技术领域

本发明涉及流体测量领域， 是一种测量气 -液两相流的声速， 也就是测量气- 液两相流中压力波的传播速度的装置。 背景技术

气 -液两相流的流动是工程上最常见的复杂现象� � 流体中的声速是指流体中 压力波的传播速度，即流体某一区域内发生的 微小扰动传播到其他区域的传播速 度。单相流体的声速是随着流体的可压缩性的 提高而降低。例如水中的声速可达 1500m/s , 而空气的声速约为 340m/s。 在气-液两相流中， 由于两相介质相互掺 混， 导致气-液混合物的可压缩性远小于其中单相� �分的可压缩性， 因此气 -液两 相流中的声速的极大下降。工程上， 例如在核反应堆的安全设计、 喷雾燃烧过程 的组织、 油气输运管道的安置等领域中， 都需要考虑气-液两相流的声速问题， 因为气液两相流的压力波的传播特性对上述工 程问题有十分重要的作用。

影响气-液两相流的声速的主要流动参数有： 流体的流动速度、 气体含量、 色散性、温度。为准确获得气-液两相流在上� �流动参数下的压力波的传播特性， 需要一种能够同时测量上述因素对气 -液两相流的声速的影响的装置。 发明内容

本发明的目的是提供一种测量气液两相流的声 速的装置，它包括一个液体供 给系统、 一个气体供给系统、 一个气液混合器、一个传热管道、一个管道加 热系 统、 一个扰动波发生器、 一个具有绝热功能的测量管道， 三个压力传感器、 一个 电极对， 一个气体含量的闭环控制系统、 一个气液分离系统。 其中，

两相流的液体由液体供给系统提供， 气体由气体供给系统提供；

液体、 气体进入气液混合器形成均质气液两相流；

两相流进入传热管道， 由管道加热系统对其进行加热， 在传热管道之前或之 后， 连接有扰动波发生器；

三个压力传感器和电极对安装在测量管道的壁 面上；

气体含量闭环控制系统通过电控节气阀调整气 体流量； 测量管道下游连接一个气液分离系统。

由上述部件连接组成的测量装置可以测量气 -液两相流的声速，以及两相流的 流动速度、 气体含量、 色散性、 温度对声速的影响。

本发明提出的测量气液两相流的声速的装置结 构简单、 实用， 使用方便， 功 能强大。 在这个装置上， 流动速度、 气体含量、 色散性、 温度四个参数对气液两 相流的声速的影响可以分别进行测量，独立地 考虑其中任意一个参数的影响， 也 可综合考虑各个参数的影响， 进行交叉实验。 附图说明

图 1是测量气-液两相流的声速的装置的布局图。 图中，

1液体供给系统、 2液体流、 3气体供给系统、 4气体流、 5气液混合器、 6管道加热系统、 7气体含量的闭环控制系统、 8电极对、 9下游压力传 感器、

10上游压力传感器、 11气液分离系统、 12测量管道、 13中心压力传感 器、 14液体回流、 15扰动波发生器、 16传热管道。

图 2是压力传感器和电极对在测量管道上的安装� �意图。 图中，

12测量管道、 10上游压力传感器、 9下游压力传感器、

8电极对、 13中心压力传感器。

图 3是测量空气-水两相流中的声速的装置的布局� ��。 图中，

17水箱、 6管道加热系统、 5气液混合器、 18流量计、 19电控节流阀、 20集水池、 21液体泵、 22水流、 16传热管道、 15扰动波发生器、 12 测量管道、 23数据采集分析系统、 24控制计算机、 25回水、 13中心压 力传感器、 11气液分离系统、 10上游压力传感器、 9下游压力传感器、 26铂金电极对、 7气体含量的闭环控制系统、 27压缩气泵、 28电控节 气阀、 29气体流量计、 30温度传感器、 31压力监控传感器、 32空气流。 图 4是气液混合器的结构示意图。 图中，

33圆柱形腔体、 34液体入口、 35, 36空气进入的周边的小孔、 37三层 金属网、 38两相流出口。

图 5是扰动发生器的工作原理图。 图中，

39伺服电机拖动、 40往复式活塞机构、 12具有绝热功能的测量管道。 具体实施方式 以一个具体实施方案进一步说明本发明提出的 一种测量气-液两相流的声速 的装置的结构和原理。

图 1是测量气-液两相流的声速的装置的布局图。 如图 1中所示， 两相流的 液体由液体供给系统 （1 ) 提供， 气体由气体供给系统 （3) 提供。 液体流 （2)、 气体流（4)按照液体流量值、 气体流量值的配比进入气液混合器（5)进行充� �� 混合形成均质气 -液两相流。 两相流进入传热管道（16)。 根据设定的温度， 由管 道加热系统 （6) 对其进行加热， 直到达到预定温度。 在传热管道 （16) 之前或 之后， 连接有扰动波发生器 （15)， 产生频率可调的标准正弦波， 作为扰动波， 传入后面的测量管道 （12)。 此阶段， 是具有绝热功能的， 两相流温度被认为是 恒定的。 传热管道和测量管道都是横截面为圆形的细长 管道。

图 2是压力传感器和电极对在测量管道上的安装� �意图。三个压力传感器和 电极对安装在测量管道（12) 的壁面上。 从来流方向， 三个压力传感器分别标号 1, 2, 3。 彼此等距离。 2号为中心压力传感器 （13)， 1号和 3号分别被称为上游 压力传感器 （10) 和下游压力传感器 （9)。 1号和 3号被安装在 2号对面。 2号 压力传感器正对面安装一个电极对（8)， 测量端深入到测量管道（12) 中， 但不 超过测量管道（12) 的中心轴线。 传感器 1, 2, 3号用来测量三个点的压力， 电极 对 （8) 用来测量当地空气含量。 在测量前电极对需要标定， 获得输出电压和气 体含量的关系曲线。 因为传热管道（16)的加热过程会使测量管道内 的气体含量 发生变化， 偏离设定好的气体含量。 这一点可以通过电极对 （8) 的测量值和是 否与设定值一致反映出来。 如果有偏差， 一个气体含量的闭环控制系统 （7) 进 一步调整气体流量， 直到电极对 （8 ) 处测量的气体含量值与设定值的偏差在误 差范围内。

测量管道 （12) 下游连接一个气液分离系统 （11 )， 被分离液体回流 （14) 回到液体供给系统 （1 )。

所有数据通过一个数据采集分析系统采集、分 析处理。对三个不同位置的压 力传感器的值进行 FFT变换，通过相关分析和谱分析的方法可以推 算出两相流当 地的声速。 以另一个具体实施方案进一步说明本发明提出 的一种测量气-液两相流的声 速的装置的结构和原理。 具体是一个空气-水两相流中的压力波的传播� �度的装 置。

图 3是测量空气-水两相流中的声速的装置的布局� ��。 如图 3中所示， 两相 流中的水由液体供给系统提供。 该系统中包括一个固定高度的水箱 （17 )、 地面 上的集水池 （20)、 液体泵 （21 )、 流量计 （18)、 电控节流阀 （19) 等部件。 流 体的速度由液体供给系统中的液体泵（21 )控制。 空气由气体供给系统提供。 该 系统包括压缩气泵（27)、气体流量计（29)、电 控节气阀（28)、温度传感器（30)、 压力监控传感器 （31 ) 等部件。 图 1中的电极对此处使用铂金电极对 （26)， 其 余部件与图 1中的相同。 水流 （22) 和空气流 （32) 进入气液混合器 （5) 进行 充分混合， 形成均质空气 -水两相流。

图 4是气液混合器的结构示意图。 气液混合器的圆柱形腔体 （33)， 里面沿 轴线方向安装不锈钢制成的三层金属网 （37)， 圆柱形顶面是液体入口 （34)， 对 面是两相流出口 （38)， 气体从圆柱体周边的小孔（35, 36)进入， 液体和气体通 过金属网的孔隙后均勾混合， 形成均质空气 -水两相流。 其中空气的含量按照水 的流量值、 空气的流量值的配比， 通过供气系统中的电控节气阀调节。 空气的含 量可以从 0 (纯水）到 100% (纯空气）。温度传感器（30)和压力监控传感� �（31 ) 的值用来修正空气的密度值。

气液混合器（5)连接传热管道（16)。 传热管道（16) 由传热系数较高的不 锈钢材料制成。 空气-水两相流进入传热管道 （16) 后， 根据设定的温度， 由管 道加热系统 （6)对其进行加热， 直到达到预定温度。 管道加热系统 （6)采用大 功率电磁加热器。 在传热管道 （16) 之后， 连接有扰动波发生器 （15)， 产生频 率可调的标准正弦波。

图 5是扰动发生器的工作原理图。 正弦波由通过一个由伺服电机（39)拖动 的往复式活塞机构（40)获得。 如果不考虑两相流的声速的色散性， 即声速对扰 动频率的反应程度， 则不启动扰动发生器 （16)。 正弦波作为扰动波， 传入后面 的具有绝热功能的测量管道。

测量管道 （12) 阶段， 是具有绝热功能的， 空气 -水两相流温度被认为是恒 定的。 材料采用传热系数较低的有机玻璃。 传热管道（16)和测量管道（12) 的 横截面都是圆形的细长管， 且直径相等。 加热管道（16)与测量管道（12)长度 之和与测量管道 （12)直径之比大于 10， 目的是使空气-水两相流中的声速的波 长远大于的直径，这样可以保证压力波仅沿着 的测量管道的轴向传播，保证流动 是一维流动的前提假设。

测量管道 （12) 壁面上安装中心压力传感器 （13)、 上游压力传感器 （10)、 下游压力传感器（9)， 安装位置与图 1中相同。 该实施例采用铂金电极对（26)。

如果不考虑温度对声速的影响， 可以不启动管道加热系统（6)， 在室温条件 下进行声速测量试验。

测量管道 （12) 下游相连一个气液分离系统 （11 )。 该系统利用离心力分解 空气和水， 被分离出的回水 （25 ) 回到集水池 （20 ) 中循环使用。

所有数据通过一个数据采集分析系统（23 )采集、 分析处理。 对所获得三个 不同位置的压力传感器的值进行 FFT变换，通过相关分析和谱分析的方法可以推 算出空气-水两相流在一定的流动速度、 一定的空气含量、 一定扰动频率、 一定 的温度下的当地的声速。 处理过程由控制计算机 （24) 控制。 附图标记列表

1液体供给系统

2液体流

3气体供给系统

4气体流

5气液混合器

6管道加热系统

7气体含量的闭环控制系统

8电极对

9下游压力传感器

10上游压力传感器

11气液分离系统

12测量管道

13中心压力传感器

14液体回流

15扰动波发生器

16传热管道

17水箱

18流量计

19电控节流阀

20集水池

21液体泵

22水流

23数据采集分析系统 控制计算机

回水

铂金电极对

压缩气泵

电控节气阀

气体流量计

温度传感器

压力监控传感器 空气流。

圆柱形腔体

液体入口

, 36空气进入的周边的小孔 三层金属网

两相流出口

伺服电机拖动

往复式活塞机构