Page 42 - 《应用声学》2020年第1期

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其中，D e 为电位移，ρ v 为体积电荷密度。 2 测量系统及实验装置
为了定量反映气泡与油泡对超声声场分布的

影响，提取超声接收端声压级(Sound pressure level, 2.1 实验装置
SPL)，结果如图 3所示。可以看出，当持气率增大即 垂直上升油 -气 -水三相流动态实验装置如图 4
气泡直径增大或气泡个数增多时，接收端声压级降 所示。实验采用内径 20 mm 的有机玻璃管作为测
低，相对于小气泡而言，大气泡的增多会使持气率变 量管段，测试管段总长 2610 mm。实验表明，在垂
化更多，接收端声压级下降的斜率会相应增加。在 直入口上游 1200 mm 处，可保证垂直上升油 -气-水
气泡尺寸与数量固定时，接收端声压级会随着油泡 三相流结构充分发展，流速基本趋于稳定。实际
直径增加而降低，但在油泡直径小于2 mm时，对超 测量时，脉冲透射式超声传感器安装在垂直入口
声衰减的影响比较微弱，而且当气泡大于 2 mm 时， 上游 1640 mm 处，用于测量油 -气-水三相流的持气
油泡对超声衰减的影响也不显著。
率。双头光纤传感器安装在垂直入口上游2500 mm
90 处，用于测量油 -气 -水三相流中气泡尺寸。测试管
ඡจᄰय़
85
d g =3 mm 段安装了相距 1510 mm 的两个快关阀，用于获取
80 d g =3 mm
75 d g =3 mm 油 -气 -水三相流真实持气率，为超声法持气率测量
d g=2 mm
70
SPL d g =2 mm 结果提供标定手段。
65
d g =2 mm 3
60 ෴จᄰय़ d g=1 mm 实验中，油相介质采用3号白油(密度801 kg/m ，
d o =0 mm 3
55 d g =1 mm 黏度2.8 mPa·s)，水相介质采用自来水(密度1000 kg/m ，
d o =1 mm
50 d o =2 mm d g =1 mm 黏度 1 mPa·s)。本次实验使用两台 WT600F 工业
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 智能型蠕动泵来作为油相及水相流量计量单元装
ඡจ˔஝
置，该蠕动泵性能稳定可靠，调节精确，在保证输
图 3 不同分散相 (油相及气相) 浓度下超声接收端
送管道足够长的情况下可以忽略其脉动的影响。垂
声压级特性
直管段入口处使用 Y 型连通器，使油管和水管的
Fig. 3 Characteristics of sound pressure level at
◦
ultrasonic receiving end with different dispersed 夹角为 60 ，这种入口方式能够确保流体进入管道
phase (oil phase and gas phase) concentrations 后尽快充分发展。实验中的气相由空气压缩机提供，
ঌТ᫙
310 mm
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860 mm

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340 mm
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2 3
1200 mm
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图 4 垂直上升小管径油 -气 -水三相流实验装置示意图
Fig. 4 Schematic diagram of the oil-gas-water three phase flow experimental device