1引言
气液两相流现象在现代工业生产中广泛存在。电力生产中，火力发电站中的沸腾管、气液混合器、气液分离器、精馏塔、化学反应设备、各式冷凝器及蒸发器等，气泡检测也可以预测水力发电厂的气穴现象。气液两相流的流型极大地影响着气液两相流的流动特性和传热特性，同时对流动参数的准确测量以及两相流系统的运行特性也有很大影响【1】。常规的气液两相流的流型识别方法有很多种，包括目测法、高速摄影法、射线衰减法、电容层析成像法、特征参数提取法【2】。这些方法各具特点，直接法不可避免会带来人为误差，而声波测量法具有非接触式、穿透性强、耐恶劣环境、无污染、可连续遥测、便携、实时等特点，适合气液两相流的流型识别研究‘【3】，具有广泛的应用前景和重要的实用价值。
先前学者基于超声波散射、反射以及透射法测量超声波在两相流中的传播时间以及信号强度，从而实现对两相流分相含率的测量。徐苓安等【4】。利用管道两侧正对放置的一对超声波传感器测量气液两相流浓度，指出脉冲式超声波可以有效抑制驻波对测量结果的影响，并可以通过峰值检测的方法提取接收端流体有效信息。Zheng等【5】提出气泡空隙率对超声波的传播时间是有影响的，人为由于气泡存在使得超声波传播时间的波动性较大，其波动的标准差与气体含率有对应关系，并在垂直多相流装置上进行了实验验证。Muhammad等【6】依据超声穿透气液两相流的幅值的衰减测量空隙率，在实验中得到较好的线性关系。Carvalho等【7】将透射法应用于垂直管道泡状流，并分别在45度，135度，180度位置接收散射声强信号，讨论不同流型下声信号的透射与反射情况。
本文对目前国内外几种最新的气液两相流中声波测量技术进行介绍和分析，对其发展前沿进行一个梳理和总结。
1超声波散射法
1．1 测量原理
该方法利用超声波散射效应，通过非集流方式来测量流体中的含气率，其优点是基本不改变流体流动状态。
超声探头的结构如图1所示。探头的设计采用发射接收一体化，由折射式固体声导控制声束的方向。声透窗在管壁的内部，超声探头所处的内腔与外界被声透镜隔离，超声探头所处内腔充满水，作为声透液，声透镜的厚度取超声波长的1／4【8】。
1．2测量方法
将入射波按球贝塞尔函数和勒让德函数展开整理得到：
2超声波多次回波反射
2．1基本原理
该方法利用超声波在壁面内的多次反射确定两相流的声阻抗值，通过两相流二次回波时差确定两相流中的传播声速，对声阻抗值和传播速度这两个数据进行分析，可得到两相流的密度和含气率。超声波多次反射法具有测量装置结构简单，不受超声发射功率影响，实时处理数据，非侵入式测量等优点。
以水和空气组成的气液两相泡状流为例，当温度为20℃时，水与空气的声阻抗差别为99．97％，远大于20％，这时这种流体属于强非均匀介质。当入射声波波长远小于气泡直径时，气泡将成为声不透明体【10】。
式中，P为两相流体系的总密度，c是超声波在两相流体系中传播速度。根据测量到的声阻抗z和声速c，就可以确定两相流体系的密度，然后由公式(10)确定两相流中的气泡浓度。
当超声波由气液两相流管壁的一侧垂直入射到两相流时，由于气液两相流和管壁的声学特性不同，部分声波将透射，到达样品池另一侧的管壁，部分声波将在壁面反射，如图2所示。反射系数月由下式给出：
3超声波透射法
3．1基本原理
由超声波脉冲发射器在气液两相流中激发出高频弹性脉冲波，通过高精度的接收器记录该脉冲波在两相流内传播过程中表现的波动特征。根据超声波传播时间、超声波能量衰减特征、频率变化及波形畸变程度等特性，可以得到气液两相流气泡的密度参数。当流型为单相时，超声波在两相流中均匀传播，接收器接收到的时间、振幅和波形均匀；当流型为两相时，其连续性就会被中断，在两相界面形成波的阻抗界面，波到达该界面时，产生了超声波透射、反射以及界面对波的吸收衰减现象，接收到的透射能量就会明显降低【12】。
超声波在气液两相流中气体的传播本质是气体的振动，所以超声波能量的衰减主要是由于气泡的吸收。气泡对超声波吸收有两个原因：一是其形变过程中热传导的损耗；二是气泡振动时，液体对气泡面产生的黏性阻力【13】。当超声波频率与气泡的共振频率相同时，气泡处于共振状态，气泡对声波的衰减达到最强【14】。对于气液两相流，当入射声波波长远小于气泡尺寸时，可以忽略气泡对声波的折射和向前散射【15】。
3．2测量方法
声波透射测试方法主要有三种：平测法、斜测法和扇面法【16】。
(1)平测法是指将超声波发射器和接收器保持在同一标高上，这种方法可以了解两相流中气泡在某一平面上分布的疏密程度，但缺陷是气泡在这一平面的位置是不能被确定。
(2)斜测法是指在超声波发射器和接收器采用固定的高度差进行测试。一般而言，高度差越大，两相流分布在水平方向的范围越精确，但是由于测试信号比较弱，容易受到干扰，容易出现误差。因此，在测试时，为减小误差，发射器与接收器中心连线与水平面的夹角一般取30～40度。应用斜测法测量时通常需要测两次，第一次发射器在接收器水平面上，第二次使发射器在接收器标水平面下，高度差保持一致。这种方法可以大致确定气泡在水平方向上的分布范围，如图3所示
(3)扇面法即固定一个声波发射器，将接收器等间距移动，在同一平面上形成一扇面。相比平测法和斜测法来说，扇面法操作复杂，数据处理繁琐，一般只在气泡较多的时候采用该方法。 为了最大限度地提高扇面法的准确性，一般采用改进扇形法。如图4所示，其中浅黑为声波发射器，深黑为接收器，定位在圆形的垂直列中。每个声波发射器会发出两组周期的超声波，每个超声波发射器将覆盖10组接收器。一次扫描可获得16组数据，共160个独立的测量量【17】。
因此，超声波的能量密度与截面积成反比【19】。
采样电路接收能量的输出，然后通过电脑处理数据，再通过图形重建软件显示图像心【20】。
4 结论
(1)超声波气泡检测技术应用广泛，该技术可用于测量多种气液两相流，在许多工业(如石油勘探，火力发电，流量监测等)生产过程扮演着重要的角色。
(2)由于两相流量中环境噪声或系统的波动，现有的超声波流量计可能会遇到读数不稳，甚至当信噪比(SNR)下降到低于某一个界限停止工作的问题。这些都会影响超声波在气液两相流的传输时读数的准确性。
(3)以往研究的国内外学者多采用探头式超声波传感器，这种传感器价格昂贵，且测量灵活性较低。
(4)超声波多次反射法对较简单的气液泡状流体是可行的。但算法的实时性及反射声波的空间分布问题有待进一步解决。
(5)超声波透射法系统构成较为简单，信号获取的实时性也较前两种方法要好，但仍需针对被测流体的声阻抗分布特点，研究其成象理论和实时图象重建算法。
(6)一般地，声透射损失随含气量呈线性急剧上升，且频率越高，声透射损失越大。含气量不大的情况下，声透射损失与气泡个数成正比，且含气量对声透射损失的影响要比频率对它的影响大得多。
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作者简介：方立军(1971一)，男，副教授，研究方向为大气污染物控制和洁净煤技术。
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