Page 44 - 《应用声学》2020年第1期

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20 mm 的管道中，光纤探针探出套筒的长度分别为 仍能造成超声信号截止，而且超声波在穿越混状流
1 mm 和2 mm，并使用波长为 850 nm 的LED 灯为 液塞时的衰减高于穿越段塞流液塞时。随着液相流
整个测量系统提供红外光源。为了降低实验中的光 速进一步增大，气塞或者气块被击碎为小气泡，均匀
信号在传输过程中的损耗，并考虑到所用光的波长 分散到混合流体内，从图 5(b) 中可以看出，此时气
范围，本次实验选用了 FCMM625-99A-FC 型号多 相以小气泡形式随机分散于混合流体中，图 8 中超
模耦合器，以达到预期目标。光纤耦合器将光信号 声信号无截止现象出现，且超声信号衰减降低，表明
转换为电压信号，转换后的电压信号通过整流模块 超声波大部分能量能穿透流体到达接收端。
进行滤波和信号放大，并通过 NI 公司的 PXI-4472 1.2
U l =0.0736 m/s, K w =0.8, U g =0.0552 m/s, ඀܋ื
板块进行采集，采样频率设置为2000 Hz，采样时间
0.6
为120 s。
0
1.2
U l =0.2944 m/s, K w =0.8, U g =0.0552 m/s, ඀܋ื
0.6

ԥ݀Аጜ 1.2 0 U l =0.5253 m/s, K w =0.8, U g =0.0552 m/s, ຉ࿄ื
ଊ᧫ ᡔܦᑢфతܸϙऀѵ 0.6
62.5 µm 1 mm 0
35O 1.2 U l =0.9568 m/s, K w =0.8, U g =0.0552 m/s, ຉ࿄ื
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0.6
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0
1.2
图 7 双头光纤探针传感器 U l =1.1776 m/s, K w =0.8, U g =0.0552 m/s, จ࿄ื
Fig. 7 Double-sensor optical probes 0.6

0
3 实验结果分析 0 200 400 600 800 1000
஝૶᧔ನག
3.1 超声传感器持气率测量特性 图 8 超声响应峰值序列
为了探究超声波能量衰减与管道中持气率之 Fig. 8 Peak ultrasonic response sequence
间关系，提取每个触发周期内超声波脉冲幅值最大 3.2 泡状流测量及分析
值作为一次触发采集到的信号。该信号直接反映出
当超声波穿过油 -气 -水三相流时，由于不同介
了超声波经过流体散射及透射后的声能衰减情况，
质的声阻抗不同，超声波传播到物理性质不同的接
图8为典型工况下超声响应峰值序列。可以看出，在
触面时发生散射现象，引起能量的大幅衰减，通过测
液相流速较低时，流体流型呈现为段塞流，周期性出
量超声波的衰减程度，可以得到流体内持气率信息。
现较大气塞会导致超声波无法穿透流体，几乎接收
超声波传播过程中的衰减可以表示为
不到超声信号，从图 5(a) 中可以看出，段塞流液塞 U
中的气泡尺寸与泡状流时接近，超声信号随流过其 U 0 = exp (−αL) , (4)
测量截面的气泡变化而波动。随着液相流速增大， 式(4)中，U 0 为纯水时的超声信号值，U 为加入气相
流体中大气塞出现的频率增加，但对应的弦长变短， 后的超声信号，即超声传感器的测量值，L为超声波
即气塞长度变短，从超声信号上可以看出此时信号 在管道中的传播距离，即管道直径，α 为吸收系数。
截止情况出现的频率变高，液塞部分超声信号衰减 由于该模型不受温度压力影响，得到了广泛应用，
增加，这是因为气塞逐渐被击碎变短，被击碎的部分 Stravs等 [14] 将式(4)推广为
涌入液塞，增加了液塞部分持气率，导致超声穿过流 U ( aL nd sm )
= exp − · , (5)
体时衰减增加，与光纤测得的泡径信息相呼应。 U 0 8θ 2
当液相流速增大到气塞被击碎为大气块时，流 其中，a 为气相体积截面积，θ 为散射系数，n 为超声
型逐渐接近混状流。此时从图 8 可以看出较大气块 波的波数，d sm 为 Sauter 平均气泡直径。气相体积