DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.04.030

一种测量环状流液膜参数的传感器研究

赵宁^{1, 2, 3}，王超^{1, 2}，孙宏军^{1, 2}，冯越^{1, 2}，王青天^{1, 2}

(1. 天津大学 电气与自动化工程学院，天津，300072；

2. 天津市过程检测与控制重点实验室，天津，300072；

3. 河北大学 质量技术监督学院，河北 保定，071002)

摘要：在分析现有的测量技术的基础上，将近红外在线分析技术引入两相流测量领域，通过Fluent实验仿真分析导光管对流场的影响，构建基于近红外吸收技术的液膜参数测量传感器。根据近红外光谱吸收原理、功率谱测频和互相关测速算法等实验数据处理方法实现气液两相环状流液膜厚度及波动参数的测量。研究结果表明：该测量传感器具有非接触性、适用范围广等特点，可以有效反映局部液膜厚度随采样时间的变化，以及准确测量液膜波动参数，为研究气液两相环状流传质传热以及流动特性提供了一种可靠的实验测试方法。

关键词：近红外；环状流；液膜厚度；波动参数

中图分类号：TH814；TK313             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)04-0995-08

Measuring sensor of liquid film parameter in annular flow

ZHAO Ning^{1, 2, 3}, WANG Chao^{1, 2}, SUN Hongjun^{1, 2}, FENG Yue^{1, 2}, WANG Qingtian^{1, 2}

(1. School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China;

2. Tianjin Key Laboratory of Process Measurement and Control, Tianjin 300072, China;

3. College of Quality and Technology Supervising, Hebei University, Baoding 071002, China)

Abstract: Based on the analysis of the existing experimental testing technology, the process analysis technology of near infrared (NIR) was introduced into the field of two-phase flow measurement. The influence of light guide pipe on flow field was analyzed by using fluent software simulation, and sensor that measured liquid film parameters was designed based on NIR absorption technology. According to the principle of NIR spectral absorption, power spectrum for frequency measurement, the cross-correlation algorithm for velocity measurement, the measurement of liquid film thickness and wave characteristics of gas-liquid annular flow were achieved. The results show that the sensor has many characteristics, such as non-contact, wide applicable scope, which can effectively reflect the thickness of local liquid film with the change of sampling time, and accurately measure the wave parameters. A reliable experimental measuring method for the gas-liquid flow study of mass and heat transfer and flow features is provided.

Key words: near infrared (NIR); annular flow; film thickness; wave parameters

环状流是气液两相流动的重要流型之一，广泛存在于石油化工、空调和制冷系统、核反应堆冷却等领域^[1]。在典型环状流中，沿着管道四周内壁为很薄且波状的液膜，管道中心是气体为连续相且中间夹带有液滴的气核。液膜厚度及表面波动行为(波速、波频等)是研究环状流的重要参数，对研究两相间质量、动量和能量相间转移具有重要的意义^[2-3]。液膜参数定量研究即实验测试技术研究一直是气液两相流研究领域的热点^[4]。随着测量技术的不断发展，诸如超声波法^[5-6]，电导法^[7-8]，电容法^[9-10]，射线法^[11-12]，微波法^[13]和光学测量法^[14-16]等不断地应用在环状流液膜特性参数的检测上。近红外光谱对于不同的含氢基团具有不同的特征吸收谱带。近红外分析仪器具有很高的灵敏度和0.1%的样本检测限。近红外光谱技术广泛应用于农业、食品工业、临床医药、石油化工等领域^[17]。随着便携式在线仪器的出现和过程分析技术(process analysis technology)在制药领域的发展，近红外在线分析技术逐渐应用到其他领域^[17]。近年来，近红外技术开始被引入气相两相流检测领域，FANG等^[18]利用近红外技术检测气液两相流流动形态；VENDRUSCOLO等^[19]发展了近红外光学成像系统用于气液两相流的实时监测；WANG等^[20]设计了基于近红外光谱技术的测量传感器用于气液两相环状流截面含气率的测量。将近红外在线分析技术应用到气液两相环状流液膜参数测量具有上述传统方法所不具备的优势，本文作者结合fluent仿真结果设计基于近红外吸收技术的测量传感器，结合近红外光谱吸收原理、功率谱测频和互相关测速算法等实验数据处理方法，实现气液两相环状流液膜参数的非接触测量。

1  测量原理

1.1  近红外光谱吸收原理

近红外光(NIR)是介于紫外-可见光(UV-Vis)和中红外光(MIR)之间的电磁波，其波长范围为700~2 500 nm。近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，主要反映的是含氢基团X—H(如C—H，N—H和O—H等)振动的倍频和合频吸收。不同基团的近红外吸收波长与强度有明显差别，以水为例(见表1)，基于现代化学计量学方法，近红外光谱既可用于定性分析也可用于定量分析^[22]。

近红外光谱吸收遵循朗伯比尔定律，即

          (1)

式中：I₀(λ)和I(λ)分别为入射光强和透射光强；σ(λ)为波长λ处的吸收截面；c为被测物质的浓度，mol/cm³；L为光程，m。

表1  H₂O的近红外特征吸收谱带

Table 1  Absorption band of H₂O

不同的吸收特征波长对应着不同的吸收率，即渗入样品的深度不同。考虑到测量对象为空气和水，而空气对近红外光的吸收近似为零，针对水这一液相介质，为了选择合理的近红外光波长，根据朗伯比尔定律(式(1))，计算水的O—H基团共4种典型的吸收谱带峰值波长下的透光率，如图1所示。

图1  不同特征波长的透光率

Fig. 1  Transmittances of different peak wavelengths

从图1可以看出：在波长为1 940 nm和1 450 nm时，水的近红外光谱吸收显著，但光程很短透光率很小；980 nm透光率曲线与1 220 nm透光率曲线相比，其线性度更好，透光率较大。因此，综合考虑上述因素，选择980 nm近红外光作为测量传感器的光源特征波长。根据近红外光通过介质前后的光强之比(即透光率)即可获得液膜厚度这一参数。

1.2  波动频率测量原理

如果存在一个连续的功率有限信号f(t)，当它为实数且为周期函数时，该函数的自相关函数可定义为

       (2)

根据维纳-欣钦(Wiener-Khintchine)关系可知，功率有限信号的功率谱函数与自相关函数是一对傅里叶变换，即

              (3)

随机信号不能用频谱表示，可以用功率谱来描述随机信号的频域特性。功率谱图中最大峰值点处对应的频率即定义为波动的平均频率。

1.3  波动速度测量原理

如果存在2个连续的功率有限信号f₁(t)和f₂(t)，当它们是实数且为周期函数时，2个函数的互相关函数可定义为

       (4)

利用2组近红外吸收衰减信号的时间序列构建互相关函数图，则函数图中的波峰对应的时间即扰动波从第1组传感器到第2组传感器的平均时间。由于2组传感器之间的距离为固定值，从而可以推导出扰动波沿轴向的行进速度。

2  测量传感器

2.1  实验仿真

环状流为典型的气液两相流流型，出现在气相流速较高的区域。流型特点为：单相液膜沿着管壁流动，而管道中心为气相夹带液滴的两相混合流动。在气液两相环状流动中，管道截面上有多重因素会对近红外光造成衰减吸收^[20]，如气核中夹带的液滴造成的Rayleigh散射、Mie散射等，对液膜参数的测量带来很大的不确定度，因此，需要设计导光管结构将近红外光导入至被测局部液膜处，从而排除其他液膜及气核中夹带液滴的影响，使整个测量传感器的测量精度更高。而导光管作为插入体必然会对流场造成影响，因此，有必要针对导光管的直径和插入深度等参数对流场的影响进行仿真研究，进而优化和确定导光管的结构参数。

考虑到管壁处液膜极薄这一特点以及Fluent中多相流计算模型的局限性和计算效率等因素，在气液两相环状流中，气相的体积分数偏大，占主相地位；由于两相界面剪切作用以及液膜雾化作用形成夹带液滴，气相裹挟夹带液滴沿管道中心运动，而液膜则沿管道内壁以连续相流动，因此，对于流场分析进行以下简化处理：将研究的背景流场设置为单相气体流场，考虑该条件下置入体即导光管对流场的影响，并建立如图2所示的仿真模型。

首先对有无置入体进行仿真，其纵切面的速度云图如图3所示。从图3可以看出：置入体的主要扰动区域是与置入体相对应的前后直管段部分，在该区域内，速度等值线排布密集陡峭，说明速度变化剧烈。而在置入体下方速度等值线排布稀疏平缓，说明该区域内速度均匀、变化平稳，因此，可以得出置入体对管道下方流场的扰动性不明显。

图2  三维仿真模型

Fig. 2  3-D simulation model

图3  Z=0截面速度云图

Fig. 3  Velocity profile section of Z=0 section

为进一步探究在置入体下方的流场区域是否受置入体的影响以及影响程度，取管道下方的横截面，分别取距底部2，5和10 mm的截面(即Y=-0.023，Y=-0.020和Y=-0.015截面)，观察横截面内的速度云图，如图4所示。

从图4可以看出：在有无置入体情况下，各横截面内流场的速度云图变化趋势均相同，置入体对流场的破坏并未波及底部流场，引起其下方流场的扰动和畸变，该仿真结果说明置入体对于管道底部的流场的影响可以忽略，也就是说，导光管的引入对于底部的液膜流动是无影响的，会提高其测量精度。

图4  不同位置处的横截面速度云图

Fig. 4  Velocity profile section of different locations at cross section

动压是流体运动产生的力，是一个与流体速度相关的物理量，与伯努利方程中的动能项()对应。在涡街监测中，以动压周期性变化作为直接表征稳定涡街产生的标志，且圆管发生体涡街信号的最佳探测位置在发生体后1D(D为管道直径)附近。因此，选择动压作为监测指标来判断置入体后是否会产生影响流场稳定的涡街，如图5所示。

置入体后1D和2D处的动压是稳定发展的，没有周期性的脉动特征，说明没有旋涡产生，更没有稳定的涡列。两点处动压差异的根源是速度差，流体质点与置入体接触一点的速度为0，之后经过1D和2D的沿程逐渐增速，所以，体现在动压上，是2D处动压高于1D处动压。为补充说明在置入体后方有无涡街产生，取Y=0横截面，观察该区域流场内信息，如图6所示。

由图6可以看出：在置入体下游没有出现呈旋涡对状的低速区域，流线图也反映出在置入体下游没有旋涡产生。下面主要对置入体插入深度对底部流场的影响性进行研究，以插入深度30 mm和35 mm为例，如图7所示。

由图7可以看出：不同长度置入体情况下，置入体所在截面内的速度变化趋势相同，等值线分布情况相似，在置入体下方均呈现出速度等值线平稳变化，底部流线均匀排布走向稳定，说明不同长度置入体的对流场的影响程度相近。

经上述仿真分析，可以得出：在现有工况条件下，置入体的插入对于管道下方流场即底部液膜处的影响可以忽略；置入体不同插入深度对于流场即底部液膜处的影响相差不大，可忽略，说明导光管设计是可行的。

图5  置入体后不同位置处的动压

Fig. 5  Dynamic pressureat different locations behind insertion

图6  Y=0横截面的速度云图和流线图

Fig. 6  Velocity contour and streamline space of different placed-depth at cross section Y=0

图7  Z=0截面(置入体所在纵切面)速度云图和流线图

Fig. 7  Velocity contour and stream line space of different placed-depth at cross section Z=0

2.2  测量传感器设计

基于上述原理构建了液膜参数测量传感器，如图8所示。该传感器主要由2组近红外吸收探测单元和摩阻压降测量单元等3部分组成。每组近红外吸收探测单元主要由近红外光发射探头、导光管和探测器组成。发射探头采用的是Thorlabs生产的平行激光二极管模块CPS980，其输出波长为(980±10) nm，功率为4.5 mW，光斑面积(长×宽)为3.8 mm×1.8 mm；导光管为直径5 mm的不锈钢管(内径为3.5 mm)，顶部有玻璃视窗，径向移动范围为15 mm(插入深度范围：距管道顶部30~45 mm)；探测器采用的是Telenyne生产的InGaAs探测器(J22-18I-R01M)，响应波长范围为800~1 700 nm，探测器有效面积为1.0 mm×1.0 mm，结合前置放大器模块(PA-7-70，EG & G)实现光强信号的调制和输出。液膜参数测量传感器管段材质为304不锈钢，内径为50 mm，2组近红外吸收探测单元相距100 mm(2D)。

图8  液膜参数测量传感器

Fig. 8  Measuring sensor of liquid film parameter

3  实验结果与分析

3.1  实验测试

采用天津大学双闭环可调压中压湿气实验装置对该测量传感器进行验证实验(如图9所示)。本实验采用的流动介质为压缩空气和水，气源为罗茨鼓风机，气液两相标准管路混合前分别经过标准管路予以计量，分别采用涡轮流量计和电磁流量计作为标准表。气相体积流量范围1~1 000 m³/h(不确定度为1.0%，包含因子k=2)，液相体积流量范围为0.05~8 m³/h(不确定度0.35%，k=2)，装置运行压力为0.1~1.6 MPa(不确定度0.2%，k=2)。该实验装置采用双循环回路设计，主要由气路循环回路、水路循环回路、气液混合水平及垂直实验管段、计算机控制系统等组成。

图9  可调压中压湿气装置示意流程图

Fig. 9  Technological equipment flow chart of wet gas experimental facility with adjustable and intermediate pressure

3.2  实验结果与分析

利用上述实验装置对该液膜测量传感器进行实验验证。利用朗伯比尔定律(式(1))将近红外光吸收衰减后的光强信号转换为液膜厚度，其随采样时间变化曲线如图10所示。从图10可以看出：流动的液膜厚度随着采样时间呈现不断振荡的连续性变化，符合液膜表面具有扰动波和小波纹的特点。图11所示为不同液相表观流速下的平均液膜厚度。从图11可以看出：在管道压力和气相表观流速一定情况下，液膜平均厚度随着液相表观流速的增加而增加，随着气相流速的增加而减小。图12所示为不同压力下液膜厚度随液相表观流速变化图。从图12 可以看出：在固定气相和液相表观流速下，液膜厚度随着压力的增加而减小。

图10  液膜厚度随采样时间的变化曲线

Fig. 10  Curve of film thickness at different sample time

图11  不同液相表观流速下的平均液膜厚度

Fig. 11  Average film thickness at different liquid superficial velocities

根据波动频率测量原理，将探测器获得的光强电压信号进行归一化处理，绘制功率谱图(如图13所示)，其谱图中最高波峰所对应的频率即为扰动波的波动频率。以管道压力为0.2 MPa、气相表观流速为12.8 m/s、液相表观流速为0.141 m/s实验测量点为例，其扰动波波动频率约为3 Hz。

图12  不同压力下液膜厚度随液相表观流速变化图

Fig. 12  Liquid film thickness with liquid superficial velocity variation at different pressures

图13  功率谱图

Fig. 13  Spectrum of power spectrum

以管道压力为0.2 MPa、气相表观流速为12.8 m/s、液相表观流速为0.141 m/s实验测量点为例，分别提取上、下游探测器采样光强信号，并对其进行归一化处理，处理结果如图14所示。利用互相关检测原理，分别以上游和下游的归一化结果计算出互相关函数R_xy，如图14(c)所示。从图14可以看出：互相关系数出现了接近于1.0的极值，其极值对应的横坐标即为所求的液膜表面波通过上、下游探测器所需的时间。由于2组探测器之间的距离为定值(L=0.1 m)，因此，可以获得其波动速度(v_w=3.2 m/s)。

图14  液膜表面波动速度互相关测量

Fig. 14  Cross-correlation measurement of wave velocity

4  结论

1) 通过将近红外在线分析技术引入气液两相环状流液膜参数测量、结合Fluent实验仿真结果，设计了新型液膜参数测量传感器，实现了中低压下局部液膜参数的在线动态检测。

2) 找出并分析了造成近红外光衰减的因素，引入并优化了导光管设计，尽可能地避免了夹带液滴散射特别是Mie散射造成的光能损失影响；采用不锈钢管体的设计避免了环境光造成的影响，实现了对局部液膜参数的无接触测量，提高了测量精度和可靠性。

3) 根据近红外光谱吸收原理、功率谱测频以及互相关测速原理，实现了气液两相环状流液膜厚度及波动参数的非接触测量。该传感器能够实时、准确地反映局部液膜随采样时间变化信息，为研究两相流传质传热以及流动特性提供了一种新的、可行的实验测量方法。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2017-04-10；修回日期：2017-07-16

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(61627803，51506148，61673291，61475041)；河北省自然科学基金资助项目(F2015201215)；河北省教育厅青年基金资助项目(QN2015216)(Projects(61627803, 51506148, 61673291, 61475041) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(F2015201215) supported by the Natural Science Foundation of Hebei Province; Project(QN2015216) supported by the Youth Foundation of Ministry of Education Hebei Province)

通信作者：王超，博士，教授，从事电学层析成像、多相流测量和生物阻抗检测研究；E-mail：wangchao@tju.edu.cn