使用双频超声多普勒传感器系统测量气液两相流中的气体流量

《Chemical Engineering Science》：Gas flow rate measurement of gas–liquid slug flows using dual-frequency ultrasonic Doppler sensor system

双频超声多普勒传感器系统用于水平气液 slug 流中气体流量测量，通过3MHz和1.5MHz换能器分别获取气相速度与浓度信息，结合光纤探针阵列验证，实现非侵入式高精度监测。

　　

黄玉坤|翟鲁生|刘俊熙|孟新宇

天津大学电气与信息工程学院，中国天津300072

摘要

水平气液段塞流在石油、化工、核能等重要的工业生产过程中普遍存在，其特点是液膜区域和段塞区域之间存在伪周期性的交替运动。测量段塞流中的气体流量对于理解相间的传热和传质特性以及揭示流动模式转变的机制具有重要意义。本研究开发了一种双频超声多普勒传感器（DFUDS）系统，该系统由两个中心频率分别为3 MHz（UT-3M）和1.5 MHz（UT-1.5M）的双晶超声换能器组成。通过利用两种不同频率的回波信号，该系统能够选择性地检测段塞流不同区域中的气相速度和浓度信息。通过将速度和浓度信息集成在超声测量元件中，可以定量确定水平段塞流中的气体流量。值得注意的是，基于气体和液体相之间的折射率差异，构建了一个光纤探针阵列（OFPA）系统，为验证DFUDS的性能提供了可靠的基准。实验结果表明，DFUDS系统能够提供可靠的气体流量测量结果，为复杂气液两相流中的气体流量监测提供了一种有效的非侵入式方法。

引言

水平气液段塞流在石油、化工、核能等重要的工业生产过程中广泛存在（Arabi等人，2025年；Bouderbal等人，2024年；Gon?alves和Maza，2024年；Zhai等人，2025a年；Zhai等人，2025b年）。测量段塞流中的气体流量对于理解相间的传热和传质特性以及揭示流动模式转变的机制具有重要意义，从而优化工业生产过程。然而，准确确定气体流量在很大程度上依赖于速度和浓度的时空分布。由于湍流和界面剪切等复杂流动动力学的影响，段塞流表现出显著的结构复杂性，给气体流量的准确测量带来了巨大挑战。

光学和超声传感技术是多相流中速度测量的两种主要方法。其中，光学传感技术如粒子图像测速（PIV）、激光多普勒测速（LDV）和光纤探针已在实验研究中得到广泛应用（Delnoij等人，1999年；Fries等人，2008年；Zhai等人，2025b年）。然而，这些技术对光学透明介质和无障碍视觉访问的要求极大地限制了它们在工业环境中的应用。相比之下，超声传感技术具有非侵入性、耐腐蚀性和对恶劣环境的强适应性，特别适合工业应用。

基于多普勒频移原理的超声速度剖面（UVP）方法能够获取沿超声波束路径的瞬时速度（Kikura等人，2004年；Murakawa等人，2014年；Takeda，1986年）。例如，Wang等人（2003年）应用UVP测量了垂直管道中低气体含量的气泡上升速度，并指出气泡界面处的超声反射复杂性使得信号处理较为困难。为了减轻由于气泡分布不均匀引起的系统误差，Wada等人（2004年）在金属管道周围布置了三个超声换能器，并利用空化气泡作为超声波反射器来测量发电厂进水或循环水的流量。在更复杂的气液固三相流中，Murakawa等人（2008年）提出了多波超声换能器（中心元件直径为3毫米，中心频率为8 MHz，外层元件中心频率为2 MHz），以同时获取同一超声波束路径上的液体和气体速度分布。在油气水三相流中，Shi等人（2022年）使用连续波超声多普勒传感器提取多普勒频移，从而能够测量油滴和气液界面的耦合速度，为准确量化各相的流量提供了关键数据。此外，Murai等人（2010年）开发了一种局部多普勒技术，该技术不仅基于示踪粒子的反射来推导液相速度，还能通过检测缺乏多普勒频移的驻波区域来准确识别气液界面，突显了UVP方法在提取复杂界面特性方面的潜力。

超声传感技术在测量多相流中的相含率方面也显示出显著优势，通常分为透射式超声传感器（TUS）和反射式超声传感器（RUS）。TUS通过分析传输信号在多相介质中传播时的衰减特性和声速变化来估计分散相的浓度信息（Chakraborty等人，2009年；Figueiredo等人，2016年；Ux等人，1985年；Zhai等人，2024a年；Zheng和Zhang，2004年）。反射式超声传感器（RUS）通过分析在相界面反射的超声回波来表征相分布和结构特征。早期的RUS技术主要用于通过检测大尺度液膜厚度来测量环形流中的相含率（Al-Aufi等人，2019年；Wada等人，2006年；Wang等人，2024年）。此外，RUS在分散相含率的定量测量方面也显示出巨大潜力。特别是Hunter等人（2012年）使用1、2、4和5 MHz的换能器测量了大规模混合容器中的粒子分散浓度，揭示了反射信号对粒子浓度和空间分布的频率依赖性。Rice等人（2014年）将应用范围扩展到了直径42.6毫米、长度3.2米的水平管道，用于传输湍流液固两相流。通过测量不同粒子浓度下的反射信号，基于双频反演方法量化了各种流动模式下分散固相的含率。

水平气液段塞流的特点是液膜区域和含有大量微小气泡的段塞区域之间存在伪周期性的交替运动。液膜区域表现为占据管道上部的细长气泡和沿下壁流动的液膜，而段塞区域则由含有空间非均匀分布分散气泡的连续液相组成（Arabi等人，2020年；Zhou等人，2025年）。尽管超声传感技术取得了显著进展，但传统的超声传感技术在同时捕获这种流动条件下气相的速度和浓度信息方面仍存在固有的局限性。测量水平气液段塞流中的气体流量仍然是一个重大挑战。

为了克服这些限制，本研究开发了一种双频超声多普勒传感器（DFUDS）系统，该系统由两个中心频率分别为3 MHz（UT-3M）和1.5 MHz（UT-1.5M）的双晶超声换能器组成。通过利用两种不同频率的回波信号，该系统能够选择性地检测段塞流不同区域中的气相速度和浓度信息。通过将速度和浓度信息集成在超声测量元件中，可以定量确定水平段塞流中的气体流量。

实验装置

水平气液两相流实验是在天津大学的多相流实验室进行的。实验装置的示意图如图1所示。所有实验均在室温下进行，使用空气和自来水作为工作流体。气相由空气压缩机提供，而液相则由双通道工业蠕动泵驱动。两种相在Y形入口处混合后进入

液膜区域中流动参数的检测

尽管细长气泡的气液界面是连续的，但不规则的局部波动会导致超声波的非均匀散射，从而引起换能器捕获的回波信号衰减。这种现象的机制如图8所示。当界面的法线与超声换能器的测量线偏离一定角度时，反射波会被重新导向，导致部分

超声测量体积的计算

图15显示了使用COMSOL Multiphysics计算的超声场的二维分布。颜色图表示声压（单位：Pa），计算域假设为理想化的水介质。模拟基于压力声学模块进行，换能器边界施加了5 Pa的激励。为了近似实际实验中的传播条件，上下壁被建模为声学

段塞流中气体流量的测量

图21展示了测量水平气液段塞流中气体流量的流程图。

(1) 首先，根据UT-1.5M和UT-3M的测量结果获得液膜区域和段塞区域中的气相流动参数（见3节“液膜区域中流动参数的检测”和4节“段塞区域中流动参数的检测”）：(i) 在液膜区域，使用前向搜索算法重建细长气泡的界面，得到瞬时界面

结论

本研究开发了一种DFUDS系统，该系统由两个中心频率分别为3 MHz（UT-3M）和1.5 MHz（UT-1.5M）的双晶超声换能器组成，用于测量段塞流中的气体流量。基于两种不同频率的回波信号，该系统能够选择性地检测段塞流不同区域中的气相速度和浓度信息。

UT-1.5M换能器的半发散角较大，能量分布更集中

作者贡献声明

黄玉坤：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，方法论，数据分析，概念化。翟鲁生：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，方法论，研究，资金获取，数据分析，概念化。刘俊熙：撰写 – 审稿与编辑，软件，方法论，数据分析，概念化。孟新宇：撰写 – 审稿与编辑，验证，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42274148，41974139）的支持。