材料介质等设定后，进行边界条件初始化，接下来就是使用解算器开始迭代计算。计算过程包括边界条件的设定，流体物理特性的设定。通过Fluent后处理功能可对结果进行分析与处理[11-12]。
根据原始设想在前处理中画出三维结构模型，模型画好后首先要对模型进行网格划分，一般来说，网格划分越密则计算精度越高，也越容易了解流场的细微变化，同样如果网格数据越多，消耗的处理和计算时间也会越长。在仿真过程中发现，当划分网格数量超过300万个时，往往会出现报错的现象。因此选择合适的网格数对仿真结果至关重要。在Gambit里预设置模型的边界条件，沿流体流动方向分别将管道两侧的圆截面选为速度入口（velocity inlet）和自由流出口（outflow），保存并输出文件。
启动Fluent软件，打开建立的模型文件，依次进行网格检查，单位更改。为了观察流动过程中竖直管段及横直管入口、出口处对流体流动状态的影响，将流场入口最小平均速度分别设置为0.01，0.1，1 m/s，根据雷诺数计算公式可得（以1 m/s为例）：
Re>2 300，管内的流动状态为湍流，Re<2 300，管内的流动状态为层流，根据计算所得雷诺数选择流动模型，流动介质选择water-liquid（H2O），其他设置保持默认设置即可，定义边界条件，初始化后开始进行迭代计算，计算收敛后，根据实验要求分别提取速度矢量图。根据3种不同入口速度提取到的矢量图可知流体流动速度越大，装置对流体流动状态的影响越大。因此只要保证流体在较大的流速下所受影响最小，就可以保证流体在所有较小流速下的流动状态所受影响达到最小。因此在模型仿真方面选取较大速度即为1 m/s。图3、图4分别为入口速度达到1 m/s时的速度矢量图。由图可见流体在流出时，由于前后两个测量小管道相对分布，两股流体相对流出，流体流动受到阻力，使其动能消耗被迫折回，形成小漩涡，根据此现象对竖直管与隔板间距离、支管间距等进行调节，保证流体在管道内的流动特性。
根据仿真实验的结果，制作完成了安装在水平直管道的气液两相流相含率检测装置，并用于动态实验测量。整个装置考虑到耐压性等要求，采用不锈钢为加工材料，但不锈钢的硬度较高，且装置中涉及多处连接及弯头部分，给机械加工工作增加了一定难度。在水平管道安装的测量装置中的副横管为了安装近红外探头，在两端用密封胶圈和玻璃薄片进行封装，同时在测量小管道的两端外侧削出外螺纹，同时配有一个内螺纹的紧固螺母，以保证其密封性和透光性。制作完成的水平管段的气液两相流相含率检测装置实物图如图5所示。
3 动态实验与结果分析
经过CFD仿真模拟，上述模型在入口速度为1 m/s以内，即体积流量在7 m3/h以内基本不破坏流道内流体的流动状态，在模型验证阶段为了最大限度地避免对流动状态的影响，因此选取液相点为0.1 m3/h，气相点在0.06 m3/h与0.36 m3/h之间的多个工况点，进行实验。在进行实验时，CH0-CH7，CH1-CH6，CH2-CH5，CH3-CH4探头分别处于同一截面，其相对位置竖直依次向上，通道CH0和CH7位于最底端，通道CH3和CH4处于最顶端。利用放置好的近红外探头求取各个工况点所采集到的采样幅值。
实验中应在空压机达到稳定状态下进行测量，同时在调整各个工况点改变液相流量和气相流量后，应稳定3～5 min后再进行测量。根据采集到的各相流量、温度、压力等值计算液相相含率βl为
背景压力与背景温度指的是气液两相混合段的压力值与温度值。在实验管道中水路、气路以及气液混合段都安装有温度、压力传感器可以实时对相应管道的温度及压力值进行测量，利用NI采集系统获得实时的测量值。
图6和图7为液体流量为0.1 m3/h，气体流量分别为0.06 m3/h和0.36 m3/h时工况点的采样信号波形图，此时观察玻璃管道可以得知管内的流动状态为分层流。
由图可知，在液相流量为0.1 m3/h不变时，由于此时管内流体流量较低，液体在重力的作用下处于位置相对较低的测量小管道内。此时位置较低通道的采样电压值在液体的吸收作用下，其电压幅值相对于其他通道会较低。由图可知，CH0和CH7的电压幅值在0～1.5 V之间，而其余通道电压幅值在2.5 V以上，此时液体大部分都聚集在CH0和CH7内。同时随着气相流量的增加，CH0和CH7中会出现峰值波动，且气相流量越大，出现的峰值也会越大。同时气体流量变大时，也会携带小量的液体流入其他的测量小管道内。并且图7中的CH0和CH7的峰值比图6中的CH0和CH7的电压幅值大，同时图7中的其他采样通道内也出现了幅值波动的现象。
由实验结果可知，气液两相混合段管道所受压力为20～30 kPa，变化不大，且利用近红外光谱技术进行检测是根据近红外光对气、液具有不同的吸收特性，因此在计算模型中不用引入压力值。
根据液相流量为0.1 m3/h时，采样波形图的分布情况，假设液相含率y与各通道的采样幅值的关系式为
INn——流动状态下检测到的采样幅值。
根据采样信号对该公式进行拟合运算后，得到各参数值分别为
因此可得，当液相流量为0.1 m3/h时，水平管液相含率与各采样通道电压幅值的关系式为
通过该拟合公式得出的相含率预测值与实际相含率计算值的分布情況，如图8所示。由图可知，其公式拟合的相含率数值与实际相含率数值十分接近，根据式（5）计算两者的相对误差，其误差分布如图9所示。由图可知液相为0.1 m3/h时，公式拟合值的相对误差在0.11%以内，拟合精度较高。
4 结束语
本文设计了一种基于近红外技术的气液两相流相含率检测装置，克服了光路在流道内反射、折射等因光路复杂导致的测量不准确等问题。本装置经过实验测量了液相流量为0.1 m3/h，气相流量在0.06 m3/h和0.36 m3/h之间的6个工况点的相含率，并得到相含率与近红外采样幅值的数学模型，相对误差保持在0.11%以内，具有较好的测量精度，为气液两相流中相含率的检测提供了一种新思路。
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（编辑：李妮）