一种基于高速摄影技术的气液两相流测量方法和装置与流程

本发明涉及领域，是一种基于高速摄影技术的气液两相流测量方法和装置。该方法和装置可以识别气液两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。

背景技术：

工程上广泛存在着两相流的流动现象，其中以气液两相流最为普遍。例如石油输运管道内、水轮机转子周围、大气云层内的对流等，都属于气液两相流流动。通过两相流流动流动参数进行测量，了解其特性及变化规律，对于相关科研、设计以及生产具有十分重要的意义。与单相流相比，两相流由于在相界面各相间存在传质，甚至化学反应，而且在时间、空间上随机可变，使得诸如各相含量、流速、流量以及总体速度、流量等流动参数的检测更具复杂性，难度很大。迄今为止，已有的检测技术和方法大多是建立在单相传感器基础上的检测手段，获得的信息量小，而且无法对两相流的整体特性进行实时观测描述。

气液两相流的测量涉及的参数以及表现形式如下：

1.流量

(1)气液两相流的质量流量：

G＝G_g+G_l，

其中，G总质量流量；G_g和G_l分别为气相和液相质量流量。

(2)气液两相流的体积流量：

Q＝Q_g+Q_l，

其中，Q总体积流量；Q_g和Q_l分别为气相和液相体积流量。

2.流速

(1)气液分相速度

其中，w_g和w_l分别为气相和液相分速度；A_g和A_l分别为气相和液相流体通过的截面积。

(2)气液分相表观速度

w_sg和w_sl分别为气相和液相表观速度；流通截面积

A＝A_g+A_l。

3.密度

(1)流动密度

(2)真实密度

ρ＝αρ_g+(1-α)ρ_l，

其中，ρ_g和ρ_l分别为气相和液相流体密度；α是截面含气率，也称空隙率。

4.分相含率

(1)截面含气率(空隙率)

(2)容积含气率

(3)质量含气率

随着工业生产中对于两相流流动的计量、控制方面的更高要求，需要开发一种能够同时测量获得气液两相流中各相含量、流速和流量，以及总体平均速度、流量的装置。

高速摄影技术可以实现可视化、非接触、无辐射、低成本测量,近年来在流体测量方面的应用得到了很大的发展。代表性的荧光粒子示踪法已广泛地应用于工业生产上的在线监测。具体在气液两相流测量中的应用原理是：利用高速摄影机在某个流动截面上连续多次获取图像，由于气液两相流的密度不同，在截面中的影响中表现为不同的灰度，可以判断两相流中的分相含量。利用特定算法，捕捉连续几个瞬态图像中的相同密度灰度的位移，即可获得分相速度。

如果配以多个其他类型的传感器，实现组合测量，则可以获得完整的气液两相流的流动参数。

本发明提供一种基于高速摄影技术的气液两相流测量方法和装置。该方法和装置可以识别气液两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。

技术实现要素：

本发明提供一种基于高速摄影技术的气液两相流测量方法和装置。该方法和装置可以识别气液两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。图1是基于高速摄影技术的气液两相流测量装置的布局图。图中所示，该装置包括：测量管道(1)、反射镜(2)、高速摄影机(3)、数据采集与处理系统(4)、图像重建系统(6)、控制计算机(5)、压差流量计(7)、光源(8)。其连接关系是：

光源(8)照射反射镜(2)

反射镜(2)在被测气液两相流流动的测量管道(1)的一侧；

高速摄影机(3)连接反射镜(2)；

高速摄影机(3)连接数据采集与处理系统(4)；

数据采集与处理系统(4)连接图像重建系统(5)；

压差流量计(7)位于测量管道(1)上，在测量管道(1)的下游；

控制计算机(5)连接高速摄影机(3)、数据采集与处理系统(4)、图像重建系统(6)。

图2是高速摄影技术测量气液两相流的各相含量的原理图。图中表示，光源(8)产生片状光源，照射反射镜(2)；反射镜(2)将片状光源反射到测量管道(1)内部，形成一个沿着测量管道(1)中两相流流动方向上的测量截面，测量管道(1)有一个透明窗(8)。高速摄影机(3)通过透明窗(8)记录下这个截面的图图像。由于气液两相流气泡(10)和液体(11)的密度不同，在图像中表现的灰度不同。数据采集与处理系统(4)将摄影及信号输入到图像重建系统(6)，利用图像重建算法，根据计算截面灰度的分布，进行数据处理，获得某个截面上两相流流场的各相含量的二维分布以及变化的时间历程。

附图说明

图1是基于高速摄影技术的气液两相流测量装置的布局图；图中，1测量管道1、2反射镜、3高速摄影机、4数据采集与处理系统、5控制计算机、6图像重建系统、7压差流量计、8光源。

图2是高速摄影技术测量气液两相流的各相含量的原理图；图中，1测量管道、反射 镜、3高速摄影机、4数据采集与处理系统、5控制计算机、6图像重建系统、8光源、9透明窗、10液体、11气泡。

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基于高速摄影技术气液两相流测量方法和装置的原理和结构。该方法和装置用于测量空气-水两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。该装置中的部件组成和连接关系与图1相同。

具体实施方式中，

测量管道(1)的截面为正方形、为长度为1m、内边为50mm、壁厚10mm、材料为有机玻璃。水平放置，整体为全透明。

光源(8)为Nd-Ag激光器，产生片状光源，照射反射镜(2)；

反射镜(2)将片状光源反射到测量管道(1)内部，形成一个测量截面；

高速摄影机(3)记录下这个截面的图像。由于气液两相流中的气泡(9)和液体(10)的密度不同，在图像中表现的灰度不同。数据采集与处理系统(4)将摄影及信号输入到图像重建系统(6)，利用图像重建算法，根据计算截面灰度的分布，进行数据处理，获得某个截面上两相流流场的各相含量的二维分布以及变化的时间历程。

控制计算机(5)连接、控制数据采集与处理系统(4)的运行，同时规定数据采集与处理系统(4)的连续的采样间隔，从而获得空气-水的分相速度；

压差流量计(6)在测量管道(1)的下游，测量总流量。