流体是现代流程工业中的主要生产原料与动力之一，单相/多相流动是一种复杂的工业过程现象，对其流动规律的掌握以及过程参数的准确获取问题需要流体力学、信号检测、现代传感以及信息处理等技术的共同发展。如能准确掌握单相/多相流动过程规律进而实现控制，可显著增加提升工业过程效率、降低能耗，并促进以上学科知识的发展。

然而多相流动过程的研究与学习多以实验观测为主，每获得一种条件下的流动信息即需要组织复杂的工况测试实验，对人工、时间以及耗材的消耗极大，且流程工业中，如核工业、石油开采、锅炉冷却等过程常处于高温、高压、深海、深井等难以进行工况复现的条件下，如继续采用实验研究方法对其进行学习、研究与设计，将付出高昂的代价。如能采用虚拟仿真的方法，可以快捷、简便的获得对关键工况条件下的流动特性等知识，有助于相关流程工业的设计、流体力学以及现代检测技术与过程控制技术的快速发展，且具有耗费资源小，所获参数多等优势。

通过仿真实验分析，可掌握特定工况下的流态成因与参数关系，有助于对检测技术、过程控制、流体动力学等课程的学习以及对实际生产过程对象特性的直观掌握，如下图所示。

 

 

以油水两相流流态观测与控制虚拟仿真实验为例，详细介绍本实验的具体流程：

【实验名称】

油水两相流流态观测与控制虚拟仿真实验

【实验目的】

1、掌握流体操作中的上下游手阀、开关阀与电磁阀的位置与功能区别。

2、掌握单相流量计（油相与水相）在不同的流量范围内的测试精度定义与选择标准。

3、掌握不同工作原理的流量计在计量精度与管线布置要求上的不同。

【虚拟实验设备】

多相流虚拟仿真实验教学环境。

【实验步骤】

一、实验准备：

1、打开操作界面，选择“气水混合”，如下图所示。

左图：实验选择界面图            右图：实验点选择界面

2、在实验开始时，选择要做的实验点，本例中选择采用的实验点为：气相为50立方米/小时，水相为2立方米/小时，然后点击开始实验，如上图所示。

3、进入实验现场界面后，打开吸附器及冷干机电源，用于将气源中的气体干燥，以免潮湿的气体损害气相仪表，然后点击“观察全景”，以退出至全景界面，方便下一步操作，如下图所示。

吸附器及冷干机电源界面

4、启动空气压缩机，使其开始为气源补充气体，以免气相压力在实验过程中降至过低，

出现气源的气体量不够的情况，之后点击启动后再点击“观察全景”，以退出至全景界面，方便下一步操作，如下图所示。

空气压缩机启动界面

5、点击气相自力式稳压阀调节气体运行压力，保证该控制阀为绿色状态，从而保证气相介质运行的入口压力稳定，使气相运行时流量稳定可调节，如下图所示。

气相自力式稳压阀调节界面

6、打开水泵、液位显示的电源，水泵的供电电源的启动，可以在之后随时启动水泵的控制电源以启动水泵，液位显示电源的启动，可直接在操控界面实时监测油罐、水罐、油水分离罐的液位高度，以免出现液体介质溢出或液体介质消耗殆尽，泵空转的情况，如下图所示。

水泵和液位显示电源打开界面

7、调整入口管路开关，打开所用实验环路的水相手阀（手动）和回路手阀（手动），其他手阀暂时关闭，以保证水相介质可以安全进入实验管道，为之后在实验管道内添加气相介质形成“气水两相流”做好准备，如图2- 9所示。

入口管路开关调整界面

8、调整回路管路开关（位于分离罐上方），将流回水罐的手阀打开（手动），其他手阀关闭，以保证水相介质可以在运行管道内可以形成完整通路，以防止实验管段承受较大压力，从而保证实验安全，并且便于水相介质的重复利用，如图2- 10所示。

回路管路开关调整界面

二、实验步骤：

1、打开控制柜正面上方电源，即打开实验现场的所有设备的供电电源，如下图所示。

控制柜电源界面

2、根据实验需要，打开所用入口管路的调节阀和开关阀（220VAC）的电源（根据各相管路的流量范围，50立方米/小时的气体（标况），根据气相入口压力估算工况，选择气路二，2立方米/小时的水，选择水路二，点击右下角“显示阀门标号”，以确定打开哪个阀门电源，本例中气相打开2号调节阀电源，及11号开关阀电源，水相打开7号调节阀电源，及13号开关阀电源），必须在打开相应阀门的供电电源之后，才能在工控机的实验操作界面上利用控制信号，对阀门开度进行调节，如下图所示。

入口管路的调节阀和开关阀打开界面

3、打开水泵的控制电源，以启动水泵，将水从水罐中抽出至水塔顶部，利用溢流稳压法稳定水相入口压力，从而使水相流量稳定，如下图所示。

水泵电源打开界面

4、根据实验需要，选择水相实验计量管路，打开对应手阀，之后使用计算机控制软件打开水相入口总阀，调节水相流量，使实验管道内充满水，以便在下一步通入气体时，更好地观察流型。（本例中水相流量为2立方米/小时，使用水路二），如下图所示。

水相实验计量管路选择界面

5、根据实验需要，选择气相实验计量管路，给调节阀一个较小的开度，确定气相计量管路内充满气体后，使用计算机控制软件打开气相入口总阀（电动），之后再打开入口处的气相手阀（手动），使气体进入实验管道。由于大多数气相仪表不能进水，所以在允许气相介质进入实验管道之前，必须保证气相入口总阀（电动）上游气体压力较大，以免在打开气相入口总阀与气相手阀之后，由于水相压力较大而使水相介质倒灌流入气相计量管路，损坏气相仪表（本例中气相流量为50立方米/小时，使用气路二管线），如下图所示。

气相实验计量管路选择界面

6、调节气相与水相流量，进行实验，如图2- 16所示。（本例中，调节水路二，使水相流量约为2立方米/小时，调节气路二，使工控机显示屏右下角“标况气流量”显示约为50立方米/小时）调节完成后，工控机下方会出现“返回现场观察效果”，此时点击“返回实验室”按钮。在实验现场点击实验管段，根据弹出的流型视频，仔细观察分辨，记录流型特点，并确定其流型名称，根据该实验点在流型图中的位置确认流型辨认是否正确，视频截图如下图所示。

气相与水相流量调节界面

现场效果观察界面

三、实验结束：

1、使用计算机控制软件关闭水相入口总阀（电动），并关闭水相入口手阀（手动），然后关闭水相上游所有阀门，以切断管道内所有水相介质的流动，使实验管道内不再进入水相介质，以便于在下一步能够打开气相介质，将管道内有限的水相介质延实验回路吹回水罐，如下图所示。

计算机控制软件关闭界面

2、调节气相流量，使用大流量气体将实验管道内的水吹回水罐，从而使实验管道内不含水，保持干净防止生锈，且便于对实验管道进行拆卸与重新安装，如下图所示。

气相流量调节界面图

3、各路调节阀开度置零（电动），关闭气路总阀，关闭水泵，关闭所有入口阀门，即利用工控机操作界面，调节所有阀门的控制信号，关闭所有阀门，并关闭水泵控制信号，以关闭水泵，使被抽上水塔的水，慢慢流回水罐。

4、关闭已打开的调节阀和开关阀（220VAC）的电源，即切断所有阀门的供电电源。

5、关闭控制柜正面上方的电源开关，切断实验现场的供电电源。

6、关闭水泵电源、液位显示电源。

7、关闭空压机及其电源，保证实验安全，避免空压机超长时间运行。

8、关闭吸附器及冷干机电源。

9、关闭油气水多相流虚拟实验装置软件。

应用情况：相关专业本科生三年级《检测技术》等学科基础课程。