一种基于流体-结构-电相互作用的用于段塞流流型识别的低侵入性传感方法

《Measurement》：A low-intrusiveness sensing method for slug-flow regime identification based on fluid–structure-electric interaction

　　

•提出了一种用于管内段塞流监测的低侵入性 CB-BB-TENG 传感方法。
•开发了一种集成悬臂梁和弹跳球摩擦纳米发电机的传感结构。
•通过耦合模拟和实验阐明了流动诱导振动 - 摩擦电转换机制。
•根据电压波动的时序聚集度和持续时间差异，可以定性区分典型的段塞形态。

引言
气液两相流广泛存在于船舶管道系统、海底油气管道、核电厂以及其他海洋工程系统中，其流型强烈影响系统的安全性和运行效率 [1]。在典型的船舶和海上系统中，不同的流型会引发显著的不利影响。例如，船舶冷却回路中的局部沸腾可能引发流场波动并显著恶化传热性能 [2]；压载水系统中的空化可能导致管壁冲击和疲劳损伤 [3]；燃油管路中的气泡夹带往往导致泵运行不稳定和振动加剧 [4]。在海底管道 - 立管系统中，交替的气液流动很容易引发严重的段塞流，其特征是长液段、交替的气液段和大振幅压力振荡 [5]。这种不稳定流动不仅会导致分离器溢流和管壁腐蚀，还可能引起油井停产和油气产量降低，造成巨大的经济损失。这些两相流现象通常伴随着强烈的压降波动、周期性振动和冲击载荷，长期运行会加速管道腐蚀和失效。因此，在不同操作条件下快速准确地识别两相流流型，对于确保复杂流动系统的安全高效运行至关重要。
已经探索了一系列流型识别方法，包括流动诱导振动监测、差压分析、基于图像的方法、超声检测和电学测量 [6]。其中，流动诱导振动引起了关注，因为不同的流型往往产生不同的动量传递特性和结构响应。陈等人 [7] 同步收集了管道振动信号和视觉图像，其结果证实振动测量可用于确定流型边界。基于海底管道自由跨距模型的实验中，李等人 [8] 进一步报告了段塞流引起的显著周期性结构响应，这支持了振动识别法在复杂操作条件下的可行性。差压分析也被应用于区分流型。孙等人 [9] 结合文丘里管差压测量和希尔伯特 - 黄变换，成功识别了直径为 40–50 毫米管道中的单相流、气泡流、柱塞流和段塞流。然而，这种方法高度依赖于信号质量，通常需要相对复杂的分析过程。基于图像的方法可以直接反映气液界面的特征，因此特别适合实验室研究，但其在工业系统中的长期使用受到管道透明度和光学访问要求的限制 [7]。超声技术提供了一种具有良好穿透能力的非侵入式选择。刘等人 [10] 使用柔性超声阵列区分小直径圆形管道中的典型流型。该方法对不透明管道表现出良好的适应性，尽管其在粗管道和恶劣环境中的性能仍需进一步验证。相比之下，电学测量利用探针或传感器从气液混合物的电导率或介电特性推断流型。罗等人 [11] 在模型海上管道 - 立管系统中使用电导率探针和压力传感器，揭示了严重段塞流的子流型以及管道倾角对流型转变的影响。此外，欧阳等人 [12] 利用多通道电导率信号实现了典型流型的有效分类。微波传感也已应用于基于混合物介电响应的气液流动表征。马等人 [13] 开发了一种正交电极微波传感器，用于识别分层、波状、段塞和环状气水流型并测量水含率。
这些非光学方法利用与结构振动、差压、声波传播、电导率或介电特性相关的信号来表征流型。其适用性可能随传感器配置、流体特性、管道直径和运行环境而变化。因此，一种对流动 - 结构相互作用具有强局部响应性的管内传感方法，可能为监测流型演化提供额外的、物理上可解释的信息，特别是在不透明管道中。
在此背景下，摩擦纳米发电机（TENGs）最近作为一种有前景的局部流动传感方法出现。通过接触起电和静电感应的耦合，TENGs 可以将微弱的机械扰动直接转换为可测量的电输出，而无需外部电激励源。它们的高灵敏度、简单结构以及低成本制造的潜力，使其在电源供应和维护接入受限的分布式或远程监测场景中特别具有吸引力 [14], [15]。王及其同事 [16], [17], [18], [19], [20] 已将 TENG 技术应用于各种机械结构的振动监测，实现了低振幅振动的高精度传感，并证明了对复杂环境中细微扰动的有效捕捉。重要的是，TENGs 在传感元件处实现了无电池传感，无需外部偏置或激励功率 [15]，在沙漠和深海等远程和恶劣环境中提供了常规传感器难以实现的优势 [21]。这使得 TENGs 特别适合于监测受限和恶劣管道环境中的气液两相流。近年来，基于 TENG 的流动监测研究报道越来越多。郭等人 [22] 设计了一种具有多孔疏水结构的水下 TENG，徐等人 [23] 提出了一种旗帜型水下 TENG；两种设备均在低速流动和小扰动下报告了稳定的输出。李等人 [24] 开发了一种基于卡门涡街的 TENG，在低来流速度下表现出高灵敏度。TENGs 在两相流和气泡监测方面的应用也逐渐出现。李等人 [25] 构建了一种基于气泡的 TENG 设备，用于监测液体中的气泡运动并实现液位变化的实时传感。罗等人 [26] 设计了一种液 - 固摩擦电气泡探针，用于测量纸浆中的气泡含量。张等人 [27] 开发了一种固 - 液摩擦电传感器，用于监测和定位管道堵塞和泄漏。李等人 [28] 开发了一种固 - 液管状 TENG，用于监测水管线状况，并报告称突然流动中断或大气泡扰动相对于稳定水流使信号幅度增加了八到九倍。董等人 [29] 提出了一种环形单电极 TENG，可以在气液两相流中同时收集能量和测量流动参数。马等人 [21] 进一步构建了一个多相流监测系统，将 TENG 输出与介电常数相关联，从而实现流型区分。
目前的研究支持使用 TENGs 监测气液两相流中的低频、强耦合扰动，具有传感元件处高灵敏度和自供电信号生成的关键优势。然而，实际的管内部署仍然有限。大多数演示局限于小直径可视化装置（内径：10–25 毫米），其中测试的流动结构和界面动力学相对简单，可能无法捕捉较大管道中发生的更复杂、间歇性的界面演化。此外，某些设备中使用的空间需求大的配置可能会阻碍紧凑集成并影响测量稳定性和重复性。在基于管壁的 TENG 配置中，管壁本身可能作为固体摩擦电层，这可能会限制它们直接转移到由不同材料制成的管道上。还需要进一步澄清间歇性流动诱导载荷和结构振动如何反映在测量的电学特征中。
为解决这些挑战，我们提出了一种基于悬臂梁弹跳球摩擦纳米发电机（CB-BB-TENG）和流 - 固 - 电相互作用的低侵入性传感方法。CB-BB-TENG 将摩擦电组件集成在一个紧凑、全封闭的传感单元内。该设备在内径为 40 毫米的垂直空气 - 水管道中进行了评估，将实验规模扩展到上述 10–25 毫米装置之外。在此配置下，阻塞比为 8.9%。该设备将段塞冲击引起的压力脉动转换为悬臂梁振动和受限球 - 电极接触 - 分离事件，从而产生可测量的电学特征。VOF-FSI（流体体积法 - 流固耦合）分析和同步高速成像被用于检查段塞前沿引起的压力波动、悬臂梁振动以及测量到的电压响应的时频特征之间的定性对应关系，为解释观察到的信号特征提供了物理基础。

章节片段
结构设计
为了通过流动诱导振动驱动的摩擦电转换机制在垂直立管中实现段塞流形态识别，CB-BB-TENG 被设计为一个全封闭绝缘装置，由弹跳球摩擦电单元 [30], [31], [32] 和后部悬臂梁组成。悬臂尾端固定在底座上以确保操作稳定性，如图 1a 所示。摩擦电单元内部集成了约束网格，以约束弹跳球的运动路径

实验方法
为了验证段塞流形态与 CB-BB-TENG 输出响应之间的对应关系，构建了一个空气 - 水气液两相流回路（图 3a 和 b）。该系统由供液单元、供气单元、透明测试段、CB-BB-TENG 传感设备、电信号采集链和流型可视化子系统组成。液相使用变速离心泵从水箱循环，并引入下部入口

结论
本研究提出并验证了一种基于悬臂梁弹跳球摩擦纳米发电机（CB-BB-TENG）的无电池管内传感策略，用于在 40 毫米内径垂直空气 - 水流路测试条件下对气液段塞流进行原位监测。提出的传感器能够获取与段塞流相关的电学特征，而无需在传感元件处使用外部偏置或激励功率。通过结合设备优化、双向耦合 VOF-FSI

CRediT 作者贡献声明
徐向荣：写作 – 初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。李清涛：数据管理，概念化。李国斌：方法论，资金获取，概念化。邢鹏飞：写作 – 审查和编辑。隋一锦：资源。宋宇超：调查。高宏林：数据管理。张路：资源。张宏鹏：资源。刘婷：资源。

竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，可能会影响本论文报告的工作。

致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金（批准号：52471311）；中国博士后科学基金 [批准号：2024M750298]；辽宁省博士启动基金 [批准号：2024-BS-023]；中国博士后科学基金（证书编号：2025M770289）；辽宁省博士启动基金 2025-BS-0219 的财政支持。

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