DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.02.040
油水两相流超声波衰减测试方法
苏茜，董峰
(天津大学 电气与自动化工程学院，天津市过程检测与控制重点实验室，天津，300072)
摘要：针对油水两相流过程参数超声衰减测试机理问题，采用基于有限元方法的多物理场耦合数值仿真技术，建立超声波激励作用下的被测场二维几何剖分模型。通过计算油水两相流场中超声波的声压，分析超声衰减随两相流相含率变化的规律。对油水两相流水包油核心流、油水分层流，以及均匀分布的分散流分布状态下，不同的油相含率对超声衰减的影响进行数值模拟和实验验证。研究结果表明：不同的相分布和相含率对超声衰减影响较大，且之间存在一定的规律。
关键词：油水两相流；相含率；超声测试；衰减特性
中图分类号：O359；TP271+.3 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)02-0647-07
Ultrasound attenuation measurement in oil-water two-phase flow
SU Qian, DONG Feng
(Tianjin Key Laboratory of Process Measurement and Control,
School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China)
Abstract: According to mechanism of the ultrasound attenuation measurement in oil-water two-phase flow, the multiphysics coupling numerical simulation of the finite element method was used to build two-dimension geometric subdivision model of the measured field with the ultrasonic excitation. The ultrasonic sound pressure was calculated in oil-water two-phase flow field, and the laws between the ultrasonic attenuation with the phase fraction changing of the two phase flow were analyzed. In the distribution states of the core flow, stratified flow, and the uniform distribution flow in oil-in-water two-phase flow, the effects of different oil fraction on ultrasonic attenuation were numerically simulated and experimentally verified. The results show that different phase distributions and phase fractions have a great influence on the ultrasonic attenuation, and there are certain regularities between them.
Key words: oil-water two-phase flow; phase fraction; ultrasonic measurement; attenuation characteristics
在自然界以及动力、石油、化工、冶金以及航空航天等工业生产过程中多相流动现象广泛存在。例如在石油工业中，油井内的流体常为油、气、水3种流体同时存在；在电厂发电过程中，作为燃料的煤粉在输送过程中为气、固相同时存在。随着现代工业生产的高速发展，生产工艺的规模的扩大和工艺的复杂，对多相流中各流动参数测量精度的要求也越来越高，准确地测量多相流流动参数对生产过程以及工艺管理的优化有着重要的意义[1-2]。多相流体不同于单相流体，多相流流动更加复杂，它具有非线性、相间滑脱等流动特征[3]，其参数测量问题仍然是一个较为困难的课题。其中，相含率的检测是多相流测试技术研究中的一项重要参数指标，根据其测量原理可以分为：电学测量法[4]、射线法[5]、快关阀直接测量[6]、声学法测量[7]、光学法测量[8]、核磁共振法[9]以及微波法[10]等。其中，采用超声波技术的测量方法是一种非接触式的检测手段，通过分析超声波透射衰减或者反射的超声波信号，可获得被测流体的浓度和速度等参数。但是，采用超声波技术实现多相流相含率测试时，存在响应非线性等问题[11]。自20世纪80年代，科研工作者在采用超声波技术开展两相流参数检测方面进行了大量的研究工作并取得了一定的成果。XU等[12]在管道两侧放置一对正对的超声传感器来测量气液两相流中气相的浓度，提出了脉冲式超声波可以有效抑制驻波对测量结果的影响，可以通过检测峰值的方法来提取接收端流体的有效信息。TSOURIS等[13]利用超声回波速度测量方法，确定了液液分散流中分散相含率。ZHENG等[7]提出气泡空隙率对超声波的传播时间的影响，得到超声波传播时间波动的标准差与气体的含率的对应关系，并在垂直多相流装置上进行了实验验证。SUPARDAN等[14]根据超声穿透气液两相流的幅值衰减来测量两相流的空隙率，在实验中得到了较好的线性关系[14]。CARVALHO等[15]将透射法运用于垂直管道中的泡状流，并分别在45°，135°和180°位置上接受散射的声强信号，讨论了不同流型下超声信号的透射与反射情况。FILLETTI等[16]提取分散两相流的声信号，利用神经网络估算了两相流的含率，并建立的界面面积预测机制。MURAI等[17]通过分析超声波在两相界面上反射波的强度、多普勒效应以及声速变化技术，讨论了不同的方法和不同的技术指标适用于不同状态的多相流。应用超声波技术实现多相流参数的检测，具有不受被测介质矿化度影响、不干扰流场、不存在流体腐蚀、磨损，适用于非透光性、非导电性介质等优点，特别是超声波对油水相界面具有较灵敏的感应能力[18]。为此，本文作者针对油水两相流过程参数的超声波技术的基本测试机理，采用有限元分析法，通过建立油水两相流的相介质分布模型，对不同的流动结构下在进行声场仿真，提取声压的分布信号进行分析，实现油水两相流相含率的表征，为超声波传感器的设计、响应特性分析及流动参数测试模型的建立提供基础。
1 超声测试基本原理和方法
超声测量油水两相流的原理是基于水动力学和热力学效应，在超声的衰减过程中也包含着多种不同的衰减机理。包括散射损失、热损失、黏性损失、吸收损失、结构损失和电声损失等[19]。在采用多种机制进行测量时一般是把各种机制引起的衰减进行线性叠加来得到总的衰减。
超声衰减法测量的原理如图1所示，超声波发射端发出一定频率和强度的超声波，在油水两相流中穿过，经过油水两相的吸收等衰减机制后，到达超声波信号接收端[20]。当油相介质通过测试区域时，由于不同尺寸的油泡分布对超声波的吸收程度不同，在接收端上得到的超声波衰减程度也就不同。根据油泡尺寸与超声波强度衰减之间的关系，可测得油相的含率。在油水两相流中，超声衰减系数为
(1)
式中：V1和V2分别为超声波发射端和接收端的声波强度(声压)；l为发射端与接收端的距离。
图1 超声波衰减测试原理
Fig. 1 Testing mechanism of ultrasound attenuation
2 相分布与超声衰减特性
2.1 水包油核心流分布对超声衰减的影响
为了讨论油水两相流相分布对超声衰减特性的影响，基于有限元方法，利用COMSOL Multiphysics
多物理场耦合仿真软件建立被测场二维几何剖分模型。在管道截面中心，用圆形模拟油相核心流分布，并控制圆形的面积得到不同的截面含油率，仿真结构模型如图2所示。设定管道内径为50 mm，采用自由剖分三角形划分网格。用贝氏多线段将水和油分界，形成界面；发射端采用结构-声耦合方式，传感器直径为9 mm，发射的超声波频率为500 kHz，声压为500 kPa，接收端用二维截线接收衰减后的信号。主要仿真参数设置为：温度293.15 K，水的密度1 000 kg/m3，水中声速1 500 m/s；油的密度850 kg/m3，油中声速1 324 m/s。
仿真得到被测场中超声波声压分布以含油率20%，50%和80%为例，如图3所示。图3中横、纵坐标P表示位置距离。提取水包油核心流分布的超声波衰减系数随含油率的变化如图4所示。由图4可见：超声波衰减系数与含油率呈接近单调上升的线性关系。
图2 核心流分布仿真模型
Fig. 2 Simulation model of core flow
2.2 油水分层流分布对超声衰减的影响
考虑油水两相流不同流型对超声波的衰减作用，图5所示为仿真结构模型模拟油水分层流分布的情况，并用油水分界面的高度控制截面的含油率。得到被测场中超声波声压分布，以含油率20%，50%和80%为例，如图6所示。提取油水分层流分布超声波衰减系数随含油率的变化如图7所示。由图7可见：超声波衰减系数与含油率呈接近单调上升的线性关系。
比较图4与图7可知：当油水两相流流型不同，超声的激励频率和油相含率相同时，由于两相分布形式的不同，超声波衰减程度不同，衰减系数与含油率的关系也不完全一致。如当含油率为20%，50%和80%，在水包油核心流分布时，提取的超声衰减系数分别为11.99，12.98和13.28 dB/m；而当油水分层流分布时，提取超声衰减系数分别为3.55，6.98和8.14 dB/m；在相同含油率条件下，水包油核心流的超声衰减系数比油水分层流的高。
分析上述现象，由于在油水两相流中，超声的衰减主要由超声波在油水介质中传播的散射特性、油水分界面和油水与管壁之间存在的透射和反射过程中所产生的各种衰减损失构成。因此，在水包油核心流分布中，由于油水分界面与发射端产生的超声波传播方向成一定的角度，会发生较严重的散射作用，超声波的衰减损失除了介质中的传播损失外，散射产生的能量损失相对较高。而在油水分层流分布中，由于超声波的传播方向与油水分界面垂直，散射作用相对较弱，超声波的衰减损失以介质中的传播损失为主，能量损失相对较低。由此，可以得出超声衰减系数不仅与相含率有关，同时也在很大程度上受到油水两相介质分布状态的影响。
图3 水包油核心流中的声压分布
Fig. 3 Distributions of sound pressure in oil-in-water core flow
图4 核心流分布超声波衰减系数
Fig. 4 Ultrasound attenuation coefficient of core flow
图5 分层流分布仿真模型
Fig. 5 Simulation model of stratified flow
3 离散相均匀分布超声衰减特性
由上述的仿真实验结果和分析可以得出：在讨论油水两相流中的超声衰减和相含率关系时，不同的油水介质的分布会产生不同的超声波衰减。因此，要建立基于超声衰减的油水两相流相含率测试模型，需要针对不同的流动状态进行研究。
由于在实际的油水两相流动过程中，水包油流型的流动状态广泛存在。因此，以水包油流型为具体研究对象进一步分析和讨论。在该流型中，水相以连续相形式存在，油相作为离散相以细小的油滴状散布在水相中。在实际流动实验中，油水两相混合后，经过一定的流动距离使流型充分发展，可形成油水两相分布较均匀的水包油流型。针对这种流型分布，结合实验测试条件，建立仿真分析模型。仿真中，设定管道内径为50 mm，传感器直径为9 mm，传感器的激励电压为10 V、频率为1 MHz；油相的分布采用多个直径2 mm的圆形油泡模拟，并用圆形的个数控制截面的含油率；油、水介质属性参数的设置与前述相同。得到不同油相含率的声压分布，以含油率20%和50%为例，如图8所示。
图6 油水分层流中的声压分布
Fig. 6 Distributions of sound pressure in stratified flow
图7 分层流分布超声波衰减系数
Fig. 7 Ultrasound attenuation coefficient of stratified flow
提取水包油流型中不同含油率时，接收端超声波衰减系数仿真结果，得到与含油率变化关系如图9所示。由图9可见：当含油率小于35%时，超声波衰减系数与含油率的曲线关系呈现单调上升关系；当含油率超过35%以后，超声波衰减系数随着含油率的增加，呈现迅速下降的趋势；当含油率为45%~60%之间时，超声波衰减系数随含油率的增加下降趋势减弱。
分析上述过程可知：当含油率小于35%时，油水两相流的流动状态是明显以水为连续相的水包油流型，在该流动状态下，超声波衰减系数与含油率的变化同向改变；当含油率超过35%以后，由于油相增加，油相分布的比例与水相逐渐接近，流动状态迅速接近均匀混合状态，超声波的传播过程也接近单相介质的传播特性，超声波的衰减以介质中的传播损失为主，散射和反射所产生的能量损失减小，超声波衰减系数迅速下降；当含油率为45%~60%时，油水两相分布近似为均匀混合，超声波衰减系数下降减慢；当含油率超过60%时，实际的油水两相流将形成以油为连续相的油包水流型。
图8 水包油均匀分布流型中的声压分布
Fig. 8 Distributions of sound pressure in oil-in-water uniform distribution
图9 水包油均匀分布流型中的超声衰减系数
Fig. 9 Ultrasound attenuation coefficient of oil-in-water uniform distribution
4 油水两相流实验测试
为了对油水两相流中超声衰减特性的方针分析结果进行验证，油水两相流动过程超声测试实验在天津大学油气水多相流实验装置上进行[21]。实验中，采用的超声传感器直径为9 mm，激励频率为1 MHz，激励电压为10 V；油相采用工业白油，密度为841 kg/m3；水相为自来水，密度为998 kg/m3。油、水两相分别由精度为±0.5%的单相流量计量后，在水平实验环管入口处，由混合器充分混合后，流入内径为50 mm的不锈钢实验管道，管道内压力为0.32 MPa。为使油水两相的流动状态经充分发展达到稳定，实验测试处距混合入口处约17 m。实验时采用的所测试的含油率范围为20%~60%，实验测试所得超声衰减系数随含油率变化的结果如图10所示。
图10 超声衰减系数的实验测试结果
Fig. 10 Experimental test results of ultrasonic attenuation coefficient
由图10可见：当含油率为20%~30%时，超声衰减系数呈现快速上升趋势；当含油率超过30%时，超声衰减系数快速下降；当含油率达到45%后，超声衰减系数的下降速度减慢。其中，在仿真研究中，当含油率达到35%时，超声衰减系数开始出现下降趋势(见图9)；而实验测试中，该趋势拐点为30%(见图10)。产生这一差别的原因是仿真研究中油相分布的设置是规则、均匀分布。而实际实验中，当含油率超过30%后，油相发生明显的聚并，不能保持均细小油泡状的均匀分布，散射和反射所造成的能量损失减小。当含油率达到45%时，尽管仿真研究中采用的油相分布模型是的设置是规则、均匀的分布，但此时油相的分布已达到一定的密集程度，这与实际测试该油相含率时，所形成的油、水两相均匀混合分布所产生的衰减效果一致。实验测试所获的结果，从趋势上与仿真研究结果能达到较好的吻合，初步验证了超声衰减测试方法的可行性和有效性。
5 结论
1) 针对油水两相流中相含率变化对超声波衰减的影响问题，采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合仿真软件，建立了油水两相流流场分布有限元模型。
2) 对油水两相流的水包油核心流、油水分层流和水包油流型中油相均匀分布的分散流中，不同油相含率的条件下的超声波衰减特性进行了仿真研究。得到不同的两相分布和相含率对超声衰减特性的影响，分析并讨论了随含油率的变化超声波衰减产生的原因和特点。油水两相流的超声衰减实验测试所得结果和趋势，较好地验证了仿真分析的结论。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2015-02-15；修回日期：2015-04-16
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(61227006，51176141)；天津科技创新体系及平台建设计划项目(13TXSYJC40200)(Projects (61227006, 51176141) supported by the National Natural Science Foundation of China;Project (13TXSYJC40200) supported by the Science and Technology Innovation Plan of Tianjin)
通信作者：董峰，博士，教授，从事多相流测试技术与信息处理研究；E-mail：fdong@tju.edu.cn
