相互重叠的油气泡对流量计敏感场影响分析.pdf

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1、320化工自动化及仪表第39卷相互重叠的油气泡对流量计敏感场影响分析王月明1’2孔令富2李英伟2(1．内蒙古科技大学数理生学院，内蒙古包头014010；2．燕山大学信息工程学院，河北秦皇岛066004)摘要运用有限元软件ANSYS对电磁流量计中存在相互重叠的油气泡建立仿真模型，在此模型下对电磁流量计敏感场进行了数据分析，研究了流量计中含有两个相互重叠的球形油气泡与一个与其等大的油气泡对电磁流量计的响应特性之间的关系，进而揭示多个重叠油气泡与一个与其等大的油气泡对电磁流量计响应特性的影响，研究结果可为电磁感应测量多相流中的气包油、油包气及油气包水等情况提供

2、一定参考依据。关键词电磁流量计油气泡仿真ANSYS中图分类号TH814+．93文献标识码A文章编号1000-3932(2012)03-0320-03电磁流量计是一种利用电磁感应原理进行测量的仪表，其应用领域广泛，是一种重要的流量计测量仪表。电磁流量计应用于高含水石油测井时具有独特的优点，如对流速分布不太敏感、管道中无阻碍流动的部件等¨1，但这种仪表的基本理论是建立在单相流上的。当电磁流量计在作业时流体中出现油气泡等非导电体时，会使感应电动势的分布发生变化，使电磁流量计产生误差，因此分析非导电物质对流量计的响应特性影响很有必要。ZhangXZ等旧’列在简化

3、的二维模型下求解了单个气泡处于流量计管轴线时虚电流的分布情况，并对流体中含有一个气泡时电磁流量计虚电流的三维特性进行了研究；ChaJE等。41运用两个流量计计算空隙率的大小；DeokHK等¨1对流体中有段塞流的数值信号的预测和校准进行了研究；王月明和孔令富¨1运用ANSYS对流体中存在油气泡时流量计响应特性进行仿真研究。但这些研究都是在油气泡不重叠时进行的，在石油领域，油井产出液常为原油、水和天然气三相的混合，称为油气水三相流或多相流，而实际生产过程中，不均匀的两相流动是大量存在的，特别是在石油开采中，天然气和地层水常与原油同时采出，很少是单一的液态原油

4、，大多为油气水三相混合流，并且输送过程中也是油、气、水三相混合流动，这些油气水三相混合流常常出现气包油、油包气及油气包水等油气重叠混合的复杂流体现象。笔者运用有限元软件ANSYS对电磁流量计中存在相互重叠的油气泡建立仿真模型，研究了流量计中含有两个相互重叠的球形油气泡与一个与其等大的油气泡对电磁流量计的敏感场响应特性之间的关系。1仿真模型及灵敏度定义为了能清晰地描述电磁流量计流体中存在非导电物质(例如油气泡)时电磁流量计的响应特性情况，运用敏感场灵敏度来刻画这一响应结果。1．1灵敏度定义当导电流体流过外加磁场时，作切割磁力线运动。根据法拉第电磁感应定律，

5、可以通过测量感应电动势的值求出流体速度和流量。当流体中出现油泡、气泡时，会使感应电动势的分布发生变化，电磁流量计的基本方程为：U：一U-=l谚·g'dA(1)其中U：一U，为两电极的电势差；A为对所有空间积分；形为矢量权函数，它是一个只由电磁流量计本身结构决定的量，其表达式为：谚=秀×j(2)式中j为虚电流密度，是一个完全由A上的电边界条件所决定的量。虚电流是电磁流量计理论中一个重要的量，它决定着电磁流量计测量区域权重函数分布情况，也决定着电磁流量计内部收稿日期：2011-09一07基金项目：国家科技重大专项(2008ZX05020-005)；秦皇岛市科

6、学技术研究与发展计划(200901A029)第3期王月明等．相互重叠的油气泡对流量计敏感场影响分析敏感场分布情况。为了定量地考查电磁流量计内部气泡、油泡等非导电物质对电磁流量计敏感场的分布影响，定义c为灵敏度，其计算式为：fI』，一上ldA”了而式中，。表示有油气泡虚电流在*方向上的分量(x方向即为电极方向)；，为没有油气泡时虚电流在*方向上的分量。笔者是在对电磁流量计内部敏感场的二维分布情况下进行仿真的，故而式(3)中的A为二维平面的有效面面积大小。1．2ANSYS仿真模型仿真实验中，通过仿真电磁流量计传感器的径向截面来研究流量计内部虚电流的分布敏感场

7、灵敏度c的情况。如图1所示，设定流量计内管道(流体直径)为2R，y轴方向为磁场方向，电极位于z轴上，为了研究流量计截面内虚电流情况在电极两端设置一定的电压。为了方便计算重叠部分面积，设定截面里重叠的油气泡为正方形，流体中的油气泡边长为0．3R的两个正方形，分别设定两个油气泡重叠比例为0、1／3、1／2、2／3和5／6，以考查两个不同重叠度的油气泡与一个与其等大的油气泡对电磁流量计敏感场灵敏度的响应特性关系，进而揭示多个重叠油气泡与一个和重叠油气泡等大的油气泡之间的关系。J厂够、、j／毹瓣·饵}⋯．上j一／＼、、～图】仿真示意图2仿真实验仿真实验设定了两个

8、油气泡，分别进行了两个油气泡相邻时、重叠1／3时、重叠1／2时、重叠2／3时和重