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1、第21卷第4期热能动力工程Vol.21,No.42006年7月JOURNALOFENGINEERINGFORTHERMALENERGYANDPOWERJuly,2006文章编号:1001-2060(2006)04-0414-04水平管内两相流动网丝电容层析成像黄善仿,张修刚,王 栋,林宗虎(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西西安710049)摘 要:提出一种两相流相分布的网丝电容层析成像方法。场”特性,很多学者尝试具有“硬场”特性的方法对两应用表面带有绝缘膜的热偶丝作为电容传感器,电容的电介[3～4]相流进行成像,提出了一系列介入式ERT方法。质为绝缘膜,两极分别为热偶
2、丝的金属芯和覆盖在热偶丝表只要电极尺寸足够小,扰流引起的测量误差就可以面的导电液膜。电容与导电液膜长度成正比,与导电液膜分[5]忽略。但该方法并未考虑待测敏感场之外周围流布和形状无关,网丝平行均匀布置在管道截面上。实验管道体对测量结果的影响。任何测量水的阻抗方法均受内径70mm,所用网丝每毫米电容值为4.82pF,网丝间距4到水的电导率大小和水分布形状的影响。mm。利用水平和竖直二方向电容传感器进行测量,根据流结合流型特征和介入式成像的思想,本文提出型知识,无需重建算法即可得出相分布。静态试验表明,该一种介入式网丝电容层析成像方法,可以克服上述方法能实现流型重建,计算得到的截面含水
3、率误差最大为其它各种方法的缺点。对于管内水平两相流,只需3.9%。要水平和竖直两个方向的投影关系即可确定流型。关键词:网丝电容层析成像;相分布;二方向测量;含水率中图分类号:O359文献标识码:A2 二维投影法电容层析成像方法1 引 言2.1 网丝电容法成像原理网丝电容传感器结构如图1所示。电容传感器过程层析成像技术以两相流为主要研究对由热偶丝制成,其结构为:电容传感器的电介质为热[1]象,利用两相之间的物理性质的不同来确定两相偶丝表面的绝缘薄膜1a,电容传感器的一极为热偶流的相分布,达到成像的目的。实际工业过程考虑丝的金属芯1b,另一极为覆盖在热偶丝1表面的导到安全性、经济性及速
4、度的要求,电学层析成像技术成为首选方案,主要包括电阻过程层析成像(ERT)及电容过程层析成像(ECT)。非介入式的ERT和ECT技术存在明显的缺[2]点:由于传感器敏感阵列全部是布置在管道外部,测量结果除受到流型变化影响外,还受到外界环境的影响;不同流型下的信号变化范围很小,难以区分流型的微小变化,系统的灵敏度不高;系统的“软场”特性限制了工业现场的实际应用;电极沿流动方向有一定的长度,使得输出信号结果是电极所在轴线长度方向上的平均值,而不是真正意义上管道截面上的“相分布”;待测信号与相分布呈强烈的非线性关系,通过复杂的电学和数学方法处理,并采用一定图1 网丝电容传感器结构示意图的
5、重建算法才能得到图像。鉴于非介入方法的“软收稿日期:2005-12-05; 修订日期:2005-12-12基金项目:全国博士学位论文作者专项基金资助项目(200337)作者简介:黄善仿(1978-),男,江苏泗洪人,西安交通大学博士研究生.第4期黄善仿,等:水平管内两相流动网丝电容层析成像·415·电液体2,导电液体通常为水。从导电液体2中引出电极作为接线极。电容测量公式:2πεL12πεL22πεL3C=++lnd2Pd1lnd2Pd1lnd2Pd132πε=∑Li(1)lnd2Pd1i=1其中:Li(i=1,2,3)—覆盖在热偶丝表面的液膜长度;ε—绝缘层1a的介电常数;d1—
6、热偶丝金属芯的直径;d2—热偶丝外径。ε,d1,d2均保持不变,故测量电容只与覆盖在热偶丝表面液膜总长度成正比,与其电导率大小和分布无关,只与导电性有图3 层析成像流程关。 2.2 二维投影方法3 实验研究由工程制图知识知道,通过三个方向的投影,可以确定三维物体的形状,对二维物体只需要两个方3.1 电容与水膜长度的关系向的投影就可确定物体形状。两相流截面相分布为本文所用传感器为一种镍铬热偶丝,直径0150二维结构,所以可以根据两个方向投影关系来确定mm。电容测量仪精度为0.1pF。电容与导电液膜流型。根据张修刚等人提出的两相流电容式层析成长度关系测量结果见图4,拟合出的公式:[2
7、]像思想,本文提出了“两个方向投影”的层析成像C=4.82L(2)方法,对一种为导电相、另一种为非导电相的两相流体的流动进行成像,只要两相分布在明显的两个区域,就可以准确重建出断层面的相分布。布置水平和竖直两层传感器,层间距离很小,满足“凝固流动”[6]假设,确保流体流过两层网丝电容传感器时流型保持不变。传感器布置如图2所示,水平和竖直两方向热偶丝均匀布置。这种测量电路在原理上相当于X射线层析成像的工作原理:每方向的传感器相当于一束X射线,每根热偶丝相当于一条“投影射
