一、多相流的定義
所謂“相”，就是通常所說的物質(zhì)的態(tài)。每種物質(zhì)在不同的溫度下可以有三種不同的物理狀態(tài)，即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，這也就是說任何物質(zhì)都有三相，即固相、液相和氣相。多相流就是在流體流動中不是單相物質(zhì)，而是有兩種或兩種以上不同相的物質(zhì)同時(shí)存在的一種運(yùn)動。因此，兩相流動可能是液相和氣相的流動，液相和固相的流動或固相和氣相的流動。也有氣相、液相和固相三相混合物的流動，如氣井中噴出的流體以天然氣為主，但也包含一定數(shù)量的泥沙和液體，這是比兩相流更復(fù)雜的一種流動。
各種液體混合在一起，有時(shí)可成為一種混合均勻的液體，如水和酒精的混合物，有的則不能，例如水與水銀的混合物，后一種混合物的流動具有與兩相流相似的特性。各種氣體混合時(shí)都能混合均勻，成為一種單相氣體，因此，各種氣體的混合流動均屬單相流。
二、多相流體流量測量的任務(wù)
兩相流流量可分為兩種，一種為兩相混合物流量，也即兩相流的總流量，另一種為各相的流量，各相流量之和就等于兩相混合物流量。
要確定各相流量，不僅需測定兩相混合物流量，還需測定兩相中任一相在混合物中的含量。以氣液兩相流為例，要確定氣相和液相的質(zhì)量流量就需測定氣液混合物的質(zhì)量流量qm和氣相的流量質(zhì)量含量βGm。氣相的流量質(zhì)量含量，根據(jù)定義，等于氣相質(zhì)量流量qG與氣液混合物質(zhì)量流量qm之比。因此qG就等于qm和βGm的乘積，而液相質(zhì)量流量qL就等于qm和qG之差。所以要對氣液兩相流流量進(jìn)行完整的測量，一般需要測定兩個(gè)參數(shù)，即氣液混合物流量qm和氣相的質(zhì)量流量含量βGm。
有些流量計(jì)如電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)，其輸出信號僅僅是體積流量，在用來測量兩相流時(shí)，由于種種原因又未裝設(shè)密度測量儀表，若知道輕相和重相的密度和流量體積比，可利用公式計(jì)算出混合物平均密度，進(jìn)而計(jì)算混合物和各相質(zhì)量流量。
在實(shí)際的工程中，由于測量需要的多樣性，有時(shí)只需測量兩相混合物的質(zhì)量流量或體積流量，有時(shí)只需測量輕相或重相的質(zhì)量流量或體積流量，例如，濕蒸汽中的氣相，油水混合物中的油。當(dāng)然有時(shí)是因?yàn)闇y量裝置的局限性或經(jīng)濟(jì)上的原因，只測量兩相流中的部分參數(shù)。
三、氣液兩相流及其流量測量
(1)氣液兩相流及其流動結(jié)構(gòu)。液體及其蒸氣或組分不同的氣體及液體一起流動的現(xiàn)象稱為氣液兩相流。前者稱為單組分氣液兩相流，后者稱為多組分氣液兩相流。氣液兩相流在動力、化工、石油、冶金等工業(yè)設(shè)備中是常見的，在流動時(shí)氣相和液相間存在流速差，在測量流量時(shí)應(yīng)考慮此相對速度。
氣液兩相流按流動方向不同，存在多種流動結(jié)構(gòu)。圖3.89所示為垂直上升管中的氣液兩相流的流動結(jié)構(gòu);圖3.90所示為垂直下降管中的氣液兩相流的流動結(jié)構(gòu);圖3.91所示為水平管中的氣液兩相流的流動結(jié)構(gòu)。
①垂直上升管中的氣液兩相流的流動結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)研究證明，其基本結(jié)構(gòu)有下列五種:細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)、彈狀流動結(jié)構(gòu)、塊狀流動結(jié)構(gòu)、帶纖維的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)和環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。
這五種流動結(jié)構(gòu)分別具有下列特點(diǎn)。
a.細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)。細(xì)泡狀流動是最常見的流動結(jié)構(gòu)之一，其特征為在液相中帶有
散布的細(xì)小氣泡。直徑小于1mm的氣泡是球形的，直徑大于此值的氣泡，其外形是多種多樣的。
b.彈狀流動結(jié)構(gòu)。彈狀流動結(jié)構(gòu)由一系列氣彈組成，氣彈端部呈半球狀，而尾部是平的，在兩氣彈之間夾有小氣泡，氣彈與管壁之間的液膜是往下流動的。
c.塊狀流動結(jié)構(gòu)。塊狀流動結(jié)構(gòu)是由于氣彈破裂而形成的，此時(shí)，氣體塊在液流中以混亂狀態(tài)進(jìn)行流動。
d.帶纖維的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。在帶纖維的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)中，管壁上液膜較厚且含有小氣泡，被中心部分氣核從液膜帶走的液滴在氣核內(nèi)形成不規(guī)則的長纖維形狀，這種流型常在高質(zhì)量流速時(shí)出現(xiàn)。
e.環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。在環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)中，管壁上有一層液膜，管道中心部分為氣核，在氣核中帶有因氣流撕裂管壁液膜表面而形成的細(xì)小液滴。
②垂直下降管中的氣液兩相流的流動結(jié)構(gòu)。從圖 3.90所示可以看出，氣液兩相作垂直下降流動時(shí)的細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)和作垂直上升流動時(shí)的細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)不同，前者細(xì)泡集中在管子核心部分，而后者則散布于整個(gè)管子截面上。當(dāng)液相流量不變而使氣相流量增大，則細(xì)泡將聚集成氣彈，形成具有下降彈狀流動結(jié)構(gòu)的氣液兩相流。垂直下降氣液兩相流也可形成下降流動的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相及液相流量小時(shí)，管壁上有一層向下流動的液膜，管子中心部分為向下流動的氣核，這種流動結(jié)構(gòu)稱為帶下降液膜的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。如液相流量增大，氣泡將進(jìn)入液膜，形成帶含泡下降液膜的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣液兩相流量都增大時(shí)，會出現(xiàn)向下流動的塊狀流動結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量繼續(xù)增大，氣液兩相流可具有管壁上有下降液膜，管子中心部分為帶液滴的下降氣核的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。這種環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)和垂直上升氣液兩相流的環(huán)狀結(jié)構(gòu)相近，但流動方向相反。
③水平管中的氣液兩相流的流動結(jié)構(gòu)。氣液兩相流體在水平管中的流動結(jié)構(gòu)比在垂直管中的更為復(fù)雜，其主要特點(diǎn)為所有流動結(jié)構(gòu)都不是軸對稱的，這主要是由于重力的影響使較重的液相偏向于沿管道下部流動造成的。
試驗(yàn)研究表明，氣液兩相流在水平管中流動時(shí)，其基本流動結(jié)構(gòu)有下列六種:細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)、柱塞狀流動結(jié)構(gòu)、分層流動結(jié)構(gòu)、流動結(jié)構(gòu)、彈狀流動結(jié)構(gòu)和環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。
圖3.91是這些流動結(jié)構(gòu)的示意。由圖可見，這些流動結(jié)構(gòu)分別具有下列特點(diǎn)。
a.細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)。水平管中的細(xì)泡狀流動結(jié)構(gòu)和垂直管中的不同，由于重力的影響，細(xì)泡大都位于管子上部。
b.柱塞狀流動結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量增加時(shí)，小氣泡合并成氣塞，形成柱塞狀流動結(jié)構(gòu)。柱塞傾向于沿管子上部流動。
c.分層流動結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣液兩相流量均小時(shí)會發(fā)生分層流動結(jié)構(gòu)。此時(shí)氣液兩相之間存在一平滑分界面，氣液兩相分開流動。
d.波狀流動結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量較大時(shí)，氣液兩相分界面上會出現(xiàn)流動波，形成波狀流動結(jié)構(gòu)。
e.彈狀流動結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量再增大時(shí)，氣液兩相流的流動結(jié)構(gòu)可以從波狀轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍鲃咏Y(jié)構(gòu)。此時(shí)，氣液分界面由于劇烈波動而在某些部位直接和管子上部接觸，將位于管子上部的氣相分隔為氣彈，形成彈狀流動結(jié)構(gòu)。在水平流動時(shí)，氣液兩相流的氣彈都沿管子上部流動。
f.環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)。在水平流動時(shí)，氣液兩相流的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)出現(xiàn)于氣相流量較高的工況。水平流動時(shí)的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)和垂直上升時(shí)的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)相近，管壁上有液膜，管子中心部分為帶液滴的氣核，但由于水平流動時(shí)重力的影響作用，下部管壁的液膜要比上部管壁的厚。
在油田常經(jīng)分離設(shè)備將液氣分離，然后分別測液相和氣相流量。
(2)氣液兩相流體的流量測量方法。從制造商提供的資料可看出，有幾種儀表可用來測量離散相濃度不高的兩相流體的流量，來自用戶的報(bào)道也有一些成功應(yīng)用的實(shí)例，但目前使用的流量計(jì)都是在單相流動狀態(tài)下評定其測量性能，現(xiàn)在還沒有以單相流標(biāo)定的流量計(jì)用來測量兩相流時(shí)系統(tǒng)變化的評定標(biāo)準(zhǔn)，因此這樣的應(yīng)用究竟帶來多大的誤差還不很清楚，僅有一些零星的數(shù)據(jù)和一些定性的分析。
①電磁流量計(jì)。當(dāng)液體中含有少量氣體時(shí)，氣體在液體中的分布呈微小氣泡狀，這時(shí)，電磁流量計(jì)仍能正常工作，只是所測得的為氣液混合物的體積流量。當(dāng)液體中所含氣體數(shù)量增加后，氣泡幾何尺寸逐漸增大，進(jìn)而向彈狀結(jié)構(gòu)過渡。當(dāng)氣泡的尺寸等于和大于流量計(jì)電極端面尺寸并從電極處掠過時(shí)，電極就有可能被氣體蓋住，使電路瞬時(shí)斷開，出現(xiàn)輸出晃動，甚至不能正常工作。
②科氏力質(zhì)量流量計(jì)。制造商通常聲稱含有百分之幾體積比的游離氣體的液體對科氏力質(zhì)量流量計(jì)正常測量影響不大，當(dāng)被測液體中所含氣泡小而均勻的情況下，例如冰淇淋和相似乳化液，可能是對的。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻并不樂觀。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹意大利計(jì)量院對7種型號科氏力質(zhì)量流量計(jì)含氣量影響試驗(yàn)表明:含氣泡1%(體積比)時(shí)有些型號無明顯影響，有些型號誤差為1%~2%，而其中某一雙管式型號則高達(dá)10%~15%;含氣泡10%時(shí)，誤差普遍增加到15%~20%，個(gè)別型號高達(dá)80%。由此可見，不同測量管結(jié)構(gòu)、不同型號的科氏力流量計(jì)受含氣量影響差異很大，不能將一種型號的試驗(yàn)數(shù)據(jù)推廣到其他型號。
③超聲流量計(jì)。多普勒法超聲流量計(jì)主要用于測量含有適量能給出強(qiáng)反射信號的顆粒或氣泡的液體。此類儀表測量的僅僅是體積流量或測量管內(nèi)的平均流速，如果要測量質(zhì)量流量，還得增設(shè)流體密度計(jì)。
由于此類儀表檢測的是不連續(xù)點(diǎn)(即氣泡)的流速，由于流通截面中各點(diǎn)流速的不一致性，使得測量結(jié)果相對于管道內(nèi)的平均流速之間存在不確定性，從而導(dǎo)致其測量性能較差。其不確定度一般只能達(dá)到±(1%~10%)FS，重復(fù)性為(0.2%~1%)FS.
多普勒法超聲流量計(jì)適用的氣泡含量上限雖比傳播時(shí)間法大得多，但也是有限的，尤其是管徑較大時(shí)，氣泡含量過高，超聲信號衰減嚴(yán)重，以致不能測量。因此選用應(yīng)謹(jǐn)慎，事先應(yīng)向制造商咨詢。
④相關(guān)流量計(jì)。應(yīng)用相關(guān)法可以測量管道內(nèi)流體的流速或體積流量，若要測量兩相流體的質(zhì)量流量，則還需增設(shè)密度計(jì)。
相關(guān)流量計(jì)工作原理如圖3.92所示。設(shè)在測量管段取兩個(gè)控制截面A及B，兩者相隔一小段距離L，在管內(nèi)兩相流中，各相不可能混合得十分均勻，各相含量的分布在流動過程中是變化的。由于所取的兩控制截面之間距離很短，可以認(rèn)為在該距離內(nèi)流動時(shí)，兩相流中各相含量的分布是不變的，如在管道截面A處布置一臺探測器測定兩相中一相的含量隨時(shí)間的變化曲線 X(t)，再在截面B處布置另一臺探測器測定同一相的含量隨時(shí)間的變化曲線 Y(t)，并將 X(t)和 Y(t)示于圖3.93 中，則由圖可見，曲線X(t)的最高值和曲線Y(t)最高值之間距離△t應(yīng)代表流體由A截面流到B截面所需的時(shí)間[在圖3.93中，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo) X(t)和 Y(t)為被測一相的含量值]。測得流體流過距離為L這一管段長的時(shí)間△t后，即可按下式計(jì)算兩相流體的體積流量qv。
這一測量方法是利用兩截面上測得的某相含量信號之間的相互關(guān)系而測定兩相流速的，故稱相關(guān)法。
應(yīng)用相關(guān)法測量兩相流量的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)面廣，既適用于氣液兩相流體，也適用于各種臟污流體、漿液、液固兩相流，但價(jià)格昂貴，影響其推廣應(yīng)用。因此，現(xiàn)在仍處于實(shí)驗(yàn)階段。
