气液两相流在流动过程中经常会遇到分配的问题,等干度分配是气液两相流的最佳分配方式,即保持取样流体和主管路中两相流的气液相比例一致,但在气液两相流的分配过程中相分离现象时有发生。迄今为止,为了解决气液两相流的相分配问题,各种各样的取样器以及分配结构被设计出来,如三通管、集箱、取样管型取样器、转鼓型取样器、旋流管内取样器、转轮型取样器以及临界取样器等。文献表明当前取样器一旦结构确定,取样比例便难以改变。不能根据需要以及上游流量的变化调节取样比例,适应性差。论文提出了两种变比例的气液两相流取样器——轴向窄缝取样器和周向圆孔取样器。主要研究内容如下:(1)用数值模拟软件FLUENT对旋流叶片的结构进行优化,模拟旋流叶片对气液两相流的整流效果,获得旋流叶片作用下的相分布,结果表明,恰当的旋流叶片螺旋数为4、5,在旋流叶片后50-70 mm处能形成均匀稳定的环状流。(2)研发了轴向窄缝取样器,其特点是沿周向布置多条窄缝,窄缝前侧安装旋流叶片,通过移动挡板将窄缝分为前侧取样分流口和后侧主流体分流口,分别连通取样流体收集腔和主流体收集腔。模拟了气液两相流通过该取样器的分配效果。模拟和实验的结果证明,气液两相流在周向的各条窄缝的分配特性一致,但沿轴向在取样分流口和主流体分流口发生严重的相分离现象,取样分流口侧的压力高于主流体分流口的压力,且相分离的程度受气液相流量和理论分流比的影响较大,不受进口两相流流型的影响。(3)为克服轴向窄缝取样器的缺陷,自主研制了周向圆孔取样器,其特点是沿管道周向均匀布置20个分流口,分流口的口径分别为2 mm和3 mm,分流口前侧安装旋流叶片,在管道外侧布置固定挡板和旋转挡板,将20个分流口分别划分到取样流体收集腔和主流体收集腔,转动旋转挡板可以改变分流口在两个腔室的数量分布。模拟气液两相流通过该分配结构的分配特性。模拟结果表明该取样器各个出口位置处的压力、速度以及相分布基本一致,分配过程为等干度分配。实验结果表明,在低气液相流速下,分配过程为非等干度分配,在高气液相流速下为等干度分配,并得到两种口径取样器的工作范围,3 mm口径取样器的工作范围要高于2 mm口径取样器的工作范围。等干度分配过程中,不受气液相流速、上游流型以及分流口位置的影响。本文提出的周向圆孔取样器通过流型调整和小孔分流保证了各个分流孔具有相同的流动特性,分配比只取决于取样孔与整个分流孔数目的比值,与入口流型、气液相流速无关。能在0-100%分流比例范围内实现均匀分配,具有广阔的应用前景。