动特性研究中的应用维拳强推芝黄洁天津大学，天律（邮政编玛300072）清华大学，北京（邮政编玛100084）摘要在对热膜流速仪的探头标定及两相信号分离的方法等特性进行研究的基础上，测定了V-V浮阀塔板的流动特性.对于水,提出标定数据的两段线性拟合法,能够准确、快捷地用于流速测量.对汽液两相值号分离的两类方法进行比较发现，癖率法用于测定两相中莓一相的时均速度阈值法用于确定各相所占的比率都能取得比较准

2、确的结果.剖定了以V-V浮阀塔板几个阀片所形成的局部区域的气含率及流速分布特点,得出对实际应用具有指导意义的结果.关键词热腰流更区气液两相流气含率，驱丝标定1引言蒸保塔板上气液两相的流动特性对它的分离效率有很大的影响，因而从事化学工程科研工作的学者多年来一直试图准确测定塔板上的液相流速分布规律及气含率的分布特点.对塔板上的液相流速分布.目前多采用间接测量的方法。早期Porter等人采用加示踪物录像的办法测定了塔板上的液相停留时间分布，其后，主要采用脉冲一响应技术测定塔板上的流速分布，Hofhuis和Zuiderweg又用丫射线吸收法测定了气含率随塔板上鼓泡层高度的分布规律.但由于上述测试手段本

3、身的局限，它们只能用于测定整个流场平均效果，而不能对每一点上的特性进行测定。另外,文献中所报道的两相流场测定多集中在筛板塔上.对其它类型塔板的研究报道甚少。浮阀塔板，由于受阙体和阀顶盖板的阻碍，在几个阀所形成的局部区域内，气含率和液体流速在不同位置都有很大差别。而前面所提到的间接方法.不能对这一特性针对每个点进行直接测定。热膜流速仪是近年来应用比较广泛的一种流速测量技术，由于它所使用的探头尺寸较小，可以对每一个点的特性进行测国家重点侑恒分离寡验室开放课朗1995年11月6日收稿定，而旦对流场干扰甚小，频率响应高，对不同流体相的反应有明显差异，因此可用于局部两相流动特性的删定。2热膜流速仪的特性

4、研究2.1热膜探头的标定热膜流速仪通过敏感元件(热敏电阻)的热量平衡将探头两端的加热电压E和流过探头表面的流体速度a联系起来，从而建立起二者之间的对应关系。图1(a)是输出电压对水流速度的标定曲线.在实际应用中，人们经常把标定数据进行线化或拟合，找出输出电压随流速变化的数学关系,Win和Prah对常用UJ拟1方注作了比转4转子流计5仁水擂6某7气体分布器本文中采用水作为流体介质，经过对多组标定数据的处理，发现用下面的方法拟合数据效果较好：IE=*4-B1(。uV0.04m/s)|Ln()=/l,Ln(u)4-(a0.04m/s)其中由标定过程得到，它们决定于探头的特性、所测量的流体介质的物理性

5、质以及探头工作的过热比。图1(b)是线化后的标定结果，Ln(E)与Ln(a)的线性相关系数在99.9%以上。2.2两相流的测定22.1实验装置及两相信号特点图2所示的是用于进行热膜流速仪特性研究的两相流小试系统。有机玻璃柱长2m,内径40mm,探头装在玻璃柱的中间。气液两相从柱子底部输入，气体分布器使气袍大小分布更加均匀。通过控制气液相的流筮、可以在上述流道中得到不同气含率的气液两相流场。仪器输出的电压信号送到微机数据采集第3期刘富善等：烬膜演速仪在浮冏塔板局部流动特性研究中的应用65系统.图3是采祥频率为lOWz时两相信号的时间特性曲线，图3中向下的电压脉冲代表经过探头表面的气泡可以看出气液

6、两相信号有明显的区别。图3小试系统中的两相信号时间特性2.2.2两相信号的分襄方法在两相流的实验测定中,只有对大量的数据进行统计分析，才能够正确地反映流场的实际状况，这样就不能再用人工的办法来区分两相信号.目前有两类依靠计算机的方法用于处理仪器输出的两相信号。一类称为概率法,是根据对输出电压信号进行统计的结果来区分；另一种是阈值法，对所采集的全部信号逐一分析，甄别每一个气泡,从而划分气液两相.下面对这两类方法分别予以介绍.A.概率法对热膜流速仪的输出信号进行统计，可得电压概率分布。在电压概率图上有两个峰值.其中电压值较低的峰为气相信号，电压值较高的为液相信号。图4(a)表示了Delhaye等人

7、所提出的两相信号区分原理.他们利用照相和示波器相结合,发现气泡经过探头时，电压信号的下降和上升段应归为气相贡献，那么在图中电压晶至E3间高为的电压平台部分是由气相产生.DeJhaye认为这种影响一直持续到流场所产生的最大电压信号.由此，提出气含率e,的计算公式：J勺v,V.V,Sv.由于受计算机速度的限制.他们所采集的数据量比较少，得到的概率密度图还有很大的随机性。图4(b)是Lu等人在1988年，使用锥形探头，以3.33kHz的频率采集54s,所得的电压概率图。随着计算机技术的飞速发展，现在对大量数据的采集已经很容易做到。图4(c)是本实验采用IFA-100型热膜流速仪，控制采样频率为104

8、Hz,采样时间为90s所得到的电压概率分布。由于采样点数比较多,概率分布图明显地更加光滑确定。Her-ringe和Davis用圆柱形热膜及圆锥形热膜作了类似的实验,他们认为两相区分应该沿切线AT进行，如图4(c).B.阈值法这种方法首先由Abel和Resch提出。他们的根据是：电压信号连续下降或上升超过某一给定的阈值时,就认为经过探头表面的流体相发生了变化。那么符合上述条件的相邻的下降段和上升段之间就是一个气泡。报据这一原则对全部电压信号进行分析,甄别每一个气泡就可以分离气液两相。他们建议用这样的过程选择阈值Ato当取At=。时,全部信号都被判断为由气0文献7中的慨率图0文献7中的慨率图（c）

9、本文实骚中的慨率图图5阈沮法原理图4恢率法区分两相信号相产生上=匚从零开始八Et以一定的间隔增大，针对每一个设定的阈值，对电压信号处理可以统计出一个相应的气含率5直到At增大到某一值，这时全部信号都被判断为液相湍动,5=0。作上对XEr的变化关系曲线（如图5）,从图5上可以发现，当XEr在某一范围内变化时，所统计出的气含率c.基本不变。这时的.就是两相流动中的实际气含率。C.两种方法的比较概率法用于两相信号的划分.理论根据不很充分,不同学者对两相划分界线所持观点不尽相同而文献中所测定的流场基本上都是7液并流，两相流速相差不大,两相信号电压值相差比较多的情形。对于气速很大的流场两相信号所形成的峰

10、值之间没有明显的平坦段.这冲方法会过高地估计气含率的值。尽管如此,对干确定两相中某一相的时均速度，概率法仍不失为一种好方法.只要从图上确定每个峰的重心位置就可以得到流速的平均值.另外在化学工业中应用的筋板塔的流场测定中,我们发现这种方法能够更准确地反映液相的不同流动成分的特点阈值法对每一个气泡进行统计，理论根据比较确定，对于两相信号的分离更准确些。为了检验上述两种方法处理数据所得到的气含率的准确性,可以采用以下的办法：在图2所示的流路处于稳定流动时，同时关闭水和氯气，玻璃柱内以气泡形式存在的氮气将从水中溢出，柱中最后所剩的水柱高度与两相混合物所占的全部柱长之比为两相中液相含率将多组结果与经阈值

11、法处理所测得结果相比较,发现二者几乎完全一致而用概率法处理数据所得的结果不甚理想。对于实际测试中气泡大小分布范围比较广的两相体系，阈值法不容易选到准确的阈值,这时会产生一定的误差，是两相信号分离中需要进一步解决的问题。根据上述分析，在实际测量过程中，应根据不同的测试目的选用不同的信号处理方法，即用概率法测每一相的时均速度.用阈值法对两相界限进行准确划分，测定两相中各相所占的比率。3浮阀塔板上的局部流动特性浮阀塔板是化学工业中常用的一种气液分离装置.塔板上的气液两相的流动、混合状态不同于其它形式的塔板。本文就几个阀片所形成的局部区域的气含率和液相流速分布进行了测定.这种塔板的局部流动待性数据,国

12、内外文献均未见报道。它对于塔板流体力学和传质过程的模型化是十分重要的.31实验装置简介实验在空气一水的冷模塔内进行，塔径l.2m,塔高2、7m,其结构如图6所示塔内图6空/一水系珑冷模塔】水泵2流H控制冏3孔板流量计4风机5毕托管流量计6实蒙塔板7/体分布板8埴特层图6空/一水系珑冷模塔】水泵2流H控制冏3孔板流量计4风机5毕托管流量计6实蒙塔板7/体分布板8埴特层装有三层塔板，下面的两层板使气体沿塔截面均匀分布,上面一块板上流场的局部流动特性是我们要检测的对象.实验时水从塔顶通过降液管从进口堰水平均匀地流进塔板；气相由风机从塔底鼓入，经过阀孔从下到上垂直通过液层，这样就在塔板上形成气液两相错

13、流流场.图7是德国STAHL公司开发的VARIOFLEX-VALVE浮阀塔板（简称V-V塔板）阀片分布图（图中所示的是耐称的圆形塔板的一半）。被检测的塔板结构及操作条件如表1。表1塔板直径D：l.2m两堰间距离=,：）.90m堰长W：0.79m出口垠高度A；：50mm阀片直径：50mm支架盖板高度：20mm如：90mm力，：160mm空塔气建i0.645m/液流强度心：8.44入10-%/6-s）V-V塔板阀片分布图3.2实验结果3.2.1局部气含率在图7中虚线所圈定的平面中以5mm为间隔作网格，测各结点上的气含率（探头在阀片盖板上方20mm）.图8描绘出了所测得的结果，其中（a）为表示气含率

14、两维分布的曲面图，（b）为这一面积单元上的等气含率曲线,从图中可以明显地看出气含率的分布关系每个阀片斜上方有一个区域气含率极低。因此，可以说这里也是气液传质最不充分的区域。3-2-2局部液相流速分布由于阀体有一定高度，那么在支架盖板高度以下、几个阀片之间的区域与盖板以上的液相主体流速就会有一定的差别。分别取探头距塔板的高度为如=15mm及L=40mm（盖板距塔盘的高度为20mm）.对图7中示出的各点的液相平均速度进行测定结果列于表2中。所测的局部位于塔板中间,液体垂直于进口堰从进口流向出口。很显然在密布的阀片之间流速比校慢（奴=15mm时，点1速度校大是由于气体从阀孔喷出对液流有表2局部区域内

15、不同位置的流速L(mrn1540测试点1231O345逢度im/s)0.27560-13560.13240-25530-25060.21880.26200.2438加速作用）而在盖极以上（A=40mm）的不同位置各点流速相差不多。Z图8同高度气含率的平面分布（1）在对大量实验数据分析处理的基础上，系统地研究了热膜流速仪的特性。针对流体介质水所提出的两段线性拟合的办法能够更准确、快捷地处理标定数据。对文献中报道的两类两相信号的分离方法进行了比较指出概率法和阈值法各自的适用范围和局限性。以）首次用热膜流速仪对石油化工中常用的浮闽塔板上所持有的液相流动和气含率的局部不均匀分布现象进行了测定.发现在徊

16、片周围的不同位置上，不同深度的液层中气含率和液昭流速都有很大的差异这样对塔根的分离效率会产生显著的影响.同时.这些结果对通常模型化的有关假设将作出重要修正具有很大价值。参考文献1PorterKE,LockeMJandLimCT.Trans.Inst.Chetn.EngrstJ972.t50(91)2余国球，黄洁，张择庭.化工学报，1986,(2),15】3 HofhubtPAMandZuiderwegFJ-1.Chern-SymposiumSeriesEngland-1979t(56)：2.2/1WinHandPrahlJM.Int.Comm.HotMatsTransfer.1986.J3，S

17、764 DclhayeJM-Two-phscFlowInslrumentationASME1969.S9HcrringcRAandDavisMR.J.ofSclentifcInstrumentsf19747：B075 LuWandJuS.Chem.Eng.Comm.,1987.(56),(57)AbelRandReachFJ.(nt.J.MultiphaseFlow1978,415239刘富善.硕士论文天津大学，】995.APPLICATIONOFHOT-FILMANEMOMETERINTHESTUDYONFLOWCHARACTERISTICSOFVALVETRAYLiuFushanZhang

18、YazhiHuangJieUarerXfXuHongqingAbstractThecharacteristicsofhot-filmanemometerarestudiedontheaspectsofcalibrationandgas-liquidtwophasesignaldiscramination.Anewmethodoftwosegmentlinearizationaccordingfluidvelocityforcalibratinghot-filmprobeinwaterofuniformtempraturedevelopedherehasprovedtobesuperiortoconventionalmethodspresentlyinuse.Twodigitsprocessingmethodsareanalysedandcomparedonthebasisofalargequantityofexperimentaldata.Probabilitymethodisfoundsuperiortothresholdmethodincaseofmeasuringthemeanvelocity