CN115469113B - 半热分布传感器式液膜流速测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半热分布传感器式液膜流速测量装置及方法，其特征是，包括有测量单元和控制单元，所述控制单元与所述测温元件相连接，用于通过测温单元传输的温度数据来测量液膜流速。本发明的装置设置在管道外侧，可以应对复杂多变的现场环境，可实现对不同管径以及不规则管径的流体流速计量。传感器贴附于管道外壁，易于安装，不需浸入到管道内部，对流体影响小，具有抗腐蚀性、抗冲击性、便于清理维护等特性。本发明实现了气液两相流的在线、不分离、非接触测量，尤其是对于油田单井中气相和液相的测量，解决了目前气液两相流流速测量装置结构复杂、成本高等问题。
Description
技术领域
本发明涉及流速计量技术领域，具体地说是一种半热分布传感器式液膜流速测量装置及方法。
背景技术
随着我国经济以及科学技术的发展，流量计量已与工农业生产、国际能源贸易以及人民日常生活等各个领域息息相关，流量计量的发展，对产品质量的保证、生产效率的提高和科学技术的进步都具有重要意义。由于环状流固有的复杂性，两相流参数检测的难度很大，其流量的测量一直是国内外未能得到很好解决的难题。尤其在石油工业中，开采过程中获得产物为油气水三元两相混合物，各分相流量和比例是监测油井运行状态和油气储集层动态特征的主要参数，准确计量这些参数对油田的综合开采与节能减排具有重要意义。
在各种流量计中，大多数流量计为体积流量计，在需要测量质量流量的场合则需要通过体积乘以密度来换算，但环境温度会影响流体的密度，所以这种测量质量流量的方式会造成较大误差。在这种情况下，可直接测量质量流量的热式质量流量计应运而生，热式流量计因为可以直接测量流体质量流量，不需要经过体积流量换算,被广泛应用于航空航天、医疗食品及工业领域，对热式流量测量传感器的研究起源于热线风速仪的设计原理，热线风速仪的设计原理为后续发展的热式流量测量传感器的设计提供了理论依据。基于热平衡原理设计的质量流量计是近年来发展较快的一类流量测量装置。其中，热式质量流量计大多针对气相流速的测量，只有极少部分应用于微小液体流速的测量，且流速计需要安装在管道通路里，安装复杂，安装成本高，测量流速时需要与被测量介质进行接触，会对流体产生一定影响。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种半热分布传感器式液膜流速测量装置，以解决现有装置中安装复杂和成本高的问题。
本发明的目的之一是这样实现的：一种半热分布传感器式液膜流速测量装置，其特征是，包括有测量单元和控制单元，所述测量单元包括有：
冷端测温管段，设置在流体经过的上游端，在所述冷端测温管段上设置有测温元件，来测量环境温度的波动；
加热管段，设置在冷端测温管段和热端测温管段之间，在所述加热管端上设置有加热元件，用于对管壁进行加热；
热端测温管段，与所述加热段连通，在所述热端测温管段上设置有测温元件，来测量管壁温度的波动；
所述控制单元与所述测温元件相连接，用于通过测温单元传输的温度数据来测量液膜流速。
进一步地，本发明可以按如下技术方案实现：
所述控制单元包括有电路板和上位机，所述电路板与所述测温元件相连接，用于采集测温元件的温度信息并上传到上位机，所述上位机用于根据接收到的温度信息计算液膜流速；所述电路板设置在恒温箱中。
在所述冷端测温管段上设置有四个测温元件，所述四个测温元件位于同一个纵向截面内并均布在外管壁环上；所述测温元件为贴附于管道外壁上的柔性热电偶，所述测温元件的冷端放置在恒温箱中。
在所述热端测温管段上设置有四个测温元件，所述四个测温元件位于同一个纵向截面内并均布在外管壁环上；所述测温元件为贴附于管道外壁上的柔性热电偶，所述测温元件的冷端放置在恒温箱中。
所述加热元件包括有：包裹在所述加热管段管道外壁的伴热带和与伴热带连接的温控器，加热温度由所述温控器控制。
所述伴热带加热功率为100W，加热长度为200mm。
在所述加热管段的上下游位置处设置有隔热层，所述隔热层由毛凝胶毡材料制作。
本发明的目的之二是提供一种半热分布传感器式液膜流速测量方法，以解决现有方法需要将流速计安装管道内，对流体产生影响的问题。
本发明的目的之二是这样实现的：一种半热分布传感器式液膜流速测量方法，包括如下步骤：
A、所述半热分布传感器式液膜流速测量方法应用于权利要求1所述的半热分布传感器式液膜流速测量装置；
B、在装置内没有流体流过时对伴热带以恒定功率通电，使其对加热管段进行预热；
C、预热达到稳定后，向装置中通入稳定的气液两相环状流，待换热稳定后对温度信号进行连续采集，对冷端测温管段的四个测温元件测得的温度取平均值记为Tf，对热端测温管段的四个测温元件测得的温度取平均值记为Tave；
D、控制单元根据接收到的温度信息来计算液膜的流速。
进一步地，本发明可以按如下技术方案实现：
在所述步骤D中，在热端测温管段处选取一微单元，此微单元由热端管壁的外表面与管壁的内表面之间的微单元(尺寸为dz×Rdθ×ε)，根据能量守恒定律得：
其中，公式(1)左边表示微单元的热容量变化，右边为传递到微单元的净热量；建立笛卡尔坐标系，θ为周向切线方向，r为径向方向，z为轴向方向；ρw、Cp、δ和R分别是圆管的密度、比热容、厚度和内径；qzin和qzout分别是沿z方向传递到微单元的热量和流出的热量；qθin和qθout分别是沿θ方向传递到微单元的热量和流出的热量；qrin和qrout分别是沿r方向传递到微单元的热量和流出的热量；
由于在加热管段的上下游位置处设置有隔热层，在z方向上没有热量传递，即qzin＝qzout＝0；在θ方向上，水平管管内的流体为充分发展的环状流，并且加热带包裹结构为轴对称结构，所以在θ方向上也没有热量的传递，即qθin＝qθout＝0；同时，在热端测温管段的管道外表面由隔热层包裹，不与空气接触，换热量忽略不计，即qrin＝0；对于热端测温管段的管道的内表面，其与管内环状流的换热方式为强制对流换热：
qrout＝Rdzdθh(Tave-Tf) (2)
式中，h是管内流体与管壁之间的对流传热系数；
综上所述，公式(1)简化为下式：
当入口参数恒定时，即气相表观流速和液相表观流速恒定时，管壁与两相流之间的热传递处于稳定状态，热端测温点附近的温度场稳定，故为一定值；令C的大小与流体的速度和伴热带的功率有关；
由公式(3)得到管内流体与管壁之间的换热系数为：
对于管内强制对流换热，管壁与管内流体之间的换热采用Dittus-Boelter公式：
Nu＝0.023Re0.8Pr0.4 (5)
其中，分别引入了努塞尔数Nu、雷诺数Re以及普朗特数Pr，其表达式分别如下：
其中，D为圆管内直径；h为流体的对流换热系数；ρ为流体的密度；ue为液膜的流速；μ为流体的动力粘度；Cp为流体的比热容；λ为流体的导热系数；联立上式得到流体换热系数的表达式为：
联合公式(4)和公式(9)，得到液膜的流速ue：
利用边界层流动具有流体的黏度小、速度分布梯度大和边界层厚度与物体的特征尺度相比为一小量等特点，对公式(11)、公式(12)和公式(13)进行化简，假设流体为二维不可压缩的定常流动，不考虑质量力的影响，其控制方程分别为：
利用量级分析法对N-S方程各项量计比较，进行化简；利用L和ue作为x方向的特征长度和特征速度，δ和V作为y方向的特征长度和特征速度；根据公式(11)得到由于δ＜＜L，故V＜＜U∞；
在边界层内部黏性力起主导作用，在边界层外部将流体流动认作势流流动，其势流区满足伯努利方程：则动量方程公式(13)中边界层方程表示为：
从公式(5)得到：利用得到：从公式(16)得到压强沿边界层法线方向均匀分布的结论，即p＝p(x)；则公式(15)表示为：
假设势流区流速为ue，对伯努利方程求导得到：dp+ρuedue＝0，故x方向的边界层方程公式(17)改写成：
在管道内壁面处，u＝0，ν＝0，得到：
或
对边界层方程(18)沿着y方向积分，得到卡门动量积分方程：
式中，θ表示动量厚度，H表示形状因子，τw表示壁面边界层的黏性力，
根据流动特征及边界条件，液膜边界层内流动速度抛面方程为：
式中，a0、a1、a2、a3、a4为待定系数；当y＝0时，u＝0，y＝δ时，忽略黏性力的影响，假设根据边界条件求解得到a0＝0，a1＝2，a2＝0，a3＝-2，a4＝1，并得到：
或
f(η)＝2η-2η3+η4 (23)
式中，
利用公式(23)的计算结果求解δ*、θ可得：
对f(η)进行求导得到：
f′(η)＝2-6η2+4η3 (25)
在管道内壁面处，即y＝0处，η＝0，故：
将其计算结果代入积分动量公式(20)得到：
或
当x＝0时，δ＝0，对式(28)进行积分：
综上所述液膜边界层速度分布为：
式中，κ2、α0分别为公式(24)和公式(26)求得的常数；ρ、μ分别为流体的密度和流体的动力粘度；ue由公式(10)求得；由管道长度L作为x方向的特征长度，管道直径d作为y方向的特征长度。
本发明的装置设置在管道外侧，可以应对复杂多变的现场环境，可实现对不同管径以及不规则管径的流体流量计量。传感器贴附于管道外壁，易于安装，不需浸入到管道内部，对流体影响小，具有抗腐蚀性、抗冲击性、便于清理维护等特性。本发明实现了对气液相流的在线、不分离、非接触测量，尤其是对于油田单井中气相和液相的测量，解决了目前气液两相流流量测量装置结构复杂、成本高等问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是冷端测温管段或热端测温管段的截面图。
图3是本发明选取的微单元示意图。
图中：1、冷端测温管段，2、加热管段，3、热端测温管段，4、测温元件，5、伴热带，6、温控器，7、恒温箱，8、电路板，9、上位机，10、管道外壁，11、管道内壁。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明的半热分布传感器式液膜流速测量装置，包括有测量单元和控制单元。其中，测量单元包括有冷端测温管段1，加热管段2和热端测温管段3。可以在直径统一圆管上分设出冷端测温管段1，加热管段2和热端测温管段3。
冷端测温管段1设置在流体经过的上游端，距加热管段260mm，在冷端测温管段1上设置有测温元件4，来测量环境温度的波动。如图2所示，在冷端测温管段1上设置有四个测温元件4，四个测温元件4位于同一个纵向截面内并均布在外管壁环上，即在冷端测温管段1外管壁周围每隔90°安装一个测温元件4。测温元件4为贴附于管道外壁10上的柔性热电偶，测温元件4的冷端放置在恒温箱7中。
热端测温管段3与加热段相连通，距所述加热段60mm，在热端测温管段3上设置有测温元件4，来测量管壁温度的波动。如图2所示，在热端测温管段3上设置有四个测温元件4，四个测温元件4位于同一个纵向截面内并均布在外管壁环上，即在热端测温管段3外管壁周围每隔90°安装一个测温元件4。测温元件4为贴附于管道外壁10上的柔性热电偶，测温元件4的冷端放置在恒温箱7中。
加热管段2设置在热端测温管段3和冷端测温管段1之间，在加热管端上设置有加热元件，用于对管壁温度进行加热。加热段用于实现对实验管段的加热，加热段由伴热带5和温控器6组成，伴热带5包裹在加热管段2管道外壁10，管壁加热温度由温控器6控制。伴热带5加热功率为100W，加热长度为200mm。在加热管段2的上下游位置处分别设置有隔热层，以确保加热段的温度只在小范围内传导，隔热层由毛凝胶毡材料制作。
控制单元与测温元件4相连接，用于通过测温单元传输的温度数据来测量液膜流速。控制单元包括有电路板8和上位机9，电路板8与测温元件4相连接，用于采集测温元件4的温度信息并上传到上位机9，上位机9用于根据接收到的温度信息计算液膜流速。电路板8设置在恒温箱7中。
实施例2
本发明的半热分布传感器式液膜流速测量方法，包括如下步骤：
A、半热分布传感器式液膜流速测量方法应用于实施例1所述的半热分布传感器式液膜流速测量装置。
B、对所需测量管段进行多物理场耦合仿真分析，根据管道材料和管径参数，获得半热分布式传感器最优结构参数，在装置内没有流体流过时对伴热带5以恒定功率通电，使其对加热管段2进行预热。
C、预热达到稳定后，向装置中通入稳定的气液两相环状流，待换热稳定后对温度信号进行连续采集，对冷端测温管段1的四个测温元件4测得的温度取平均值记为Tf，对热端测温管段3的四个测温元件4测得的温度取平均值记为Tave。
D、控制单元根据接收到的温度信息来计算液膜的流速。
在热端测温管段3处选取一微单元，如图3所示，此微单元由热端管壁的外表面与管壁的内表面之间的微单元(尺寸为dz×Rdθ×ε)，根据能量守恒定律得：
其中，公式(1)左边表示微单元的热容量变化，右边为传递到微单元的净热量；建立笛卡尔坐标系，θ为周向切线方向，r为径向方向，z为轴向方向；ρw、Cp、δ和R分别是圆管的密度、比热容、厚度和内径；qzin和qzout分别是沿z方向传递到微单元的热量和流出的热量；qθin和qθout分别是沿θ方向传递到微单元的热量和流出的热量；qrin和qrout分别是沿r方向传递到微单元的热量和流出的热量；
由于在加热管段2的上下游位置处设置有隔热层，在z方向上没有热量传递，即qzin＝qzout＝0；在θ方向上，水平管管内的流体为充分发展的环状流，并且加热带包裹结构为轴对称结构，所以在θ方向上也没有热量的传递，即qθin＝qθout＝0；同时，在热端测温管段3的管道外表面(面A’B’C’D’)由隔热层包裹，不与空气接触，换热量忽略不计，即qrin＝0；对于热端测温管段3的管道的内表面(面ABCD)，其与管内环状流的换热方式为强制对流换热：
qrout＝Rdzdθh(Tave-Tf) (2)
式中，h是管内流体与管壁之间的对流传热系数；
综上所述，公式(1)简化为下式：
当入口参数恒定时，即气相表观流速和液相表观流速恒定时，管壁与两相流之间的热传递处于稳定状态，热端测温点附近的温度场稳定，故为一定值；令C的大小与流体的速度和伴热带5的功率有关；
由公式(3)得到管内流体与管壁之间的换热系数为：
对于管内强制对流换热，管壁与管内流体之间的换热采用Dittus-Boelter公式：
Nu＝0.023Re0.8Pr0.4 (5)
其中，分别引入了努塞尔数Nu、雷诺数Re以及普朗特数Pr，其表达式分别如下：
其中，D为圆管内直径；h为流体的对流换热系数；ρ为流体的密度；ue为液膜的流速；μ为流体的动力粘度；Cp为流体的比热容；λ为流体的导热系数；联立上式得到流体换热系数的表达式为：
联式(4)和式(9)，可得：
利用边界层流动具有流体的黏度小、速度分布梯度大和边界层厚度与物体的特征尺度相比为一小量等特点，对N-S方程，即对公式(11)、公式(12)和公式(13)进行化简，假设流体为二维不可压缩的定常流动，不考虑质量力的影响，其控制方程分别为：
利用量级分析法对N-S方程各项量计比较，进行化简；利用L和ue作为x方向的特征长度和特征速度，δ和V作为y方向的特征长度和特征速度。根据连续性方程公式(11)得到由于δ＜＜L，故V＜＜U∞；
在边界层内部黏性力起主导作用，在边界层外部将流体流动认作势流流动，其势流区满足伯努利方程：则动量方程公式(13)中边界层方程表示为：
从公式(5)得到：利用得到：从公式(16)得到压强沿边界层法线方向均匀分布的结论，即p＝p(x)；则公式(15)表示为：
假设势流区流速为ue，对伯努利方程求导得到：dp+ρuedue＝0，可得故x方向的边界层方程公式(17)可以改写成：
对于x方向的动量方程可以考虑一种特殊的形式，在管道内壁11处，u＝0，ν＝0，得到：
或
对边界层方程(18)沿着y方向积分，得到卡门动量积分方程：
式中，θ表示动量厚度，H表示形状因子，τw表示壁面边界层的黏性力，
根据流动特征及边界条件，液膜边界层内流动速度抛面方程为：
式中，a0、a1、a2、a3、a4为待定系数；当y＝0时，u＝0，y＝δ时，忽略黏性力的影响，假设根据边界条件求解得到a0＝0，a1＝2，a2＝0，a3＝-2，a4＝1，并得到：：
或
f(η)＝2η-2η3+η4 (23)
式中，
利用公式(23)的计算结果求解δ*、θ可得：
对f(η)进行求导得到：
f′(η)＝2-6η2+4η3 (25)
在管道内壁11面处，即y＝0处，η＝0，故：
将其计算结果代入积分动量公式(20)得到：
或
当x＝0时，δ＝0，对式(28)进行积分：
综上所述可得液膜边界层速度分布为：
式中，κ2、α0分别为公式24和公式26求得的常数；ρ、μ别为流体的密度和流体的动力粘度；ue由公式(10)求得；由管道长度L作为x方向的特征长度，管道直径d作为y方向的特征长度。
Claims (9)
1.一种半热分布传感器式液膜流速测量方法，其特征是，包括如下步骤：
A、一种半热分布传感器式液膜流速测量装置，包括有测量单元和控制单元，所述测量单元包括有：
冷端测温管段，设置在流体经过的上游端，在所述冷端测温管段上设置有测温元件，来测量环境温度的波动；
加热管段，设置在冷端测温管段和热端测温管段之间，在所述加热管端上设置有加热元件，用于对管壁进行加热；
热端测温管段，与所述加热管段连通，在所述热端测温管段上设置有测温元件，来测量管壁温度的波动；
所述控制单元与所述测温元件相连接，用于通过测温单元传输的温度数据来测量液膜流速；
所述半热分布传感器式液膜流速测量方法应用于所述的半热分布传感器式液膜流速测量装置；
B、在装置内没有流体流过时对伴热带以恒定功率通电，使其对加热管段进行预热；
C、预热达到稳定后，向装置中通入稳定的气液两相环状流，待换热稳定后对温度信号进行连续采集，对冷端测温管段的四个测温元件测得的温度取平均值记为Tf，对热端测温管段的四个测温元件测得的温度取平均值记为Tave；
D、控制单元根据接收到的温度信息来计算液膜的流速。
2.根据权利要求1所述的半热分布传感器式液膜流速测量方法，其特征是，在所述步骤D中，在热端测温管段处选取一微单元，此微单元由热端管壁的外表面与管壁的内表面之间的微单元，根据能量守恒定律得：
其中，公式(1)左边表示微单元的热容量变化，右边为传递到微单元的净热量；建立笛卡尔坐标系，θ为周向切线方向，r为径向方向，z为轴向方向；ρw、Cp、δ和R分别是圆管的密度、比热容、厚度和内径；qzin和qzout分别是沿z方向传递到微单元的热量和流出的热量；qθin和qθout分别是沿θ方向传递到微单元的热量和流出的热量；qrin和qrout分别是沿r方向传递到微单元的热量和流出的热量；
由于在加热管段的上下游位置处设置有隔热层，在z方向上没有热量传递，即qzin＝qzout＝0；在θ方向上，水平管管内的流体为充分发展的环状流，并且加热带包裹结构为轴对称结构，所以在θ方向上也没有热量的传递，即qθin＝qθout＝0；同时，在热端测温管段的管道外表面由隔热层包裹，不与空气接触，换热量忽略不计，即qrin＝0；对于热端测温管段的管道的内表面，其与管内环状流的换热方式为强制对流换热：
qrout＝Rdzdθh(Tave-Tf) (2)
式中，h是管内流体与管壁之间的对流传热系数；
综上所述，公式(1)简化为下式：
当入口参数恒定时，即气相表观流速和液相表观流速恒定时，管壁与两相流之间的热传递处于稳定状态，热端测温点附近的温度场稳定，故为一定值；令C的大小与流体的速度和伴热带的功率有关；
由公式(3)得到管内流体与管壁之间的换热系数为：
对于管内强制对流换热，管壁与管内流体之间的换热采用Dittus-Boelter公式：
Nu＝0.023Re0.8Pr0.4 (5)
其中，分别引入了努塞尔数Nu、雷诺数Re以及普朗特数Pr，其表达式分别如下：
其中，D为圆管内直径；h为流体的对流换热系数；ρ为流体的密度；ue为液膜的流速；μ为流体的动力粘度；Cp为流体的比热容；λ为流体的导热系数；结合上式得到流体换热系数的表达式为：
联合公式(4)和公式(9)，得到液膜的流速ue：
3.根据权利要求1所述的半热分布传感器式液膜流速测量方法，其特征是，
利用边界层流动具有流体的黏度小、速度分布梯度大和边界层厚度与物体的特征尺度相比为一小量等特点，对公式(11)、公式(12)和公式(13)进行化简，假设流体为二维不可压缩的定常流动，不考虑质量力的影响，其控制方程分别为：
利用量级分析法对N-S方程各项量计比较，进行化简；利用L和ue作为x方向的特征长度和特征速度，δ和V作为y方向的特征长度和特征速度；根据公式(11)得到由于δ＜＜L，故V＜＜U∞；
在边界层内部黏性力起主导作用，在边界层外部将流体流动认作势流流动，其势流区满足伯努利方程：则动量方程公式(13)中边界层方程表示为：
从公式(5)得到：利用得到：从公式(16)得到压强沿边界层法线方向均匀分布的结论，即p＝p(x)；则公式(15)表示为：
假设势流区流速为ue，对伯努利方程求导得到：dp+ρuedue＝0，故x方向的边界层方程公式(17)改写成：
在管道内壁面处，u＝0，ν＝0，得到：
或
对边界层方程(18)沿着y方向积分，得到卡门动量积分方程：
式中，θ表示动量厚度，H表示形状因子， τw表示壁面边界层的黏性力，
根据流动特征及边界条件，液膜边界层内流动速度抛面方程为：
式中，a0、a1、a2、a3、a4为待定系数；当y＝0时，u＝0，y＝δ时，忽略黏性力的影响，假设根据边界条件求解得到a0＝0，a1＝2，a2＝0，a3＝-2，a4＝1，并得到：
或
f(η)＝2η-2η3+η4 (23)
式中，
利用公式(23)的计算结果求解δ*、θ可得：
对f(η)进行求导得到：
f′(η)＝2-6η2+4η3 (25)
在管道内壁面处，即y＝0处，η＝0，故：
将其计算结果代入积分动量公式(20)得到：
或
当x＝0时，δ＝0，对式(28)进行积分：
综上所述液膜边界层速度分布为：
式中，κ2、α0分别为公式(24)和公式(26)求得的常数；ρ、μ分别为流体的密度和流体的动力粘度；ue由公式(10)求得；由管道长度L作为x方向的特征长度，管道直径d作为y方向的特征长度。
4.根据权利要求1所述的半热分布传感器式液膜流速测量方法，其特征是，所述控制单元包括有电路板和上位机，所述电路板与所述测温元件相连接，用于采集测温元件的温度信息并上传到上位机，所述上位机用于根据接收到的温度信息计算液膜流速；所述电路板设置在恒温箱中。
5.根据权利要求1所述的半热分布传感器式液膜流速测量方法，其特征是，在所述冷端测温管段上设置有四个测温元件，所述四个测温元件位于同一个纵向截面内并均布在外管壁环上；所述测温元件为贴附于管道外壁上的柔性热电偶，所述测温元件的冷端放置在恒温箱中。
6.根据权利要求1所述的半热分布传感器式液膜流速测量方法，其特征是，在所述热端测温管段上设置有四个测温元件，所述四个测温元件位于同一个纵向截面内并均布在外管壁环上；所述测温元件为贴附于管道外壁上的柔性热电偶，所述测温元件的冷端放置在恒温箱中。
7.根据权利要求1所述的半热分布传感器式液膜流速测量方法，其特征是，所述加热元件包括有：包裹在所述加热管段管道外壁的伴热带和与伴热带连接的温控器，加热温度由所述温控器控制。
8.根据权利要求7所述的半热分布传感器式液膜流速测量方法，其特征是，所述伴热带加热功率为100W，加热长度为200mm。
9.根据权利要求1所述的半热分布传感器式液膜流速测量方法，其特征是，在所述加热管段的上下游位置处设置有隔热层，所述隔热层由毛凝胶毡材料制作。
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