熱膜流速儀在浮閥塔板局部流動(dòng)特性研究中的應(yīng)用.docx

1、第】。卷第3期1996年9月Vol.10,No.3Sep.,1996氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)與測量控制AERODYNAMICEXPERIMENTANDMEASUREMENT&.CONTROL熱膜流速儀在浮閥塔板局部流動(dòng)特性研究中的應(yīng)用維拳強(qiáng)推芝黃潔天津大學(xué)，天律（郵政編瑪300072）清華大學(xué)，北京（郵政編瑪100084）摘要在對(duì)熱膜流速儀的探頭標(biāo)定及兩相信號(hào)分離的方法等特性進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，測定了V-V浮閥塔板的流動(dòng)特性.對(duì)于水,提出標(biāo)定數(shù)據(jù)的兩段線性擬合法,能夠準(zhǔn)確、快捷地用于流速測量.對(duì)汽液兩相值號(hào)分離的兩類方法進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，癖率法用于測定兩相中莓一相的時(shí)均速度閾值法用于確定各相所占的比率都能取得比較準(zhǔn)

2、確的結(jié)果.剖定了以V-V浮閥塔板幾個(gè)閥片所形成的局部區(qū)域的氣含率及流速分布特點(diǎn),得出對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義的結(jié)果.關(guān)鍵詞熱腰流更區(qū)氣液兩相流氣含率，驅(qū)絲標(biāo)定1引言蒸保塔板上氣液兩相的流動(dòng)特性對(duì)它的分離效率有很大的影響，因而從事化學(xué)工程科研工作的學(xué)者多年來一直試圖準(zhǔn)確測定塔板上的液相流速分布規(guī)律及氣含率的分布特點(diǎn).對(duì)塔板上的液相流速分布.目前多采用間接測量的方法。早期Porter等人采用加示蹤物錄像的辦法測定了塔板上的液相停留時(shí)間分布，其后，主要采用脈沖一響應(yīng)技術(shù)測定塔板上的流速分布，Hofhuis和Zuiderweg又用丫射線吸收法測定了氣含率隨塔板上鼓泡層高度的分布規(guī)律.但由于上述測試手段本

3、身的局限，它們只能用于測定整個(gè)流場平均效果，而不能對(duì)每一點(diǎn)上的特性進(jìn)行測定。另外,文獻(xiàn)中所報(bào)道的兩相流場測定多集中在篩板塔上.對(duì)其它類型塔板的研究報(bào)道甚少。浮閥塔板，由于受闕體和閥頂蓋板的阻礙，在幾個(gè)閥所形成的局部區(qū)域內(nèi)，氣含率和液體流速在不同位置都有很大差別。而前面所提到的間接方法.不能對(duì)這一特性針對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行直接測定。熱膜流速儀是近年來應(yīng)用比較廣泛的一種流速測量技術(shù)，由于它所使用的探頭尺寸較小，可以對(duì)每一個(gè)點(diǎn)的特性進(jìn)行測國家重點(diǎn)侑恒分離寡驗(yàn)室開放課朗1995年11月6日收稿定，而旦對(duì)流場干擾甚小，頻率響應(yīng)高，對(duì)不同流體相的反應(yīng)有明顯差異，因此可用于局部兩相流動(dòng)特性的刪定。2熱膜流速儀的特性

4、研究2.1熱膜探頭的標(biāo)定熱膜流速儀通過敏感元件(熱敏電阻)的熱量平衡將探頭兩端的加熱電壓E和流過探頭表面的流體速度a聯(lián)系起來，從而建立起二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖1(a)是輸出電壓對(duì)水流速度的標(biāo)定曲線.在實(shí)際應(yīng)用中，人們經(jīng)常把標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行線化或擬合，找出輸出電壓隨流速變化的數(shù)學(xué)關(guān)系,Win和Prah對(duì)常用UJ擬1方注作了比轉(zhuǎn)4轉(zhuǎn)子流計(jì)5仁水擂6某7氣體分布器本文中采用水作為流體介質(zhì)，經(jīng)過對(duì)多組標(biāo)定數(shù)據(jù)的處理，發(fā)現(xiàn)用下面的方法擬合數(shù)據(jù)效果較好：IE=*4-B1(。uV0.04m/s)|Ln()=/l,Ln(u)4-(a0.04m/s)其中由標(biāo)定過程得到，它們決定于探頭的特性、所測量的流體介質(zhì)的物理性

5、質(zhì)以及探頭工作的過熱比。圖1(b)是線化后的標(biāo)定結(jié)果，Ln(E)與Ln(a)的線性相關(guān)系數(shù)在99.9%以上。2.2兩相流的測定22.1實(shí)驗(yàn)裝置及兩相信號(hào)特點(diǎn)圖2所示的是用于進(jìn)行熱膜流速儀特性研究的兩相流小試系統(tǒng)。有機(jī)玻璃柱長2m,內(nèi)徑40mm,探頭裝在玻璃柱的中間。氣液兩相從柱子底部輸入，氣體分布器使氣袍大小分布更加均勻。通過控制氣液相的流筮、可以在上述流道中得到不同氣含率的氣液兩相流場。儀器輸出的電壓信號(hào)送到微機(jī)數(shù)據(jù)采集第3期劉富善等：燼膜演速儀在浮冏塔板局部流動(dòng)特性研究中的應(yīng)用65系統(tǒng).圖3是采祥頻率為lOWz時(shí)兩相信號(hào)的時(shí)間特性曲線，圖3中向下的電壓脈沖代表經(jīng)過探頭表面的氣泡可以看出氣液

6、兩相信號(hào)有明顯的區(qū)別。圖3小試系統(tǒng)中的兩相信號(hào)時(shí)間特性2.2.2兩相信號(hào)的分襄方法在兩相流的實(shí)驗(yàn)測定中,只有對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，才能夠正確地反映流場的實(shí)際狀況，這樣就不能再用人工的辦法來區(qū)分兩相信號(hào).目前有兩類依靠計(jì)算機(jī)的方法用于處理儀器輸出的兩相信號(hào)。一類稱為概率法,是根據(jù)對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果來區(qū)分；另一種是閾值法，對(duì)所采集的全部信號(hào)逐一分析，甄別每一個(gè)氣泡,從而劃分氣液兩相.下面對(duì)這兩類方法分別予以介紹.A.概率法對(duì)熱膜流速儀的輸出信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得電壓概率分布。在電壓概率圖上有兩個(gè)峰值.其中電壓值較低的峰為氣相信號(hào)，電壓值較高的為液相信號(hào)。圖4(a)表示了Delhaye等人

7、所提出的兩相信號(hào)區(qū)分原理.他們利用照相和示波器相結(jié)合,發(fā)現(xiàn)氣泡經(jīng)過探頭時(shí)，電壓信號(hào)的下降和上升段應(yīng)歸為氣相貢獻(xiàn)，那么在圖中電壓晶至E3間高為的電壓平臺(tái)部分是由氣相產(chǎn)生.DeJhaye認(rèn)為這種影響一直持續(xù)到流場所產(chǎn)生的最大電壓信號(hào).由此，提出氣含率e,的計(jì)算公式：J勺v,V.V,Sv.由于受計(jì)算機(jī)速度的限制.他們所采集的數(shù)據(jù)量比較少，得到的概率密度圖還有很大的隨機(jī)性。圖4(b)是Lu等人在1988年，使用錐形探頭，以3.33kHz的頻率采集54s,所得的電壓概率圖。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在對(duì)大量數(shù)據(jù)的采集已經(jīng)很容易做到。圖4(c)是本實(shí)驗(yàn)采用IFA-100型熱膜流速儀，控制采樣頻率為104

8、Hz,采樣時(shí)間為90s所得到的電壓概率分布。由于采樣點(diǎn)數(shù)比較多,概率分布圖明顯地更加光滑確定。Her-ringe和Davis用圓柱形熱膜及圓錐形熱膜作了類似的實(shí)驗(yàn),他們認(rèn)為兩相區(qū)分應(yīng)該沿切線AT進(jìn)行，如圖4(c).B.閾值法這種方法首先由Abel和Resch提出。他們的根據(jù)是：電壓信號(hào)連續(xù)下降或上升超過某一給定的閾值時(shí),就認(rèn)為經(jīng)過探頭表面的流體相發(fā)生了變化。那么符合上述條件的相鄰的下降段和上升段之間就是一個(gè)氣泡。報(bào)據(jù)這一原則對(duì)全部電壓信號(hào)進(jìn)行分析,甄別每一個(gè)氣泡就可以分離氣液兩相。他們建議用這樣的過程選擇閾值A(chǔ)to當(dāng)取At=。時(shí),全部信號(hào)都被判斷為由氣0文獻(xiàn)7中的慨率圖0文獻(xiàn)7中的慨率圖（c）

9、本文實(shí)騷中的慨率圖圖5閾沮法原理圖4恢率法區(qū)分兩相信號(hào)相產(chǎn)生上=匚從零開始八Et以一定的間隔增大，針對(duì)每一個(gè)設(shè)定的閾值，對(duì)電壓信號(hào)處理可以統(tǒng)計(jì)出一個(gè)相應(yīng)的氣含率5直到At增大到某一值，這時(shí)全部信號(hào)都被判斷為液相湍動(dòng),5=0。作上對(duì)XEr的變化關(guān)系曲線（如圖5）,從圖5上可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)XEr在某一范圍內(nèi)變化時(shí)，所統(tǒng)計(jì)出的氣含率c.基本不變。這時(shí)的.就是兩相流動(dòng)中的實(shí)際氣含率。C.兩種方法的比較概率法用于兩相信號(hào)的劃分.理論根據(jù)不很充分,不同學(xué)者對(duì)兩相劃分界線所持觀點(diǎn)不盡相同而文獻(xiàn)中所測定的流場基本上都是7液并流，兩相流速相差不大,兩相信號(hào)電壓值相差比較多的情形。對(duì)于氣速很大的流場兩相信號(hào)所形成的峰

10、值之間沒有明顯的平坦段.這沖方法會(huì)過高地估計(jì)氣含率的值。盡管如此,對(duì)干確定兩相中某一相的時(shí)均速度，概率法仍不失為一種好方法.只要從圖上確定每個(gè)峰的重心位置就可以得到流速的平均值.另外在化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用的筋板塔的流場測定中,我們發(fā)現(xiàn)這種方法能夠更準(zhǔn)確地反映液相的不同流動(dòng)成分的特點(diǎn)閾值法對(duì)每一個(gè)氣泡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，理論根據(jù)比較確定，對(duì)于兩相信號(hào)的分離更準(zhǔn)確些。為了檢驗(yàn)上述兩種方法處理數(shù)據(jù)所得到的氣含率的準(zhǔn)確性,可以采用以下的辦法：在圖2所示的流路處于穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，同時(shí)關(guān)閉水和氯氣，玻璃柱內(nèi)以氣泡形式存在的氮?dú)鈱乃幸绯?，柱中最后所剩的水柱高度與兩相混合物所占的全部柱長之比為兩相中液相含率將多組結(jié)果與經(jīng)閾值

11、法處理所測得結(jié)果相比較,發(fā)現(xiàn)二者幾乎完全一致而用概率法處理數(shù)據(jù)所得的結(jié)果不甚理想。對(duì)于實(shí)際測試中氣泡大小分布范圍比較廣的兩相體系，閾值法不容易選到準(zhǔn)確的閾值,這時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，是兩相信號(hào)分離中需要進(jìn)一步解決的問題。根據(jù)上述分析，在實(shí)際測量過程中，應(yīng)根據(jù)不同的測試目的選用不同的信號(hào)處理方法，即用概率法測每一相的時(shí)均速度.用閾值法對(duì)兩相界限進(jìn)行準(zhǔn)確劃分，測定兩相中各相所占的比率。3浮閥塔板上的局部流動(dòng)特性浮閥塔板是化學(xué)工業(yè)中常用的一種氣液分離裝置.塔板上的氣液兩相的流動(dòng)、混合狀態(tài)不同于其它形式的塔板。本文就幾個(gè)閥片所形成的局部區(qū)域的氣含率和液相流速分布進(jìn)行了測定.這種塔板的局部流動(dòng)待性數(shù)據(jù),國

12、內(nèi)外文獻(xiàn)均未見報(bào)道。它對(duì)于塔板流體力學(xué)和傳質(zhì)過程的模型化是十分重要的.31實(shí)驗(yàn)裝置簡介實(shí)驗(yàn)在空氣一水的冷模塔內(nèi)進(jìn)行，塔徑l.2m,塔高2、7m,其結(jié)構(gòu)如圖6所示塔內(nèi)圖6空/一水系瓏?yán)淠Ｋ克?流H控制冏3孔板流量計(jì)4風(fēng)機(jī)5畢托管流量計(jì)6實(shí)蒙塔板7/體分布板8埴特層圖6空/一水系瓏?yán)淠Ｋ克?流H控制冏3孔板流量計(jì)4風(fēng)機(jī)5畢托管流量計(jì)6實(shí)蒙塔板7/體分布板8埴特層裝有三層塔板，下面的兩層板使氣體沿塔截面均勻分布,上面一塊板上流場的局部流動(dòng)特性是我們要檢測的對(duì)象.實(shí)驗(yàn)時(shí)水從塔頂通過降液管從進(jìn)口堰水平均勻地流進(jìn)塔板；氣相由風(fēng)機(jī)從塔底鼓入，經(jīng)過閥孔從下到上垂直通過液層，這樣就在塔板上形成氣液兩相錯(cuò)

13、流流場.圖7是德國STAHL公司開發(fā)的VARIOFLEX-VALVE浮閥塔板（簡稱V-V塔板）閥片分布圖（圖中所示的是耐稱的圓形塔板的一半）。被檢測的塔板結(jié)構(gòu)及操作條件如表1。表1塔板直徑D：l.2m兩堰間距離=,：）.90m堰長W：0.79m出口垠高度A；：50mm閥片直徑：50mm支架蓋板高度：20mm如：90mm力，：160mm空塔氣建i0.645m/液流強(qiáng)度心：8.44入10-%/6-s）V-V塔板閥片分布圖3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.2.1局部氣含率在圖7中虛線所圈定的平面中以5mm為間隔作網(wǎng)格，測各結(jié)點(diǎn)上的氣含率（探頭在閥片蓋板上方20mm）.圖8描繪出了所測得的結(jié)果，其中（a）為表示氣含率

14、兩維分布的曲面圖，（b）為這一面積單元上的等氣含率曲線,從圖中可以明顯地看出氣含率的分布關(guān)系每個(gè)閥片斜上方有一個(gè)區(qū)域氣含率極低。因此，可以說這里也是氣液傳質(zhì)最不充分的區(qū)域。3-2-2局部液相流速分布由于閥體有一定高度，那么在支架蓋板高度以下、幾個(gè)閥片之間的區(qū)域與蓋板以上的液相主體流速就會(huì)有一定的差別。分別取探頭距塔板的高度為如=15mm及L=40mm（蓋板距塔盤的高度為20mm）.對(duì)圖7中示出的各點(diǎn)的液相平均速度進(jìn)行測定結(jié)果列于表2中。所測的局部位于塔板中間,液體垂直于進(jìn)口堰從進(jìn)口流向出口。很顯然在密布的閥片之間流速比校慢（奴=15mm時(shí)，點(diǎn)1速度校大是由于氣體從閥孔噴出對(duì)液流有表2局部區(qū)域內(nèi)

15、不同位置的流速L(mrn1540測試點(diǎn)1231O345逢度im/s)0.27560-13560.13240-25530-25060.21880.26200.2438加速作用）而在蓋極以上（A=40mm）的不同位置各點(diǎn)流速相差不多。Z圖8同高度氣含率的平面分布（1）在對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了熱膜流速儀的特性。針對(duì)流體介質(zhì)水所提出的兩段線性擬合的辦法能夠更準(zhǔn)確、快捷地處理標(biāo)定數(shù)據(jù)。對(duì)文獻(xiàn)中報(bào)道的兩類兩相信號(hào)的分離方法進(jìn)行了比較指出概率法和閾值法各自的適用范圍和局限性。以）首次用熱膜流速儀對(duì)石油化工中常用的浮閩塔板上所持有的液相流動(dòng)和氣含率的局部不均勻分布現(xiàn)象進(jìn)行了測定.發(fā)現(xiàn)在徊

16、片周圍的不同位置上，不同深度的液層中氣含率和液昭流速都有很大的差異這樣對(duì)塔根的分離效率會(huì)產(chǎn)生顯著的影響.同時(shí).這些結(jié)果對(duì)通常模型化的有關(guān)假設(shè)將作出重要修正具有很大價(jià)值。參考文獻(xiàn)1PorterKE,LockeMJandLimCT.Trans.Inst.Chetn.EngrstJ972.t50(91)2余國球，黃潔，張擇庭.化工學(xué)報(bào)，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劉富善.碩士論文天津大學(xué)，】995.APPLICATIONOFHOT-FILMANEMOMETERINTHESTUDYONFLOWCHARACTERISTICSOFVALVETRAYLiuFushanZhang

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