用于檢測(cè)微重力條件下氣-水兩相流特性的電容傳感器

1、用于檢測(cè)微重力條件下氣-水兩相流特性的電容傳感器Devin Lowe and Kamiel S RezkallahMicrogravity Research Group, 57 Campus Drive, University of Saskatchewan, Saskatoon, SK S7N-5A9, CanadaReceived 16 March 1999. in final form and accepted for publication 16 July 1999摘要為了客觀地辨識(shí)流型，一種凹面的平行板電容傳感器已經(jīng)被用于測(cè)量?jī)上嗔鞯目障堵?。這種傳感器已經(jīng)被用于NASA的DC-9型“

2、路易絲”號(hào)微重力試驗(yàn)飛機(jī)上的一個(gè)兩相流回路，它的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)被收集了許多。根據(jù)高速相機(jī)得到的流體圖像分析結(jié)果、從電容傳感器得到的空隙率隨時(shí)間變化的曲線和概率密度函數(shù)來(lái)辨識(shí)流型的方法，比只用流體圖像分析的方法更客觀。關(guān)鍵字：微重力，兩相流，空隙率，電容傳感器專用符號(hào)：Ag氣相流所占的平均截面面積(m2)A l液相流所占的平均截面面積(m2)D管內(nèi)直徑(m)K介電常數(shù) Usl表面液相速度(m s-1) Usg表面氣相速度(m s-1)Va 全氣相時(shí)的平均傳感器電壓輸出(v)Vm混相時(shí)的平均傳感器電壓輸出 (v)Vw全液相時(shí)的平均傳感器電壓輸出(v)V*標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出(v)Qg管內(nèi)的氣相流量(m3)

3、Ql管內(nèi)的液相流量(m3)未知量符號(hào)：a空隙率r相密度（kg m-3）s表面張力（mN m-1）引言當(dāng)周圍的空間介質(zhì)不斷更新和21世紀(jì)出現(xiàn)了更多積極的技術(shù)，兩相流在空間應(yīng)用中變得日益重要了。這些空間應(yīng)用包括：高效率的能量傳送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、用于通訊和地球探測(cè)衛(wèi)星的先進(jìn)的熱能管理和控制系統(tǒng)、作為軌道飛船燃料的低溫流體的儲(chǔ)藏和傳送系統(tǒng)以及在微重力條件下的熱交換和能量輸送系統(tǒng)中凝結(jié)、流動(dòng)、沸騰過(guò)程。研究微重力條件下的兩相流的理由有許多。顯而易見(jiàn)的，它在前述的過(guò)程中為飛船裝置提供了數(shù)據(jù)，并可以測(cè)試飛船的硬件。它也可以引導(dǎo)我們對(duì)流體有一個(gè)更好的認(rèn)識(shí)。實(shí)際上微重力的條件使得我們可以研究如表面張力這樣的次要影響

4、力怎樣在缺乏地球上的兩相流中具有支配的浮力的條件下影響流動(dòng)。 如Zhao和Rezkallah(1993)所描述的，在微重力條件下兩相流有四種流體狀態(tài)存在。（在圖1中示出）他們是：氣泡流，其特征是分離的氣泡在液體中流動(dòng)；栓狀流，存在被緩流液體分開(kāi)的泰勒氣泡，同時(shí)緩流液體中可能有一些小的氣泡；過(guò)渡流，其特征是液體象薄膜一樣貼在管壁上流動(dòng)，而氣相在管中央流動(dòng)并呈現(xiàn)出頻繁的無(wú)序性和易變性；環(huán)狀流，液相流象薄膜一樣附著在管壁上，而氣相流不間斷地通過(guò)管道中央。因?yàn)樵S多兩相流的模型有賴于水流狀態(tài)的確定，所以一個(gè)能正確和客觀地確認(rèn)兩相流流體狀態(tài)的方法是需要的。目前的兩相流分析方法的一個(gè)缺點(diǎn)就是事實(shí)上大部分的流

5、體狀態(tài)的確定是通過(guò)記錄的流像來(lái)做到的，而這個(gè)過(guò)程非常耗時(shí)并且實(shí)際上是很主觀的。這一點(diǎn)可以通過(guò)不同的研究者報(bào)告中的數(shù)據(jù)的巨大矛盾看出來(lái)。不過(guò)許多研究者已經(jīng)證明在正常重力情況下，空隙率的測(cè)量可以增加一些流體狀態(tài)識(shí)別的客觀性。空隙率，a，被定義為總的流量體積中氣體的體積。它可以通過(guò)等式(1)計(jì)算得出。 或 （1）在等式（1）中，Qg和Ql分別是（不能和流量的體積比率相混淆）在管中流動(dòng)的氣體和液體的體積。Ag和Al分別是被氣體和液體所占的實(shí)際平均截面面積。一般情況下，使用空隙率的方法來(lái)確定水流狀態(tài)包括使用空隙率信號(hào)的概率密度函數(shù)（PDF）。最早的研究者之一是Jones和Zuber（1975），最近的一

6、些進(jìn)展是由Song et al（1995），Costigan和Whalley（1997）做出報(bào)告的。 至今，很少有人在尋找一種微重力條件下客觀地確認(rèn)兩相流狀態(tài)和它們的過(guò)程的方法上有所進(jìn)展。描述微重力條件下流體狀態(tài)通常是通過(guò)錄像記錄或者相片來(lái)確定的。所以設(shè)計(jì)一種能夠用來(lái)確立正確定義微重力條件下的兩相流狀態(tài)的方法的空隙率傳感器是客觀需要的。 2. 空隙率的測(cè)量技術(shù) 有好幾種方法可以用來(lái)測(cè)量空隙率。它們包括射線法，電導(dǎo)傳感器，快關(guān)閥法（QcVs），電容傳感器。這些方法都有優(yōu)點(diǎn)也有不足之處。射線法是非侵入式的，而且能夠獲得更多關(guān)于流體的信息；但是它的設(shè)備過(guò)于笨重而且不符合在NASA的DC-9飛機(jī)上使用

7、的安全要求。電導(dǎo)式傳感器可以做成各種各樣的結(jié)構(gòu)而且能測(cè)量空間平均空隙函數(shù)（Elkow,1995）；但是它們總是具有干擾性的探針，而且它們的校正器對(duì)流體狀態(tài)很敏感，QsVs法可能是最簡(jiǎn)單和最準(zhǔn)確的方法；它的不利之處是它的檢測(cè)不是連續(xù)的，而且為了好的準(zhǔn)確度需要一個(gè)長(zhǎng)的隔離區(qū)。 在所有可用來(lái)測(cè)量空隙分?jǐn)?shù)的方法中，無(wú)侵入是最可取的。一個(gè)電容傳感器可以做到：無(wú)侵入，時(shí)間平均的空隙率測(cè)量，而且它的時(shí)變輸出信號(hào)也可以用于流型的識(shí)別。因?yàn)閮蓚€(gè)電容電極之間的空間和距離是不變的，所以唯一導(dǎo)致電容變化的原因是電介質(zhì)的變化。因?yàn)槭莾上嗔鳎噪娊橘|(zhì)由氣，液兩相組成。被測(cè)量到的電容就代表了管道內(nèi)通過(guò)裝置的流體各相的量和

8、二相的結(jié)構(gòu)。這樣的話，通過(guò)監(jiān)視傳感器輸出的波動(dòng)就可以確認(rèn)流體狀態(tài)的變化。電容傳感器已經(jīng)被廣泛地研究，例如：Merilo et al (1997), Masuda et al (1980), Heerens (1986)以及其他的人。然而，把測(cè)量范圍降低到0.1至10PF是很難得的。所以，適當(dāng)?shù)胤乐贡尘半娙莺鸵粋€(gè)好的信號(hào)-噪聲比是需要的。多種多樣的電極結(jié)構(gòu)已經(jīng)被許多研究者設(shè)計(jì)出來(lái)，其中有平板式，凹形的，螺旋形，復(fù)合螺旋形，和流體相關(guān)聯(lián)或者和流體相分離的。兩只電容傳感器被Geraets和Borst (1988) 用于一根內(nèi)徑為50mm的管子和一根內(nèi)徑為5mm的管子。他們使用的傳感器是螺旋纏繞型。兩

9、條薄的黃銅片纏繞著一根細(xì)的丙烯酸管子，黃銅片的位置總是彼此相對(duì)的。一個(gè)保護(hù)電極被用來(lái)降低邊緣電勢(shì)和背景電容的影響。（雜散電容實(shí)質(zhì)上是一些不受歡迎的電容，這些電容可能發(fā)生于電路里的導(dǎo)線之間，導(dǎo)線和底座之間，或者電極上的元件和底座之間。）Geraets和Borst (1988)用這種傳感器測(cè)量了空隙率，而且還得到了一些在水平管子內(nèi)流體模型的信息。 層析成像用于電容傳感器也是可行的。Huang et al (1989) 報(bào)告了使用8個(gè)電極安裝于一根絕緣的管子的外側(cè)的實(shí)例。通過(guò)測(cè)量不同隊(duì)的電極的電容，圖像復(fù)原是有可能的。兩相流中電容的變化被計(jì)算機(jī)使用線性回歸算法處理從而重建了過(guò)程區(qū)域的圖像。這種方法被

10、順利的發(fā)展下來(lái)。此外，Huang et al (1988) 重建了電極保護(hù)方法和電極測(cè)量技術(shù)。事實(shí)上，在后來(lái)的研究中，Huang et al (1988) 設(shè)計(jì)了一個(gè)電極測(cè)量電路，使用了一個(gè)充/放電荷的原理，使得能夠把背景電容的影響降到最低。最近的在電容測(cè)量方面的研究努力是由Lietal (1992) 做出的。 3. 傳感器結(jié)構(gòu)3.1 設(shè)計(jì)目的 設(shè)計(jì)的主要目的是制造一種能準(zhǔn)確測(cè)量空隙率的傳感器。為了使這個(gè)傳感器能夠用來(lái)確認(rèn)流體狀態(tài)，它必須對(duì)能空隙率的微小變化而敏感地產(chǎn)生一個(gè)能顯示流體狀態(tài)明確變化的信號(hào)。這個(gè)傳感器必須是非侵入式的，以便于避免對(duì)流體特性的任何改變或者觸發(fā)從一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)改變

11、時(shí)的早期變化。另外，為了最大限度的使用傳感器，它的參比值必須完全和流體狀態(tài)無(wú)關(guān)，而且還必須具有盡可能寬的空隙率測(cè)量范圍。傳感器必須安全、可靠，因?yàn)樗潜辉O(shè)計(jì)來(lái)用于NASA的DC-9型微重力試驗(yàn)飛機(jī)上的測(cè)量。它也需要完全符合NASA的在失重飛行器上的安全要求。它必須非?？煽?，因?yàn)樵陲w機(jī)上使用的機(jī)會(huì)非常難得。最后，傳感器必須對(duì)振動(dòng)不敏感，并且能夠抗拒在流動(dòng)中經(jīng)常遇到的壓力波動(dòng)。簡(jiǎn)要的，空隙率傳感器設(shè)計(jì)的目的是：· 能準(zhǔn)確測(cè)量空隙率· 能產(chǎn)生適合統(tǒng)計(jì)分析的信號(hào)· 非侵入的· 獨(dú)立于流體狀態(tài) · 能測(cè)量全部范圍的空隙率· 安全可靠·

12、 能防震和抗拒流動(dòng)的壓力波動(dòng) 表1. 0到50.C的水的性質(zhì) 3.2 設(shè)計(jì)細(xì)則 這篇文章中描述的新裝置是一種電容傳感器，它能夠測(cè)量?jī)上嗔髦须娊橘|(zhì)的變化而引起的空隙率的變化。測(cè)量效果的兩個(gè)主要影響因素是：(a)傳感器的幾何形狀，(b)電極之間的電介質(zhì)。在這項(xiàng)研究中，完全電離的蒸餾水和空氣是用于試驗(yàn)的兩種流體?？諝獾慕殡姵?shù)為1.00059，但是水的介電常數(shù)隨著溫度的變化而變化，如表1所示。因?yàn)檫@些原因，所以每次運(yùn)行過(guò)程中水的溫度盡量保持恒定。影響電容測(cè)量的問(wèn)題之一是邊緣效應(yīng)，這是因?yàn)殡妶?chǎng)邊界達(dá)到兩個(gè)電極之間的區(qū)域以外造成的。兩個(gè)電極之間的距離可以決定電場(chǎng)邊緣電勢(shì)的大小。如果缺口的距離相對(duì)于電極之

13、間的區(qū)域足夠小，這就不是個(gè)問(wèn)題了。然而，一個(gè)空隙率傳感器的電極之間的距離是由管子直徑來(lái)決定的。這樣，就需要保護(hù)電極以降低邊緣電勢(shì)。保護(hù)電極的目的是“除去”邊緣電場(chǎng)，使它們不會(huì)影響電容測(cè)量。因?yàn)榭障堵蕚鞲衅鞯碾娙轀y(cè)量范圍是0.5到1.5PF，背景電容必須減到最小，所以把一個(gè)保護(hù)套裝在電極的周圍以防止背景電容的影響。此外，測(cè)量電極的設(shè)計(jì)是以Huany et al (1988) 所作的廣泛的研究為基礎(chǔ)。由于一個(gè)電荷充/放方法的應(yīng)用，所以使背景電容的影響降到最小。Elkow和Rezkallah (1996) 比較了兩種電容是的空隙率傳感器：一種的兩個(gè)電極以螺旋狀相對(duì)的分別纏繞在管子上，另一種是兩塊凹的

14、平行板電極相對(duì)地安裝在管子兩邊。螺旋狀纏繞的傳感器問(wèn)題啟發(fā)了對(duì)凹狀平行板傳感器的改進(jìn)。Elkow和Rezkallh (1996) 確定了幾項(xiàng)凹狀平行板傳感器的要求。首先，他們發(fā)現(xiàn)電極應(yīng)該有相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度以避免非線性的影響。其次，他確定電極之間應(yīng)該盡可能靠近以增加電容的靈敏度。最后，他們發(fā)現(xiàn)保護(hù)套和電極應(yīng)該用絕緣材料隔開(kāi)，使它們之間的距離相對(duì)大于電極之間的距離。這樣可以通過(guò)防止電極向保護(hù)套“漏電”來(lái)提高靈敏度，同時(shí)還可以保持適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)能力。新的凹狀平行板傳感器的性能背證實(shí)比螺旋傳感器有了很大的提高。它唯一的問(wèn)題是10倍于管徑（10D）的傳感器長(zhǎng)度太長(zhǎng)以至于不能發(fā)現(xiàn)局部空隙率的變化。3.3 傳感器描述

15、 關(guān)于這中凹狀平行板電容器的研究應(yīng)用了許多Elkow和Rezkallh (1996) 的研究成果。傳感器得簡(jiǎn)圖如圖（2）所示。這種傳感器的測(cè)量長(zhǎng)度是2D以便在保持足夠進(jìn)行精確測(cè)量的靈敏度 圖2. 空隙率傳感器裝置的同時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)局部變化。對(duì)流動(dòng)圖像的觀測(cè)也顯示出在緩流中的泰勒氣泡和緩流液體一般長(zhǎng)度等于或者大于2D，流體中的擾動(dòng)和bridging events長(zhǎng)度一般大于2D。在泡狀流和環(huán)狀流中，2D的傳感器長(zhǎng)度不會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)氣泡或者波動(dòng)的通過(guò)而引起大的電容變化，這種把它們從流體結(jié)構(gòu)中去分出來(lái)的問(wèn)題在緩流和過(guò)渡流中也會(huì)碰到。簡(jiǎn)要地說(shuō)，傳感器應(yīng)足夠短，以便能夠區(qū)分出緩流和過(guò)渡流的狀態(tài)，然而也不能太短,

16、否則會(huì)把泡狀流、緩流混淆起來(lái)。這種傳感器由一個(gè)內(nèi)直徑為9.529mm，外直徑為15.875mm的玻璃纖維管構(gòu)成。管子被絕緣的乙縮醛包裹（乙縮醛的同等聚合物，商業(yè)名字為Delrin）(直徑50.8mm)，然后再裝上一個(gè)黃銅的保護(hù)套（3.175mm厚）。離玻璃管內(nèi)壁0.5mm處是4個(gè)測(cè)量電極和兩個(gè)環(huán)狀保護(hù)電極（全部由黃銅制成）。四個(gè)測(cè)量電極有19mm長(zhǎng)、5.5mm寬，每一個(gè)的弧度為60º，對(duì)稱地放在周圍。每一個(gè)電極和裝在黃銅保護(hù)套上的一個(gè)BNC連接器相連。兩個(gè)相反的BNC連接器連接到測(cè)量電極，另兩個(gè)和黃銅保護(hù)套相連。這樣，兩個(gè)測(cè)量電極把底線接到黃銅保護(hù)套充當(dāng)保護(hù)電極保護(hù)兩個(gè)使用中的電極。

17、這樣可以確保電場(chǎng)邊界直接經(jīng)過(guò)管子而不經(jīng)過(guò)邊緣，實(shí)際上是在管子周圍形成一個(gè)“短電路”。兩個(gè)環(huán)狀保護(hù)電極有3mm寬，繞管子一周。它們分別離測(cè)量電極兩端3mm遠(yuǎn)。Delrin絕緣體和黃銅保護(hù)套用來(lái)防止儀器中別的電器元件產(chǎn)生的背景電勢(shì)。傳感器被在薩斯喀徹溫大學(xué)設(shè)計(jì)和制造出來(lái)。玻璃纖維管是通過(guò)把玻璃纖維和樹(shù)脂覆蓋在一個(gè)直徑不到9.525mm（以便于后來(lái)加工其內(nèi)壁）的鋼桿上完成的。包裹一層厚度大于0.5mm的玻璃纖維和樹(shù)脂，外表用機(jī)器加工到直徑為10.5mm，留下0.5mm的玻璃纖維。然后放上4個(gè)黃銅電極和兩個(gè)環(huán)狀保護(hù)電極，用膠水把它們粘牢。同導(dǎo)線焊接在每一個(gè)電極上。然后用玻璃纖維和樹(shù)脂覆蓋在管子上，直到

18、直徑大于16mm。這時(shí)候，傳感器的表面，包括暴露的銅導(dǎo)線被加工到15.9mm，把玻璃纖維管從鋼桿上移下來(lái)，則內(nèi)套完成。Delrin絕緣體和黃銅套被加工，以使其適合玻璃纖維管。Delrin絕緣體被加工為兩層，這樣其中一層可以移動(dòng)，使BNC連接器經(jīng)由一段短導(dǎo)線和傳感器導(dǎo)線焊在一起。用螺釘穿過(guò)保護(hù)套、絕緣體，并鑲?cè)氩ＡЮw維管，以確保玻璃管和保護(hù)套、絕緣體被牢牢固定在一起。4. 傳感器標(biāo)定4.1 標(biāo)定系統(tǒng) 用于標(biāo)定空隙流傳感器的流動(dòng)回路如圖3所示。它是一個(gè)正向位移泵，這個(gè)水泵把水從一個(gè)151.4公升的水箱，通過(guò)一個(gè)熱交換器和一個(gè)液體計(jì)量器送到在垂直測(cè)試裝置底部的混合器中。所用的水是完全電離的蒸餾水（水

19、的傳導(dǎo)系數(shù)范圍為8到9.5µS cm-1 ）。在混合器中，空氣以輻射狀注入流體中。兩相流通過(guò)內(nèi)徑為9.525mm的管子，然后從混合器的出口經(jīng)過(guò)3.00m長(zhǎng)的管子（315D）進(jìn)入空隙率傳感器?？障堵蕚鞲衅鞯暮竺媸莾蓚€(gè)快關(guān)閥。一個(gè)距離混合器3.50m，另一個(gè)距離混合器5.00m。然后水轉(zhuǎn)回到蓄水箱，在這里水被循環(huán)使用，空氣被排出。混合流體的溫度由溫差電阻在水箱入口處測(cè)得。傳感器的輸出用快關(guān)閥法測(cè)得的值進(jìn)行校正?？礻P(guān)閥法是通過(guò)截獲管子中的流體來(lái)獲得對(duì)空隙率的準(zhǔn)確測(cè)量。管子中的水和空氣的體積會(huì)分別被測(cè)出，從而得到空隙率。閥門關(guān)閉過(guò)程的時(shí)間少于0.01s，這個(gè)時(shí)間是由Dounan et al

20、(1985)確定的。因?yàn)橐螽a(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差能被忽略。當(dāng)閥門處的表壓達(dá)到105Kpa是，流體就從旁路回到水箱。另外，如果測(cè)試裝置的絕壓超過(guò)310Kpa，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉氣流來(lái)降低壓力和保護(hù)回路。數(shù)據(jù)的獲得和控制是有一臺(tái)486/66MHZ的計(jì)算機(jī)中的一塊12位的ADAC 5550MF復(fù)合函數(shù)板做到?？諝夂退牧髁浚^對(duì)壓力，空隙率數(shù)據(jù)，環(huán)境和流體的溫度是有一個(gè)在復(fù)合函數(shù)板上的大約200HZ的12位的A/D傳感器來(lái)記錄的。4.2 標(biāo)定過(guò)程 標(biāo)定要求能夠覆蓋傳感器測(cè)得到的空隙率的全部范圍，而且也可以測(cè)試傳感器對(duì)各設(shè)定點(diǎn)的液體流量和流動(dòng)狀態(tài)的不靈敏區(qū)。表2是除了用于標(biāo)定的液體表觀速度（Usl）和氣體表觀

21、速度（Usg）。標(biāo)定過(guò)程先確定液體流量，然后根據(jù)液體流量來(lái)確定氣體流量。當(dāng)一個(gè)流量被確定后，要給系統(tǒng)足夠的時(shí)間已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后開(kāi)動(dòng)快關(guān)閥截獲一段流體。在截獲部分里通過(guò)分開(kāi)的氣體的柱高和被截部分的管長(zhǎng)（1.5m）比較得到空隙率。因?yàn)槊看瘟髁康恼{(diào)節(jié)在得到傳感器的記錄前平均不少于4次截流。一般的，每次通過(guò)快開(kāi)發(fā)閥得到的空隙率不低于平均讀數(shù)的5 %，只有不到2 %不同于平均數(shù)。傳感器的每次記錄輸出大約間隔12秒（或者2500次采樣）。所有截?cái)嗤瓿珊?，傳感器的輸出被記錄位一次?biāo)定的結(jié)果，接著氣體流量被增加到一個(gè)新的標(biāo)定點(diǎn)，標(biāo)定過(guò)程重復(fù)進(jìn)行。為了得到標(biāo)定曲線，快關(guān)閥法得到的空隙率和空隙率傳感器輸出的標(biāo)

22、準(zhǔn)電壓分別作為相對(duì)的坐標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出V*由等式（2）算出。 （2）Vw和Va是傳感器充滿水和空氣時(shí)的電壓輸出。在等式（2）中，Vm是特定標(biāo)定點(diǎn)的測(cè)量電壓。全部為空氣和全部為水的電壓輸出讀數(shù)在每次標(biāo)定之前或者之后讀取，或者當(dāng)水的流量發(fā)生變化的時(shí)候。這樣做是為了使軌跡的變化隨著因溫度或者水的導(dǎo)電性的變化而引起的流體介電常數(shù)的變化而變化。水的導(dǎo)電性在標(biāo)定前后分別測(cè)量發(fā)現(xiàn)有8.7%的變化（標(biāo)定前為8.4µs cm-1，之后為9.2µs cm-1）。4.3 標(biāo)定結(jié)果標(biāo)定結(jié)果如表4所示，表明傳感器在空隙率的變化范圍內(nèi)大部分是線性的，而且不受流體 圖4. 空隙率標(biāo)定結(jié)果狀態(tài)的影響。最適

23、合的標(biāo)定曲線由等式（3）給出。 （3）其中a是快關(guān)閥法中得到的空隙率。這條曲線確定的系數(shù)（R2）為0.9983，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.011，表明非常適合。儀器精度誤差為0.022。在一個(gè)95%的信任度水平。因?yàn)樽钸m合的曲線包含一個(gè)指數(shù)項(xiàng)，所以它不是線性的；然而當(dāng)空隙率在0.24以上，這個(gè)指數(shù)項(xiàng)將不影響這條曲線，所以在剩下的空隙率范圍的標(biāo)定基本上是線性。在實(shí)際過(guò)程中，等式（3）中的指數(shù)項(xiàng)要在空隙率低于0.06時(shí)才有需要考慮的影響。在標(biāo)定中散布于0.6到0.8之間的空隙率要考慮這個(gè)區(qū)域內(nèi)的高度無(wú)序的翻騰流。另外在標(biāo)定中要考慮的是標(biāo)定必須獨(dú)立于流體狀態(tài)，這一點(diǎn)要貫穿空隙率標(biāo)定的全部區(qū)域。4.4 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

24、為了確信傳感器是可靠的，用實(shí)驗(yàn)檢測(cè)它的重復(fù)性。地面試驗(yàn)是通過(guò)一個(gè)移動(dòng)的流體裝置來(lái)進(jìn)行的。這個(gè)裝置覆蓋了飛行儀器能夠維持的全部范圍。每一次流動(dòng)標(biāo)定在三個(gè)分開(kāi)的場(chǎng)合重復(fù)進(jìn)行，結(jié)果如圖5所示。圖（5）地面重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果它清楚的表明大部分讀數(shù)是非常相符的。散布的點(diǎn)是在翻騰流體狀態(tài)內(nèi)的，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)流動(dòng)非常無(wú)序，造成了兩次實(shí)驗(yàn)之間的巨大誤差。表（3）表示了重復(fù)實(shí)驗(yàn)中3次實(shí)驗(yàn)之間的均方根誤差的誤差百分?jǐn)?shù)，其中以實(shí)驗(yàn)1作為參考。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2之間的空隙率變化為2.6%，實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)3之間的空隙率的變化率為3.6%。如果流動(dòng)裝置在每次實(shí)驗(yàn)中都相同，這個(gè)變化表明了傳感器的重復(fù)性。然而，在相同的a下Usl

25、的變化很明顯，而Usg的變化卻不大，表明a的變化至少部分是由于實(shí)驗(yàn)之間的流動(dòng)裝置的差異造成的。 表3. 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中在不同流動(dòng)裝置和實(shí)驗(yàn)之間的均方根誤差的相對(duì)誤差百分?jǐn)?shù)， 其中實(shí)驗(yàn)1為參考。在NASA的路易絲號(hào)DC-9型飛機(jī)的微重力實(shí)驗(yàn)中，許多流動(dòng)裝置也被重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)。圖6表示的是在飛行過(guò)程中的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 圖6. 微重力條件下的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中就所有重復(fù)的標(biāo)定點(diǎn)而言Usl的均方根誤差為.7%，Usg的均方根誤差為0.2%，而空隙率的均方根誤差為1.9%。當(dāng)然，這些差異很可能是由于流動(dòng)裝置的變化引起的。另外，在讀數(shù)確定之前先通過(guò)做漂移實(shí)驗(yàn)來(lái)確定傳感器的溫升區(qū)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電子線路需要

26、100分鐘才能穩(wěn)定下來(lái)。這已經(jīng)被記錄在飛行過(guò)程中。4.5 規(guī)格摘要 空隙率傳感器的規(guī)格摘要見(jiàn)表4所示。 表4. 空隙率傳感器規(guī)格摘要5. 和別的空隙率數(shù)據(jù)比較因?yàn)榭障堵蕚鞲衅魇窃诘孛嬲Ｖ亓η闆r下標(biāo)定的，所以需要通過(guò)和其他微重力條件下得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較已確認(rèn)這只傳感器得到得的微重力條件下的數(shù)據(jù)?？障堵实谋容^如圖7所示。目前得到的數(shù)據(jù)與Elkow (1995) 和Bousman (1995) 研究的數(shù)據(jù)極好的吻合，只有很小的散布。這種和另外兩個(gè)研究的測(cè)量結(jié)果的散布可以歸因于其他參數(shù)的影響，例如管子直徑，這個(gè)影響沒(méi)有在表7中表示出來(lái)。在表7中一個(gè)應(yīng)該注意的重要事實(shí)是：傳感器獲得的微重力條件下的數(shù)據(jù)

27、留在了其他研究得到的微重力條件下數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)。6. 流動(dòng)狀態(tài)識(shí)別實(shí)例在NASA的路易斯號(hào)DC-9型為重力實(shí)驗(yàn)飛機(jī)的一系列飛行中，做了很多空隙率的測(cè)量。當(dāng)飛機(jī)處于拋物線航跡的頂端時(shí)，這種航跡在機(jī)艙中造成了接近于失重的狀態(tài)。一般地，在爬升和俯沖的過(guò)程中殘留重力為±0.03g0（g0為標(biāo)準(zhǔn)地球引力）這個(gè)殘留重力作用在流體狀態(tài)上，能對(duì)流體測(cè)量和流體狀態(tài)產(chǎn)生不利影響。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)被分析以確定只憑借傳感器所得數(shù)據(jù)確認(rèn)流體狀態(tài)的可能性?？障堵实臅r(shí)間軌跡，空隙率數(shù)據(jù)的PDF，以及高數(shù)攝像機(jī)的記錄被在隨后的記述每一種主要流體狀態(tài)的章節(jié)中示出。關(guān)于這種確定流體狀態(tài)的方法的討論得更多細(xì)節(jié)在Lowe (19

28、97) 可以找到。6.1氣泡流由空隙率時(shí)間曲線和PDF描述的氣泡流見(jiàn)圖8（a）和（b）。圖8（c）所示的是由高速攝像機(jī)得到的一張相片，它清楚地顯示了不同的氣泡沿管子中線流動(dòng)?？障堵蕰r(shí)間曲線在一條低空隙率的水平線上存在著很多小的波動(dòng)，符合氣泡通過(guò)時(shí)的情況。泡狀流的PDF在低空隙率的地方有一個(gè)狹窄的峰值，表明了在一個(gè)確定值周圍的小波動(dòng)?？梢园l(fā)現(xiàn)在泡狀流情況下有唯一峰值的PDF一般不超過(guò)0.2。6.2 緩流空隙率時(shí)間曲線，它的PDF，以及典型緩流的流動(dòng)狀況相片見(jiàn)圖9(a)-(c)。空隙率的信號(hào)描述了緩流的時(shí)間曲線，這條曲線在高值和低值之間波動(dòng)。緩流過(guò)程表現(xiàn)出低空隙率，而當(dāng)泰勒氣泡通過(guò)時(shí)則表現(xiàn)為高空隙

29、率。圖9（c）的流動(dòng)相片可以看到一段緩流的液體以及位于頂部的一個(gè)正在離去的泰勒氣泡的尾巴，還有在觀測(cè)裝置的底部顯示出的另一個(gè)泰勒氣泡的突出部分。正在離去的泰勒氣泡尾部的小氣泡是由于如前所述的殘留重力的影響造成的。一般緩流的PDF有兩個(gè)峰值，一個(gè)高空隙率峰值和一個(gè)低空隙率峰值，這與泰勒氣泡和液體緩流的過(guò)程是相符合的。6.3 過(guò)渡流過(guò)渡流一般由空隙率曲線，它的PDF值，和流動(dòng)狀態(tài)相片表示。如圖10（A）-(C)所示。圖10(C)顯示了一個(gè)典型的不穩(wěn)定的前進(jìn)液體緩流區(qū)，這就是一個(gè)過(guò)渡流。過(guò)度流的空隙率時(shí)間曲線傾向于保持在一個(gè)高空隙率上，但是又無(wú)規(guī)則地急降到一個(gè)低的空隙率上。一般來(lái)說(shuō)，這些低空隙率的狀

30、態(tài)是非常短命的，這表明了這種緩流的不穩(wěn)定性。過(guò)渡流的PDF顯示出一個(gè)寬的峰值，一般空隙率的最大值在0.7到0.9之間，從峰值到0空隙率有一個(gè)很長(zhǎng)的過(guò)程。PDF中唯一的峰值反映了向環(huán)狀流的過(guò)渡，而長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴則反映了有很小的不穩(wěn)定型的緩流。6.4 環(huán)狀流環(huán)狀流的空隙率時(shí)間曲線，PDF，和相片見(jiàn)圖11(a)-(c)。環(huán)狀流的空隙率時(shí)間曲線保持在0.8到0.9之間。圖11(c)顯示了液體薄膜偶爾被擾動(dòng)流打斷。這種擾動(dòng)流的“痕跡”在時(shí)間曲線種表現(xiàn)為空隙率稍微下降到低一些的空隙率值上。一個(gè)典型的環(huán)狀流PDF在空隙率為0.80到0.90之間有一個(gè)非常窄的峰值，而且過(guò)渡到低空隙率的過(guò)程很短。PDF的下這峰值表

31、明薄膜在干擾流通過(guò)后能維持幾乎不變的厚度。圖8. 微重力條件下氣泡流的實(shí)例 （a）空隙率時(shí)間曲線 (b) PDF (c) 相片圖9. 微重力條件下緩流的實(shí)例 （a）空隙率時(shí)間曲線 （b）PDF （c）相片圖10. 微重力條件下緩流的實(shí)例 (a)空隙率時(shí)間常數(shù) (b)PDF (C)相片結(jié)論一個(gè)電容方式的空隙率傳感器獲得了成功，達(dá)到了所有預(yù)期的目標(biāo)。這只傳感器能夠非侵入地在正常和微重力條件下測(cè)量氣-液兩相流的空隙率。傳感器的標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)表明它能夠在整個(gè)空隙率區(qū)域內(nèi)精確測(cè)量，并且不受流體狀態(tài)的影響。地面和微重力飛行試驗(yàn)表明它是可靠的，記錄數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)裝置誤差范圍內(nèi)是可重復(fù)的。傳感器也證實(shí)它足夠的牢固，可

32、以應(yīng)付在測(cè)試過(guò)程期間的震動(dòng)和壓力的波動(dòng)。傳感器收集的微重力條件下的空隙率數(shù)據(jù)對(duì)于確定流體狀況是非常有用的。由空隙率數(shù)據(jù)得到的可能密度函數(shù)清楚地顯示出了四種流體狀況的不同。圖11. 微重力條件下環(huán)狀流的實(shí)例 （a）空隙率時(shí)間曲線 (b)PDF (c)相片答謝在此作者要答謝薩斯喀徹溫大學(xué)工程學(xué)院為這個(gè)計(jì)劃提供的財(cái)政支持，NSERC，以及在加拿大空間機(jī)構(gòu)和NASA的空間合作計(jì)劃中提供的DC-9型飛機(jī)。引文Bousman S 1995 Studies of two-phase gas-liquid flow in Microgracity PhD Thesis University of Housto

33、n. TexasCostihan G and Whalley P B 1997 Slug flow regime identification from dynamic void fraction measurements in vertical Air-water flows Int. J. Multiph. Flow 14Dounan J, Zhengjie W. Zhenwan Y and Congming Q 1985 Gas-liquid flow at microgravity conditions: flow patterns and their transitions Int.

34、 J. Multiph. Flow 14Elkow K J 1995 Void fraction measurement and analysis at normal gravity and microgravity conditions MSc Thesis University of Saskatchewan. Saskatoon, CanadaElkow K J and Rezkallah K S 1996 Void fraction measurements in gas-liquid flows using capacitance sensors Meas. Sci. Technol

35、. 7 1153-63Gerates J J M and Borst J C 1988 A capacitance sensor for two-phase void fraction measurement and flow pattern identification Int. J. Multiph. Flow 14 305-20Heerens W C 1986 Application of capacitance techniques in sensor design J. Phvs. E: Sci. Instrum. 19 897-906Huang S M, Plaskowski A

36、B, Xie C G and Beck M S 1989 Tomographic imaging of two-component flow using capacitances sensors J. Phys. E: Sci. Instrum. 22 173-7Huang S M, Stott A L, Green R G and Beck M S 1988 Electronic transducers for industrial measurement of low value capacitances J. Phys. E: Sci.Instrum. 21 242-50Jones O