专利名称：用于在层流区、过渡区、湍流区中操作的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测定管道内的流体流量的装置(在本文中，术语“本发明”或 “发明”涉及示例性实施例，但不必涉及所附权利要求书所涵盖的每个实施例)。举例而言， 本发明提供如下一种流体喷嘴，该流体喷嘴与管道进行流体连通，并且喷嘴的轮廓选择为 能够在组织流速廓线的同时避免流体分离。具体地说，本发明涉及一种用于测定管道内的 流体流量的测量装置。该示例性的测量装置包括喷嘴，该喷嘴的内表面的轮廓由复合旋转 立方面(compound cubic body of revolution)限定，或可选择地由两个旋转椭球体的复 合面(compound of two ellipsoidal bodies of revolution)所限定，并且该测量装置具 有时差式超声波流量计。
背景技术：
这部分意图向读者介绍本领域可能与本发明的各方面相关的各方面。下述讨论意 在提供有助于更好地理解本发明的信息。相应地，应当理解到，应考虑到上述目的来阅读以 下论述，并不应将该论述作为对背景技术的认可。石油工业通常采用例如，涡轮式流量计和超声波流量计来测量流量和其它流体特 性。这些流量计的精确度通常依赖于流量计所在处的轴向流体流速廓线的连续性和稳定 性。例如，空间不连续的廓线或随时间变化很大的廓线将导致这些流量计的校准出现不可 预测的从而是不可接受的变化。与如管道等完全封闭的导管中的流动流体相关联的轴向流速廓线取决于作用在 流体上的力的相对大�。昧νǔ？梢怨槔辔咝粤蛘吣Σ亮�。惯性力倾向于使流体质 点以恒定流速朝着恒定方向移动，而相邻流体流之间的以流体粘度为特征的摩擦力倾向于 使流体减速。在某些情况下，流体粘度可以使管道壁处的流体的流量降至零。在流体动力学 中，经常用惯性力与粘性力的比值来表征流速廓线，该比值被称为雷诺数并且是无量纲的。在许多工业应用中，惯性力占优势。在该情况下，雷诺数超过5000并且该流体流 动被表征为“湍流”。平行流体流的动量借助于小的随机涡流而进行自由交换；并且在该廓 线在空间和时间上仅以较小的程度发生改变的情况下，平均而言，廓线是变化缓慢的、稳定 的并且可以由涡轮式流量计和超声波流量计容易地且精确地进行测量。然而，近年来，一些 应用需要测量特重质石油的流量，特重质石油的雷诺数在500至5000的范围内且在测定廓 线的特性时粘性力起到重要的作用。当雷诺数小于约1000时，流体状态被表征为“层流”； 在长且直的管道中，流速廓线接近抛物线形形状，但在任何情况下，流速廓线都非常稳定且 没有涡流。在这种状态下，温度梯度可能造成测量问题，但是对于恒温产品，用超声波仪器 进行流量测量不会出现不可克服的问题。然而，因为涡轮自身与流动流体相互作用，所以在 这种状态下使用涡轮式流量计会造成更多问题。当雷诺数大于1000但小于5000时，该流体状态被表征为“过渡状态”。在该范围 内，流动可能会倾向于层流，但是流速、管道壁的形貌、或者测量仪器自身的物理构造中的 小扰动可能会触发大的漩涡，并伴随有轴向流速廓线的突然并且显著的变化。参考文献描述了过渡流类似于散布有湍动的“胀泡(puff)”和“弹状流(slug)”的层流，该过渡流的存 在及频率取决于雷诺数和管道的其它特征(几何结构、震动等)。胀泡或弹状流之前的时间 平均流速廓线基本上与层流廓线相同，而在胀泡或弹状流的中间，时间平均流速廓线基本 上与湍流廓线相同。在胀泡或弹状流的前缘或尾缘处，廓线从一种形状转变为另一种形状， 并且该转变伴随有大涡流的产生。在过渡区域，涡轮式流量计和超声波流量计均不能令人满意地进行操作，它们难 以进行校准，并且校准的变化太大以至于不能用于要求精确度的石油应用中，例如密闭输 送及产品分配等。目前，唯一适用于过渡区域的仪器为容积式流量计，但容积式流量计价格 昂贵并需要频繁的维护。本发明提供如下一种技术，其中超声波流量计可以制造为能在过 渡区域中稳定且可靠地进行操作，并且不会牺牲该超声波流量计在下方的层流状态或上方 的湍流状态中的性能。就本发明人所知，不存在如下在先申请即用于实现使用超声波流量计测量过渡 状态(区域，regime)中的流速廓线的特定目的。用压差仪测量质量流量的现有技术喷 嘴一例如所谓的ASME喷嘴一具有非流线形入口并通常以单个椭球面为特征，而不使用本 发明所描述的复合立方面或复合椭球面。图5示出典型的传统流体喷嘴的轮廓。
发明内容
本发明涉及一种利用与时差式超声波流量计结合的流体喷嘴(fluid nozzle)来 测定管道内的流体流量的方法和装置。所述流体喷嘴具有呈期望轮廓的内表面，以使流体 从管道转移到流量计中，以便流量计分析流体流量。
在附图中示出本发明的优选实施例以及实施本发明的优选方法，其中图1是本发明的装置的示意剖视图；图2是渐缩式喷嘴的复合椭球面轮廓；图3是在雷诺数100000以内的层流状态、过渡状态和湍流状态中全通径式流量计 的线性度的曲线图；图4是在雷诺数100000以内的层流状态、过渡状态和湍流状态中根据本发明的缩 孔式(6X4)流量计的线性度的曲线图；以及图5是现有技术中借助于压差进行流量测量的典型流体喷嘴的轮廓。
具体实施例方式下面参考附图，其中，在各个附图中用相似的附图标记表示相似或相同的部件。更 具体地参考图1，图1示出用于测定管道12中的流体流量的装置10。装置10包括与管道 12进行流体连通的流体喷嘴14。该喷嘴14的表面16轮廓构成为可避免因流体流动而产 生的负压力梯度。该装置10包括时差式超声波流量计18，该时差式超声波流量计18采用 至少一条与管道12中的流体相连的声路并且设置在喷嘴14的下游。换句话说，装置10设 置有用于测量管道内的流体的流动特性的缩孔式超声波流量计。流体喷嘴14通常包括具有凹形轮廓部分和凸形轮廓部分的环形内表面。该凹形部分或凸形部分或它们的任意组合可以呈例如椭球形、或立方形、或正弦形。该凹形轮廓部 分和凸形轮廓部分可以为椭球形、立方形或正弦形。为避免负压力梯度，喷嘴14的表面16可示例性地构成为复合椭球面。例如，该表 面轮廓可描述为两个旋转椭球体的复合面。这两个旋转椭球体由KX-Xtl)2Aii(Y-Ytl)2A2 = 1}形式的椭圆经旋转而成，其中，a和b为赤道半径(equatorial radii)(沿X和Y轴)， 并且X、Y、X0及\为与对应的轴线相关的数，后文将进行详细说明。在一个实施例中，喷嘴14的喉部20的直径与位于喷嘴14上游的管道12的直径 的比值为0.7或更小。具体地说，该比值可以为约0.67。喷嘴14的长度可以介于管道12 的直径的1/2倍至3倍之间。流量计18的上游孔24可以设置在距喷嘴14的下游端26介 于管道直径的1/2倍至3倍之间的距离处。装置10可以包括在流量计18的下游位置与管道12流体连通的扩散器22。该流 量计18可以测量管道12中的雷诺数为1000至5000的流体。本发明涉及管道12的流体喷嘴14。喷嘴14包括内表面16，该内表面16的轮廓 可以避免在流体流过喷嘴14时沿着内表面16在流体中产生负压力梯度。喷嘴14包括喉 部20，其中，喉部20的直径与喉部20上游的管道12的直径的比值为0. 7或更小。本发明涉及一种用于测定管道12内的流体流量的方法。该方法包括使流体流过 流体喷嘴14的步骤，该流体喷嘴14具有由复合立方面或复合椭球面限定的轮廓并与管道 12相接触。存在用时差式超声波流量计18测量管道12内的流体的步骤，该时差式超声波 流量计18设置在喷嘴14的下游并且采用至少一条与管道12中的流体相连的声路。上述使流体流过流体喷嘴14的步骤可以包括使流体流过轮廓为两个旋转椭球体 的复合面的流体喷嘴14的步骤。使流体流过流体喷嘴14的步骤可以包括使流体流过两个 旋转椭球体均具有KX-Xtl)2Aii(Y-Yci)2A2 = 1}形式的流体喷嘴14的步骤。使流体流过 流体喷嘴14的步骤包括使流体流过如下流体喷嘴14的步骤，该流体喷嘴14的喉部20的 直径与位于流体喷嘴14上游的管道12的直径的比值为0. 7或更小。使流体流过流体喷嘴 14的步骤包括使流体流过上述比值为约0. 67的流体喷嘴14的步骤。使流体流过流体喷嘴 14的步骤可以包括使雷诺数在1000至5000之间的流体流经喷嘴14的步骤。可以存在使 流体流过在流量计18的下游与管道12相接触的扩散器22的步骤。在本发明的操作中，装置10利用由具有特定特性的渐缩式喷嘴14所产生的惯性 力来控制流场，否则流场可能变混乱。该混乱在流体处于粘性力和惯性力均不占优势的过 渡区域时发生，在过渡区域中，粘性力控制低速、高粘度下的流速廓线，惯性力控制高速、低 粘度下的流速廓线。过渡区域中的流速廓线的稳定性对于使时差式超声波流量计18在过 渡区域中进行令人满意的操作而言是重要的。该稳定性保证了能精确且可重复地进行超声 波流量计18的校准(流量计校正系数)，因此使超声波流量计能够在流场特性迄今为止始 终不能得到精确测量的场合中进行精确的流量测量。装置10包括渐缩式喷嘴14和采用了一条或多条声路的时差式超声波流量计18。 该流量计18利用超声波能量脉冲顺着与逆着流体流动方向传播的时间差来计算流速。通 过测量流速来确定体积流量。在本发明的剖视1中，流量计18采用了八条弦向布置的 声路，该流量计18允许四组独立的轴向流速测量进行数值积分，而不会产生来自横向流速 分量的误差，从而与例如单声路的情况相比，有助于提高体积流量的测量精确度。然而，如
6上所述，本发明可以应用于采用少至一条声路的时差式超声波流量计。该构造采用beta比 为0. 63的渐缩式喷嘴、以及用于恢复压力损失的锥形扩散器。(beta比为喷嘴14在出口处 的直径与在入口处的直径的比值。)图2示出用于本发明的流体喷嘴14的轮廓的剖面。该轮廓为均具有KX-Xtl)2/ a2+(Y-Y0) Vb2 = 1}形式的两个椭球体的复合面，其中，a和b为赤道半径(沿X和Y轴)， X、Y、Xo及Ytl为与对应的轴线相关的数。流体从左侧流入。表面16的椭球面轮廓可以避免 沿表面16在流体中产生负压力梯度。避免负梯度是有利的，这是因为这样可以防止产生边 界层分离，继而防止产生湍流。在图2中，喷嘴14在出口处的直径与在入口处的直径的比 值(所谓的beta比或β比)为0.67。该比值使得喉部20中的平均轴向流速等于管道12 中的平均轴向流速的(l/β2)倍或约2.2倍。作用于喉部20中的流体的惯性力与轴向流 速的平方相关，因此，该惯性力是管道12内的惯性力的大约5倍。(由于内径减�。承粤� 也有所增加；但在喷嘴14的喉部20中，惯性力与粘性力的总比值大约增加了 1. 5。)喷嘴14的β比的选择受到两个对抗因素控制·用于测量上游龙头与喉部20龙头之间的压力差并测量质量流量的流体喷嘴14 的经验表明更小的β比产生更高的可重复性(见例如ASME出版物“Fluid Meters (流体 计量器)”中的例子)。β比大于0.75的喷嘴14的校准有时候缺乏可重复性。 超声波流量计18的可实施性及成本效率随着半径的减小而减小。很少提供并销 售直径小于4英寸的这种流量计18。因此，运输重油的6英寸管线的最低可用β比为大约 0. 67。无论流体为层流、过渡流还是湍流，缩孔式流量计18中的喷嘴14不仅提高了流 速，而且还将轴向流速廓线平坦化。流速廓线的平坦化意味着湍流和层流廓线更为相似，并 且因此减少了过渡区域中的流速廓线的变化。此外，可以实现轴向流速的增加而不必使涡 流流速随之增加，且因此可以降低涡流的影响。流速廓线的平坦化是利用相对突然的收缩 而获得的益处一极大的收缩量估计会增加流速/惯性力，而不会显著地使流速廓线平坦 化。图3和图4提供了由本发明的超声波流量计18所带来的对线性度和可重复性的 改进的实验性证据。图3绘出了用于常规的6英寸四路超声波流量计18 (其中管道12的 内径在整个流量计18中为常数而没有采用直径渐缩式喷嘴)的校准数据与管道内的流体 雷诺数的关系。如图所示，为使雷诺数跨越层流至整个湍流的范围一1000至100000-在 校准过程中需要两种不同粘性的流体。较低雷诺数状态被运动粘度约为220厘沲的流体覆 盖，较高雷诺数状态被运动粘度约为20厘沲的流体覆盖。从图3中可以看出，在过渡区域 (典型地位于2000至5000的雷诺数范围中一取决于例如管道12的光滑度和流动的稳定 性等装置特性，过渡流也可能在低至1500或高至7000的雷诺数处产生)以上，流量计18 校正系数数据紧密聚集并容易与雷诺数相关联。但在该过渡区域以下，该校正系数数据跨 越几乎1 %的区域，而与雷诺数或任意其它变量无明显的关联。这一特征使得6英寸通径式 流量计18不适用于雷诺数低于5000的过渡区域的密闭输送操作。图4示出本发明的优点。与图3相似，图4中绘出了 6英寸管线中流量计18校正 系数与该管线中的流体的雷诺数的对应关系，但该数据是从与图1相似的流量计18得到 的如图1所示，4英寸四路流量计18设置在喷嘴14的下游，该喷嘴14为6英寸乘4英寸
7的渐缩式喷嘴，且该喷嘴14的轮廓与图2中的轮廓一致并具有位于下游的头部恢复膨胀 锥。在雷诺数大于5000的湍流区域中，图4的缩孔式流量计18的校准数据与图3的通径 式流量计18的校准数据相似，图4的流量计18校正系数是随着雷诺数的增大而逐步增大 的。可以通过向基于雷诺数的原始流量计18校正系数应用增量校准容易地将两种流量计 18的校准线性化一流量计18校正系数在宽的雷诺数范围内保持恒定。可以通过用流量计 18测量产品的声速与温度，或借助其它手段来测定雷诺数。然而，在过渡区域一雷诺数低于5000并且高于1000-图3和图4中的流量计18 特征具有显著差异。如上所述，图3的通径式流量计18的校准数据是混乱且无关联的；该 流量计18在过渡区域内的校准对该区域中的密闭输送或其它高价值的应用来说过于不确 定。另一方面，图4的缩孔式流量计18的校准数据，在1000-5000的雷诺数范围内紧密聚 集并且几乎是恒定的。流量计18在该区域内的校准是容易表征的；流量计18校正系数为 0. 9770士0. 15%，其性能是相当恒定的从而能应用于过渡区域中的密闭输送及其它高价值 的应用。图1是缩孔式流量计18的剖视图。该构造采用了 beta比为0.63的渐缩式喷嘴 14、以及用于利用8路弦向流量计18恢复压力损失的锥形扩散器22。图2是渐缩式喷嘴 14的复合椭球面轮廓。对于该喷嘴14，采用了 0. 67的beta比。流体从左侧流入。尽管出于说明目的在上述实施例中对本发明进行了详细描述，然而应当理解的 是，这些详细描述仅是为了上述说明目的，并且除了权利要求书限定的内容之外，本领域技 术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改。
权利要求
一种用于测定管道中的流体流量的装置，所述装置包括流体喷嘴，其与所述管道流体连通并且具有如下的表面，所述表面的轮廓避免当流体流过所述流体喷嘴时沿着所述流体喷嘴表面在流体中产生负压力梯度，以及时差式超声波流量计，其设置在所述流体喷嘴的下游并且采用至少一条与所述管道中的流体相连的声路。
2.一种用于测定管道中的流体流量的装置，所述装置包括流体喷嘴，其与所述管道接触并且具有如下轮廓，所述轮廓基本上由复合立方面或复 合椭球面所限定；以及时差式超声波流量计，其设置在所述流体喷嘴的下游并且采用至少一条与所述管道中 的流体相连的声路。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述轮廓基本上由两个旋转椭球体的复合面所限定。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述两个旋转椭球体由KX-X0)2Ai^(Y-Ytl)2A2= 1}形式的椭圆经旋转而成，a和b为赤道半径(沿X和Y轴)，X、Y、Xtl及Ytl为与对应的轴 线相关的数。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述流体喷嘴的喉部的直径与位于所述喷嘴上游 的所述管道的直径的比值为0. 7或更小。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述比值为约0.67。
7.如权利要求6所述的装置，包括扩散器，所述扩散器在所述流量计的下游与所述管道流体连通。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述流量计构造为测量所述管道中的雷诺数为 1000至5000的流体。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述流体喷嘴的长度在所述管道的直径的1/2倍至 3倍之间。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述流量计具有上游孔，所述上游孔设置在距所 述流体喷嘴的下游端的距离介于所述管道的直径的1/2倍至3倍之间的位置处。
11.一种管道的流体喷嘴，包括内表面，其具有如下轮廓，所述轮廓避免当流体流过所述流体喷嘴时沿所述流体喷嘴 内表面在流体中产生负压力梯度；以及喉部，所述喉部的直径与位于所述喉部上游的所述管道的直径的比值为0. 7或更小。
12.一种用于测定管道中的流体流量的方法，所述方法包括以下步骤使流体流过与所述管道流体连通的流体喷嘴，所述流体喷嘴的轮廓由复合立方面或复 合椭球面所限定；以及利用时差式超声波流量计测量所述管道中的流体，所述时差式超声波流量计设置在所 述流体喷嘴的下游并且采用至少一条与所述管道中的流体相连的声路。
13.如权利要求12所述的方法，其中，使流体流过所述流体喷嘴的步骤包括使流体流 过轮廓为两个旋转椭球体的复合面的所述流体喷嘴的步骤。
14.如权利要求13所述的方法，其中，使流体流过所述流体喷嘴的步骤包括使流体流 过所述流体喷嘴的步骤，所述两个旋转椭球体中的每一个椭球体具有{(X-X0) Va2+ (Y-Y0) 7b2= 1}的形式，a和b为赤道半径(沿X和Y轴)43、\及Ytl为与对应的轴线相关的数。
15.如权利要求14所述的方法，其中，使流体流过所述流体喷嘴的步骤包括使流体流 过如下流体喷嘴的步骤，所述流体喷嘴的喉部的直径与位于所述喉部上游的所述管道的直 径的比值为0.7或更小。
16.如权利要求15所述的方法，其中，使流体流过所述流体喷嘴的步骤包括使流体流 过比值为0. 67的所述流体喷嘴的步骤。
17.如权利要求16所述的方法，包括使所述流体流过扩散器的步骤，所述扩散器在所 述流量计的下游与所述管道流体连通。
18.如权利要求17所述的方法，其中，使流体流过所述流体喷嘴的步骤包括使雷诺数 在1000至5000之间的所述流体流过所述流体喷嘴的步骤。
全文摘要
本发明公开一种用于测定管道中的流体流量的装置，所述装置包括与管道相接触的流体喷嘴，该流体喷嘴具有如下的轮廓，该轮廓使流体流经该流体喷嘴时不会沿喷嘴表面产生负压力梯度。所述装置包括时差式超声波流量计，该流量计设置在所述喷嘴的下游并且采用至少一条与管道中的流体相连的声路。本发明公开一种用于测定管道中的流体流量的装置。所述装置包括与管道相接触的流体喷嘴，该流体喷嘴具有由复合立方面限定的轮廓。本发明包括时差式超声波流量计，该流量计设置在喷嘴的下游并且采用至少一条与管道中的流体相连的声路。本发明还公开了一种管道的流体喷嘴。本发明还公开一种用于测定管道中的流体流量的方法。
文档编号G01F1/66GK101952691SQ200980106254
公开日2011年1月19日 申请日期2009年2月18日 优先权日2008年3月7日
发明者唐纳德·R·奥根斯坦, 格雷戈尔·J·布朗, 赫伯特·埃斯特拉达 申请人:卡梅伦国际有限公司
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