Page 41 - 《应用声学》2020年第1期

第 39 卷 第 1 期 金宁德等： 油 -气 -水三相流超声传感器持气率测量 37

中超声波传播特性，本文利用 COMSOL 多物理场
0 引言 耦合仿真软件建立了超声传感器三维几何剖分模
型，如图 1 所示。发射端和接收端分别在 20 mm 内
油 -气 -水三相流普遍存在于油气开采与输送
径管道的左端和右端，压电陶瓷直径为6 mm。通过
过程中，在水为连续相的油 -气-水三相流动过程中，
改变气泡与油泡的直径与数量，得到了不同分散相
由于存在两个独立的分散相，其相间界面相互作用
浓度下超声声场分布。图 2 为直径为 1 mm 的油泡
十分复杂，相间滑脱现象显著，流动行为呈现随机
均匀分布在介质内，直径为 1.5 mm 的气泡数量逐
性、无规则性和流动结构不稳定性，无疑增加了持
渐增加时介质中的声场分布。
气率参数测量难度。
多相流分相持率主要测量法有射线法 [1] 、电学

法 [2] 、微波法 [3] 、光学法 [4] 、超声法 [5] 以及过程层析 5
成像 [6] 等。油-气-水三相流中气相与油相均为不导
0
电相，依据传统电学类检测方法难以区分，而且光学
-5
法与射线法测量精度较低；由于气相与水相或油相 10
5 10
的密度存在明显差异，声学特性辨识度较高，故使用 0 5
-5 0
超声法可检测油-气-水三相流中的气相持率。 -10 -10 -5
通过检测超声强度衰减，超声传感器在三相 1. ԧ࠱ቫ; 2. ଌஆቫ; 3. Яय़ኮ᥋
流持气率检测中具有较好应用。Soong 等 [7] 通过测 图 1 超声传感器三维模型
Fig. 1 Ultrasonic sensor 3D model
量超声的衰减与介质中的速度，研究了泥浆中气
泡与固体颗粒的尺寸。Vatanakul 等 [8] 利用透射式
超声传感器测量了气 -液 -固三相流中分散相持率。
Zheng 等 [9] 通过测量超声波穿过介质的速度与衰
减研究了气 -液 -固三相流中气相与固相对超声传
感器响应的影响。Cents等 [10] 利用宽频带透射式超
声传感器测量了气 -液 -固三相流中气泡直径与固
体颗粒的尺寸。
与两相流和气 -液 -固三相流相比，超声法在
油 -气 -水三相流持气率测量中应用较少，含油率变
化对超声波在以水相为连续相三相流中传播影响 图 2 介质中分散相分布示意图
尚待认识。本研究采用多物理场耦合仿真分析法考 Fig. 2 Sketch map of dispersed phase distribution
in medium
察了气泡直径与油滴尺寸变化对声场分布的影响，
在管径为 20 mm 的垂直上升管中进行了油 -气 -水 有限元法数值模拟依据的是一种电 -结构 -声
三相流动态实验，利用超声传感器测量了不同流型 三物理场耦合理论，其中声场的波动方程如下：
( ) 2
时的持气率，并分析了不同流型持气率预测的误差 1 ω p
∇ · − (∇p) − 2 = 0, (1)
来源。 ρ 0 ρ 0 c s
其中，p 为声压，ρ 0 为声传介质的材料密度，ω 为角
1 超声传感器声场有限元分析 频率，∇为拉普拉斯算子，c s 为超声波在介质材料中
的声速，结构力学方程可表示为
基于有限元法的数值模拟分析，本课题组先前
2
iϕ
−ρω u − ∇ · σ = F v e , (2)
利用单因素变换法，对脉冲透射式超声传感器探头
的尺寸以及脉冲频率进行了优化，发现当发射频率 式 (2) 中，ω 为角频率，ρ 为压电材料密度，u 为位
为2 MHz 时，超声传感器对于气液泡状流流型超声 移，F v 为体积力，σ 为应力，e iϕ 为位相因子。电场的
衰减特性明显，传感器对泡状流时的持气率具有较 Maxwell方程可表示为
好的检测能力 [11] 。为进一步考察油 -气 -水三相流 ∇ · D e = ρ v , (3)