本發(fā)明涉及兩相流測量領域，具體是一種利用空穴流動用于測量大氣氣液兩相流的方法和裝置，該裝置可以識別氣液兩相流的各相含量，以及總體平均速度、流量。

背景技術：

工程上廣泛存在著兩相流的流動現象，其中以氣液兩相流最為普遍。例如石油輸運管道內、水輪機轉子周圍、大氣云層內的對流等，都屬于氣液兩相流流動。通過兩相流流動流動參數進行測量，了解其特性及變化規(guī)律，對于相關科研、設計以及生產具有十分重要的意義。與單相流相比，兩相流由于在相界面各相間存在傳質，甚至化學反應，而且在時間、空間上隨機可變，使得諸如各相含量、流速、流量以及總體速度、流量等流動參數的檢測更具復雜性，難度很大。

隨著工業(yè)生產中對于兩相流流動的計量、控制方面的更高要求，需要開發(fā)一種能夠同時測量獲得氣液兩相流中各相含量，以及總體平均速度、流量的裝置。一個重要的手段是利用已有的單相流檢測技術和方法通過對儀器和測量過程的改進進行兩相流測量。

空穴流動(cavityflow)是工程上一種常見的流體流動現象。例如，火車車廂之間的縫隙中的流動、飛機起落架艙中的流動等等?？昭鲃右恢笔橇黧w力學領域一個研究熱點。因為在這種流動現象存在一種可探明的、用利用價值的運動機制。圖1給出了一個空穴流動的內部機制的理論示意圖。如圖1所示，當流體來流(1)流過空穴(2)時，在空穴的前沿(3)，也就是拐角處，理論上這是一個流動奇點(singularity)，所以流體(1)的粘性邊界層中沿著與流動方向(1)垂直的方向上的壓力變化率會突然變大，從而在前沿(3)產生流動分離。由于流體產生分離，會在前沿開始形成一個向下游運動的流體的剪切層(4)。剪切層(4)碰撞到空穴的后沿(5)，在空穴(2)中被反射回前沿(3)，在空穴(2)中形成一個與來流(1)相反的反射回來的流動(6)。反射回來的流動(6)到了前沿(3)形成了對前沿(3)處的流體的進一步擾動，持續(xù)的來流(1)在前沿繼續(xù)分離，形成剪切層(4)。這個過程隨著流體的流動而持續(xù)著，因而在空穴(2)中，產生了一個旋渦形的流動，空穴(2)內的壓力場呈周期性振蕩的變化，因而空穴流動形成一種在空穴內的自持振蕩 (self-sustainedoscillation)。這個自持振蕩主要與空穴的幾何形狀、來流的雷諾數(reynoldsnumber)有關。描述流體(如空氣、水等)的運動時，經常用到無量綱數，雷諾數，它描述了流體的慣性力和粘性力之比?？蓧嚎s流體的雷諾數re可以用下式來表示，

其中，ρ，v∞，μ分別代表流體來流的密度、速度和動力粘性系數；l代表物體的特征長度尺度，在空穴流動中，可以用圖1中的空穴開口的長度表示。大量實驗表明，雷諾數在2x10⁴至7x10⁵范圍內，空穴流動中的旋渦的結構是穩(wěn)定的，而且旋渦產生頻率和流體來流的流速的關系是唯一確定的。在諸如空穴流動這樣的振蕩的流場中常用到無量綱參數，斯特哈雷數(strouhalnumber)數來描述流場的特征。strouhal數，st，定義為

其中，f為旋渦的脫落頻率。在上述雷諾數范圍內，strouhal數一般為固定值0.2。因而在空穴流動中，如果獲得旋渦的脫落頻率f，即可獲得流體來流的流速。氣液兩相流流動工況與單相流相比復雜的多,由于液相中含有氣泡,這對空穴流動中的旋渦的結構有很大影響，旋渦的結構與單相流動也不同，若要利用渦街特性測量氣液兩相流流量與組分，首先，在氣液兩相流中須有穩(wěn)定的空穴流動中的旋渦存在。根據大量實驗的研究，在氣液兩相流中確有空穴流動中的旋渦存在，可被檢測出來。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是提供一種利用空穴流動原理工作的空穴流量計，利用空穴流動用于測量大氣氣液兩相流的方法和裝置，該方法和裝置可以識別氣液兩相流的各相含量、速度和流量，以及總體平均速度、流量。它是利用流體流過流量計管道壁面上的空穴時產生的自持振蕩現象的原理制成的流量計。在氣液兩相流中的斯特哈雷數stm，定義為

stm＝st(1-βa)(3)

上式中，參數a是待定常數，與氣體體積含氣率β相關，需要通過標定來確定，形成a常數與氣體體積含氣率β的相關曲線。因而，如果獲得了氣液兩相流的空穴流動的旋渦的脫落頻率f，按照公式(2)，即可獲得氣液兩相流的平均速度、流量和各相體積含率。根據上述理論，可以設計一種利用空穴流動原理工作的、用于測量管道內穩(wěn)定流動的流量的空穴 流量計。圖2是本發(fā)明提出的一種空穴流量計的結構示意圖。圖中表示，該空穴流量計包括一個流通管道(8)，其上有連接前法蘭(7)、連接后法蘭(9)。在流通管道(8)壁面上有一測量用的空穴(2)，空穴(2)有尖銳的前沿(3)和后沿(5)。測量空穴(2)底部裝有壓力傳感器(12)，連接到測量電路(13)。沿著流動方向(1)，在空穴(2)的上游，在流通管道(8)壁面上安裝a常數計算器(10)，并通過數據線(11)傳送至測量電路(13)。流量計工作時，流體進入流通管道(8)。啟動測量電路(13)后，讀取壓力傳感器(12)中的瞬態(tài)壓力信號。因為此時，空穴(2)中的自持振蕩已經形成，勢必在空穴(2)中產生和圖1中的(6)一樣的旋渦流動模式。測量電路(13)在一定的采樣時間內獲得壓力的瞬態(tài)信號，然后分解出這個旋渦的頻率。從時域信號分解出頻率信號的方法是公知的，這里不再敘述。因為旋渦頻率與來流速度成比例、strouhal數是以固定值0.2，且空穴(2)的開口長度l是已知的，所以按照公式(2)，即可獲得來流速度v∞和氣體體積含率β。此時，因為流體來流的密度、速度和動力粘性系數均為已知，由安裝在流通管道(8)上的a常數計算器(10)按照公式(2)再次計算兩相流的氣體體積含率β，并通過數據線(11)傳送至測量電路(13)。按照前述理論，如果兩次計算的值的誤差在范圍內，則測量有效，得到管道內穩(wěn)定流動的流量值；否則，重新估算兩相流中的斯特哈雷數，直至a常數與氣體體積含氣率β的相關曲線中獲得的值與計算值在測量誤差范圍內。由于本發(fā)明提出的空穴流量計的流量測量在空穴中進行，整個儀表內部無阻礙流體流動的部件，所以壓力損失非常微小，而且結構上更加牢固可靠，不怕腐蝕、磨損、堵塞等問題，拆裝方便、結構簡單、實用。

附圖說明

圖1是空穴流動的內部機制的理論示意圖。圖中，1流體來流、2空穴、3前沿、4剪切層、5后沿、6反射回來的流動(旋渦)。

圖2是一種空穴流量計的結構示意圖。圖中，1流體來流、2空穴、3前沿、5后沿、7連接前法蘭、8流通管道、9連接后法蘭、10a常數計算器、11數據線、12壓力傳感器、13連接到測量電路。

具體實施方式

以一個具體實施方案進一步說明本發(fā)明提出的利用空穴流動用于測量大氣氣液兩相流的方法和裝置的結構和原理。該技術方案是利用本發(fā)明提出的原理和結構實現的裝置。具體實施方式的結構示意圖如圖2所示?？昭髁坑嫲ㄒ粋€流通管道(8)，其上有連接前法蘭(7)、連接后法蘭(9)，可以連接在欲測量的管道之間。在流通管道(8)底邊上有一空穴(2)，開口長度l為50mm、沿著縱深方向(與來流垂直的方向)的剖面形狀為矩形，因而具有尖銳的前沿(3)和后沿(5)，底部裝有壓力傳感器(12)，連接到測量電路(13)。沿著流動方向(1)，在空穴(2)的上游，在流通管道(8)壁面上安裝a常數計算器(10)，并通過數據線(11)傳送至測量電路(13)。

該裝置用于測量管道內的穩(wěn)定流動，即來流速度是恒定的。將該裝置的前法蘭(7)、連接后法蘭(9)連接到欲測量的管道之間。測量時，來流流過空穴(2)時，流體邊界層在空穴的前沿(3)產生流動分離，分離的剪切層碰撞到空穴的后沿(5)，在空穴(2)中被反射回前沿(3)，形成了對前沿的流體的擾動，流體來流(1)在此處繼續(xù)分離。這個過程隨著流體的流動而持續(xù)著，因而在空穴(2)中，產生旋渦，使得空穴(2)壓力的周期性振蕩。測量旋渦頻率的壓力傳感器(12)連接到測量電路(13)，通過1khz的采樣頻率，在采樣時間10秒內獲得壓力的瞬態(tài)信號，然后通過fft方法分解出這個旋渦的頻率f。按照公式(2)，已知f、l和st可獲得來流速度v∞。此時，因為來流的密度和動力粘性系數均為已知，所以由安裝在流通管道(8)上的a常數計算器(10)按照公式(2)再次計算兩相流的氣體體積含率β，并通過數據線(11)傳送至測量電路(13)。按照前述理論，如果兩次計算的值的誤差在范圍內，則測量有效，得到管道內穩(wěn)定流動的流量值；否則，重新估算兩相流中的斯特哈雷數，直至a常數與氣體體積含氣率β的相關曲線中獲得的值與計算值在測量誤差范圍內。

對于有效測量，將來流速度乘以管道截面積即可獲得來流的流量，可將流量值轉換成標準電流信號輸出。