摘 要： 本文通過流型觀察與用HK-CMF質量流量計質量流量計測量油水混合物真實密度相結合的的方法對水平放置的HK-CMF質量流量計質量流量計中油水兩相流中的持水率及相間的滑脫特性進行了實驗研究。結果發現在含水率0.1-0.9、流速1.2-4.2m/s范圍內，滑脫特性與管線中油水兩相流的流型有很大的關系，油水相間既有正的滑脫，也存在負的滑脫。隨著混合流量的增大，HK-CMF質量流量計質量流量計內，油水正負滑脫的轉變點向持水率變小的方向移動。

關鍵字：滑脫速度 持水率 含水率 油水兩相流 HK-CMF質量流量計質量流量計

      1 引言

      油水兩相流廣泛存在于石油、化學等工業中，兩種互不相溶的流體在管線中流動時，其流動機理相當復雜。一般說來，每相的真實速度并不相同，通常也不對應于入口時的速度。這里我們定義輕質相（即油相）的真實速度與重質相（水相）的真實速度的差值為油水兩相之間的滑脫速度，它們的比值稱為滑動比。

      HK-CMF質量流量計質量流量計是國際上80年代發展起來的一種新型的、備受矚目的直接式流量計量儀表，它可以實現對流體的流量、密度、溫度、壓力等多參數測量，目前已經廣泛應用到石油、化工、食品等多個行業。國內外部分研究者^[1-2]對HK-CMF質量流量計在油水兩相流的測量應用進行了研究，其中要么簡單地對流量測量誤差特性進行了研究，要么沒有考慮油水兩相流的滑脫特性。了解油水相間的滑脫特性對于油水兩相流流量及含水率的準確測量至關重要，本文在以往研究工作^[3]的基礎上對水平放置的HK-CMF質量流量計內油水兩相流相間滑脫特性進行了研究。

      2 實驗系統

      實驗是在西安交通大學熱能工程系油氣水三相流實驗臺上進行的，實驗回路如圖1所示，主要由供水回路、供油回路兩部分組成。

      實驗流程如下：20#機油從油箱2由油泵3抽出，經橢圓齒輪流量計及HK-CMF質量流量計質量流量計13計量后，流入油水混合器14；水從水箱6中由潛水泵7抽出并經渦街流量計11計量后，流入油水混合器。在混合器內油水兩相混合后流經長約10m的發展段，然后進入測量段中的HK-CMF質量流量計質量流量計15及流型觀察段，最后油水兩相流體經分離器5分離后，水、油分別返回水箱和油箱。

      在實驗中，從分離器5分離出來的返回到油箱中油含有少量的水份，這部分水份已與油形成相對穩定的W/O乳化物，可以將它們看作為均質流體，其流量利用橢圓齒輪流量計12及HK-CMF質量流量計質量流量計13測量，密度由HK-CMF質量流量計質量流量計13計量。實驗前用SYD -260石油水分測定儀對油路中乳化油的含水率進行測定，并與通過質量流量計所測得的密度而換算出來的含水率進行對比，證明兩者能很好地吻合。為了消除氣泡給測量帶來的影響，回路中使用潛水泵給水，水路中使用的渦街流量計在使用前也用稱重法進行了標定。

      實驗中水路流量、油路的流量及密度、測量段中油水混合物的流量及密度采EVOC812PG數據采集板同時進行采集并輸入計算機存儲，采樣頻率為1kHz。實驗用HK-CMF質量流量計質量流量計的計量精度：流量0.1%，密度±0.5kg/m³。實驗工質：20#機油和自來水；實驗參數范：含水率=0.1~0.9，流量=1.2~4.2m³/h。常溫下，利用密度計測得20#機油的密度為868.5kg/m³，水的密度為1000kg/m³。

      3 實驗結果分析

      由于從油水分離器分離出來流入到油箱中并由油泵送入實驗回路的工質并非純油，而是相對穩定的油包水乳化物，其性質穩定，即使在靜止狀態下很長時間也不能分離。所以在數據處理過程中，把這種油包水乳化物看成一相處理，而把由潛水泵送入到實驗回路的單質水看成另一相。

      3.1 持水率隨入口含水率的變化關系分析

      實驗過程中，利用HK-CMF質量流量計質量流量計15測得油水混合物的密度，并通過如下計算式求得HK-CMF質量流量計中油水兩相流的持水率：

      A_w=（ρ_m- ρ_o）/（ρ_w- ρ_o）                   （1）

      含水率通過如下計算式求得：

      X_w=Q_w/（Q_w+Q_o）                                （2）

      持水率隨入口含水率的變化關系曲線如圖2所示。

      利用Trallero^[4]對水平管線中的油水兩相流流型的分類：分離流型（ST、ST&MT、D  O/W&W）和分散流型（O/W 、W/O 、DW/O&O/W），結合實驗過程中的流型觀察，對圖-2曲線分析解釋如下：從圖中可以看出，入口含水率很低及入口含水率很高時，持水率與含水率幾乎相等，這說明HK-CMF質量流量計中的油水之間滑脫很小、此時觀察到的流型對應為W/O 、O/W 分散流型。而入口含水率0.2~0.8之間時，持水率與入口含水率差別相對較大。說明HK-CMF質量流量計中油水相間滑脫較大，觀察到的流型基本為分離流型。特別的，持水率在入口含水率0.1~0.9的范圍內，在較低的混臺流量下，由于即使在入口含水率很小（約為0.1）時，流型也為分離流型，所以表現為持水率也明顯高于相應的入口含水率。而在同一入口含水率下，混合流量較大時，由于流量計內油水兩相之間的擾動增大，促使了兩相之間的混合，所以在圖中表現為持水率與入口含水率之間的差值變小。

      3.2 滑脫速度隨持水率的變化關系分析

      實驗中，水相、油相的體積流量分別通過安裝在各支路上的渦街流量計11（或孔板流量計）、橢圓齒輪流量計12（或Corio1is質量流量計13）測量，持水率由實驗段中的HK-CMF質量流量計質量流量計15通過測量混合物密度并由式（1）求得，那么油相、水相及油水相間的滑脫速度及滑動比的計算式如下：

      V_o=Q_o/A ?a_o=Q_o/A ? （1- a_w）        （3）

      V_w=Q_w/A ?a_w                                    （4）

      V_s=V_o- V_w                                         （5）

      S=V_o/V_w                                           （6）

      圖3、圖4揭示HK-CMF質量流量計內油水相間的滑脫速度、滑動比隨持水率的變化關系。我們已經知道，對垂直或傾斜上升管線中，水相總是重于油相，因而油相流動的速度比水相快，所以滑脫速度為正；相反，對垂直或傾斜下降管線，由于重力的緣故，水相流動的速度快于油相，所以滑脫速度為負。而從圖-3，圖-4我們可以看出，在實驗范圍內的水平放置的HK-CMF質量流量計中，油水相間既有正的滑脫，也存在負的滑脫。這是水平放置的流量計中，油水滑脫特性與垂直傾斜管線不同之處。

      從圖中可以得出，正滑脫的時候，混合流量較小時的滑脫速度及滑動比較之于混合流量大時的滑脫速度及滑動比要大，對這一現象解釋如下，從流型觀察段我們可以觀察到混合流量小的時候主要是分離流型，而混合流量較大時流型主要是分散流型的緣故。

      我們從圖中還可以看到，隨著混合流量的增大，油水兩相流中，正負滑脫的轉變點向持水率變小的方向移動，而且負滑脫時，同一持水率的條件下，混合流量大的滑脫速度的絕對值大于混合流量小時的滑脫速度。

      4 結論

      （1）結合實驗結果分析與流型的觀察，HK-CMF質量流量計內油水兩相流的滑脫特性與流型有很大的關系，分離流型下，油水之間的滑脫較大，相反，在分散流型下，滑脫速度很小。
      （2）水平放置的HK-CMF質量流量計中，油水相間既有正的滑脫，也存在負的滑脫。
      （3）隨著混合流量的增大，HK-CMF質量流量計內的油水兩相流，其正負滑脫的轉變點向持水率變小的方向移動，而且負滑脫時，同一持水率的條件下，混合流量大的滑脫速度的絕對值大于混合流量小時的滑脫速度。

      符號說明：

      a_w— 持水率
      a_o— 持油率（a_o=1- a_w）
      X_w— 體積含水率
      X_o—體積含油率（X_o=1- X_w）
      Q_w— 水路中所測的體積流量，m³/h
      Q_o— 油路中所測的體積流量，m³/h
      Q_m— 油水混合物的體積流量，m³/h
      ρ_w—水相的密度， kg/m³
      ρ_o— 油路中油包水乳化物的密度， kg/m³
      ρ_m— 混合物的真實密度，kg/m³
      V_w— 水相的速度，m/s
      V_o— 油路中油包水乳化物的速度，m/s
      V_s— HK-CMF質量流量計內油水相間的滑脫速度，m/s
      A— HK-CMF質量流量計管道橫截面，m²
      S—滑動比