1 前言
油水两相流广泛存在于石油、化学等工业中，两种互不相溶的流体在管线中流动时，其流动机理相当复杂。一般说来，每相的真实速度并不相同，通常也不对应于入口时的速度。这种各相之间速度的差异，就会导致一相的积聚，使得持水率与含水率之间并不相同。利用Coriolis质量流量计对油水混合物的流量、含水率进行测量及分析，国内外部分研究者[1-3]等为此进行过这方面的研究，但还不成熟和完善，特别是是针对含水率与持水率之间的变化关系只是进行了定性的分析，所以有待进一步研究。
本文通过实验与分析相结合的方法，力求在不同流量下，对含水率与持水率之间做定量的分析。
2 实验系统
实验回路如图1所示，主要由供水回路、供油回路两部分组成（供气回路已关闭）。实验流程如下：20#机油从油箱2由油泵3抽出，经椭圆齿轮流量计及Coriolis质量流量计13计量后，流入油水混合器14；水从水箱6中由潜水泵7抽出并经涡街流量计11计量后，流入油水混合器。在混合器内油水两相混合后流经长约10m的发展段，然后进入测量段中的Coriolis质量流量计15及流型观察段，最后油水两相流体经分离器5分离后，水、油分别返回水箱和油箱。
在实验中，油路中是相对稳定的W/O乳化物，用SYD-260石油水分测定仪对其含水率进行测定，并与通过质量流量计所测得的密度而换算出来的含水率进行对比，证明两者能很好地吻合。为了消除气泡给测量带来的影响，回路中使用潜水泵给水，水路中使用的涡街流量计在使用前也用称重法进行了标定。
实验中水路、油路的流量及密度、测量段中油水混合物的流量及密度采用EVOC812PG数据采集板进行采集并输入计算机存储，采样频率为1kHz。实验工质：20#机油和自来水；实验参数范围：入口含水率X＝0.1～0.9，流量Qm＝1.2～4.2m3/h。常温下，利用密度计测得20#机油的密度为868.5 kg/m3，水的密度为1000kg/m3。
3 实验数据分析
由油泵送入实验回路的工质并非纯油，而是相对稳定的油包水乳化物，其性质稳定，即使在静止状态下很长时间也不能分离。所以在数据处理过程中，把这种油包水乳化物看成一相处理，把由潜水泵送入到实验回路的单质水看成另一相。
3.1 油水两相流质量流量的测量分析
流体在振动管中流动时，使振动管产生振荡运动，结合在管中流动的流体的动量，就会产生Coriolis应力，Coriolis应力导致每根振动管发生扭曲，这种扭曲正比于流体的质量流量。由于在扭曲运动中，振动管的其中一个管脚滞后于另一个管脚，利用精密电路及高频晶体控制时钟，变送器测出左右传感信号之间的时间间隔，从而确定质量流量。图2为质量流量随入口含水率的变化关系，从图我们可以看出，在入口含水率Xω＝0.1～0.9、流量Qm＝1.2～4.2m3/h的实验范围内，利用Coriolis质量流量计测量油水两相流的质量流量的误差都很小，一般都在±0.5%，最大测量误差为1%。这说明利用Coriolis质量流量计测量油水两相流的质量流量可以满足工程需要，精度较高。
3.2 含水率的测量分析
通过如下计算式求得实验段中油水两相流的持水率：
（1）
入口含水率通过如下计算式求得：
（2）
式（1）、（2）中，aω为持水率，Xω为含水率，ρm 为混合物真实密度，ρo为油的密度，ρω为水的密度，Qω为水相的体积流量，Qo为油相的体积流量。
从图3可以看出，在含水率为0.1～0.9、流量为1.2～4.2m3/h的范围内，含水率并不等于持水率。同一流量下，随着持水率的增加，持水率与含水率之间的差值先增大然后减小，可以得出结论：在水包油（持水率较小时）或油包水（持水率较大时）状态时，油水之间的滑脱较小，持水率与含水率近似相等。并且随着流量的增大，同一持水率下，含水率与持水率之间的差值逐渐减小。
为了得出不同流量下含水率随持水率的变化关系，这里引入一个无量纲的速度比λ[4]。定义为油水两相流的滑脱速度与混合速度之比
即 （3）
式（3）中，Vω、Vo及Vsω、Vso分别为水相、油相的速度及折算速度，易导出下列关系式：
（4）
从该式可以看出，当含水率为0或1时，持水率也分别为0或1，满足理论关系。利用该式对不同混合流速下的油水两相流中含水率与持水率实验数据进行拟合，具体见表1。
（5）
（6）
表1 不同混合流量下的λ值及计算误差比较
混合流量（m3/h）
λ
误差e（%）
误差e’（%）
1.2
0.2263
3.0
10.7
1.5
0.13617
2.7
10.0
1.8
0.12844
1.5
8.4
2.1
0.11363
2.4
7.2
2.4
1.10924
2.6
6.9
3.0
0.07647
0.9
4.5
3.6
0.05957
1.4
3.6
4.2
0.0511
1.6
3.1
Xi，Xci分别为实际的含水率及利用拟合公式计算的含水率。αi为质量流量计测出的持水率。从表1我们可以看出，随着流量的增大，λ逐渐减小，这从式（3）不难分析，流量增大式中分母变大，使得λ减小。而且通过式（4）拟合后求得的含水率比简单地用持水率等于含水率，其误差要小很多。对于其他流量下，含水率的计算可以通过插值的方法求出相应流量下的λ值，然后代入式（4）求得含水率。
4 结论
（1）在实验范围内，Coriolis质量流量计能精确测量油水两相流体的质量流量，测量误差在±0.5%以内。
（2）同一流量下，油水两相流在水包油（持水率较小时）或油包水（持水率较大时）状态时，油水之间的滑脱较小，持水率与含水率近似相等。并且随着流量的增大，同一持水率下，含水率与持水率之间的差值逐渐减小。
（3）通过引入一个无量纲的速度比λ，可以得出不同流量下含水率与持水率之间的函数关系式，在持水率在10%～90%的范围内，该式的计算误差小于3%。
参考文献
[1] A F Skea，A W R Hall. Effects of Water in Oil and Oil in Water on Single-Phase Flowmeters.Flow Measurement and Instrumentation，1999，10（3）：151－57
[2] 张修刚，苏新军，王栋等.Coriolis流量计在油水两相流中的误差特性研究.中国工程热物理学报，2003，24（3）：448－450
[3] 刘磊，胡志华，周芳德.利用振动管的科氏力与谐振特性的两相流测量．见：中国工程热物理学会多相流学术会议论文集.大连，2002 663－67
[4] 钟兴福，李海青，赵云鹏等.油水两相流持水率非线性模型及其数值解.测井技术，1998，22（6）：404－406
