摘要(yào)：目的探究在(zai)管輸液固兩(liang)相流體時，固(gù)體顆粒對孔(kong)闆流量計 造(zao)成的沖蝕磨(mó)損。方法運用(yong)基于歐拉-拉(lā)格朗日算法(fǎ)的DPM模型，對液(yè)固兩相流體(ti)計量工藝中(zhōng) 孔闆流量計(jì) 的沖蝕問題(tí)進行數值仿(pang)真，預測孔闆(pan)流量計在液(yè)👨‍❤️‍👨固兩相流體(ti)流量計量工(gōng)藝中易發生(shēng)沖蝕磨損的(de)區域。探究入(rù)口液相🍓速度(dù)、固體顆粒粒(lì)徑以及等數(shù)量顆粒沖擊(ji)壁面時，固體(tǐ)顆粒粒徑對(dui)孔闆最大沖(chòng)蝕速率的影(yǐng)響，并對比管(guan)輸液✉️固兩相(xiang)流☎️體時，固體(ti)顆粒粒徑對(duì)不同形狀的(de)孔闆造成的(de)沖蝕磨損速(sù)🔴率大小。結果(guo)在孔闆流量(liàng)計的突縮管(guǎn)段易産生嚴(yán)重的液固😘沖(chong)蝕失效，最大(dà)沖蝕速率随(suí)着液相入口(kou)速度的增大(da)而增加🔴。當固(gù)體顆粒的質(zhì)量流量相等(děng)時，最大沖蝕(shi)速率随着顆(ke)粒粒徑的增(zeng)加而減小；當(dāng)單位時間内(nèi)流經孔闆的(de)🏒固體顆粒數(shù)量相等時，沖(chong)⛷️蝕磨損速率(lǜ)随着固體顆(kē)粒粒徑的增(zeng)加而增大。在(zai)❄️液固兩相流(liu)管道體系中(zhong)，固體顆粒對(duì)凸型孔闆造(zào)成的沖蝕磨(mó)損行爲最弱(ruò)。結論大顆粒(li)對孔闆的沖(chòng)🚶蝕磨損比較(jiào)嚴重，在孔闆(pǎn)計量過程中(zhōng)應嚴格注意(yi)。在流體中存(cun)在大量大顆(kē)粒時，采用凸(tū)型孔闆流量(liàng)計能有效改(gai)善沖蝕磨損(sun)情況。
　　沖蝕磨(mó)損是管道系(xi)統面臨的最(zuì)嚴重失效情(qing)況之♉一，嚴🏒重(zhong)的沖蝕磨損(sǔn)甚至會造成(cheng)管道洩漏失(shī)效。大量的實(shí)驗及數值模(mo)拟結果顯示(shi)在典型管件(jiàn)處（如🔱彎管、T型(xing)👣管、盲通🐕管、變(biàn)徑管及閥🔴門(mén)等）易産生沖(chòng)蝕磨💚損失效(xiao)。在集輸管道(dao)系統中，安裝(zhuang)和使用孔闆(pan)流量🌐計會造(zao)成管徑的變(bian)化。當☎️流體中(zhong)含有固體顆(ke)粒時🏃🏻‍♂️，會使這(zhè)種變徑管産(chan)生嚴重的沖(chòng)蝕磨損，從而(er)導緻😄孔闆流(liú)量計産生形(xíng)變，流❌量計出(chū)流系數發生(shēng)改變，流量測(ce)量精度受到(dao)影響。因此，流(liu)量計的安裝(zhuāng)和使用造成(chéng)的🌈液固沖蝕(shi)問題應當得(dé)到足夠重視(shi)。
　　爲了研究各(gè)種參數對沖(chong)蝕磨損速率(lü)的影響，大量(liàng)學者運用實(shí)驗及數值模(mo)拟方法探究(jiū)了管徑突變(biàn)處的液固🔴沖(chong)蝕磨損問題(ti)。運用數值模(mo)拟的方法探(tàn)究了變徑管(guan)處液固兩相(xiàng)沖蝕問題，得(de)到了入口液(ye)相速度、顆粒(li)粒徑及㊙️收縮(suō)比等參數對(duì)變徑管處沖(chòng)🈲蝕磨損速率(lǜ)的影響。運用(yong)數值模拟的(de)方法探究了(le)🛀固體顆粒對(dui)閘🥰閥的沖蝕(shi)磨損問題，得(de)到了入口主(zhu)☎️相速度和顆(ke)粒粒徑大小(xiao)對沖蝕速率(lü)的影響，并與(yu)實際工程中(zhōng)閘閥壁♊面的(de)沖蝕磨損情(qing)況🤞進行了對(dui)🈚比，得到了良(liang)好的拟合效(xiao)果。運用數值(zhi)模拟方法探(tan)究了液固兩(liang)相流對突擴(kuò)突縮管段的(de)沖蝕磨損情(qing)🌍況，預測了沖(chòng)蝕磨損發生(sheng)的位置。運用(yòng)實驗及數值(zhi)♻️仿真✌️方法探(tàn)究了固體顆(kē)🌈粒對突擴突(tu)縮管段的沖(chong)蝕磨損情況(kuang)。除此之外也(yě)探究了流體(ti)參數對變徑(jìng)管處沖蝕磨(mo)損💜行爲的影(yǐng)響。
　　對于在 差(cha)壓型流量計(jì) 計量液固兩(liǎng)相流工藝中(zhōng)，固體顆粒對(duì)流量計沖蝕(shi)磨✌️損的探究(jiu)🌈有運用DPM模型(xing)探究了固體(tǐ)顆粒對孔闆(pan)壁面産生的(de)沖蝕磨損問(wèn)題，獲得了入(rù)口液相速度(du)、固體顆☀️粒粒(li)徑等參數對(duì)最大沖蝕速(su)率的影響。運(yun)♉用DPM模型對多(duō)個孔闆流量(liang)計串聯時，固(gù)體顆粒對孔(kong)闆壁面産生(shēng)的沖蝕磨損(sǔn)情況進行數(shù)值模拟探究(jiu)，得到了入口(kǒu)液相速度、固(gù)體顆粒粒徑(jìng)等參數對最(zuì)大沖蝕速率(lǜ)的影響，并比(bǐ)🆚較了幾個孔(kǒng)闆處沖蝕磨(mo)損速率的大(dà)小。探究固體(ti)顆粒粒徑對(dui)沖蝕磨損的(de)影響，除了要(yao)考慮粒徑本(ben)身變化外，還(hái)應考慮流經(jing)的顆粒數量(liang)[9]。然而，國内外(wai)學者進行液(yè)固兩相流對(duì)孔闆流量計(jì)沖刷腐蝕數(shu)值模拟探究(jiu)時，一般隻考(kao)慮粒徑本身(shēn)變化的影響(xiǎng)而忽視了流(liu)經管道的顆(kē)🔞粒數量這一(yī)因素。
針對以(yi)上問題，筆者(zhe)運用DPM模型對(dui)孔闆流量計(jì)的沖蝕磨損(sun)問題👌進行了(le)數值模拟探(tàn)究：1）預測了固(gu)體顆💃🏻粒在🌈孔(kong)闆💜壁面上的(de)📐沖蝕位置，有(you)利于綜合現(xian)有的檢測技(jì)🍓術進行漏點(diǎn)檢測，從而避(bi)免盲目檢測(cè)導緻的資源(yuán)浪費；2）探究了(le)入口流速、固(gu)體顆粒粒徑(jing)對最大沖蝕(shí)速率的影響(xiǎng)，同時，分析了(le)等數量不同(tong)粒徑的固體(ti)顆粒對🏃‍♂️孔闆(pǎn)流量計最大(da)沖蝕速率的(de)影響，有利于(yú)探究液固兩(liǎng)相流對變徑(jing)管處的沖蝕(shí)磨損行爲，并(bìng)對油氣開采(cǎi)和運輸的安(an)全進🔱行提供(gòng)了指💜導建議(yi)；3）與♻️文獻[10]中提(ti)出的幾種孔(kong)闆流量計計(jì)量液💋固兩相(xiàng)流流量時發(fa)生的沖蝕磨(mó)損速率進行(háng)對比，得出了(le)最優💃🏻防沖蝕(shi)孔闆🏃🏻，爲管道(dao)結構優化及(jí)孔闆流量計(ji)工藝改進提(tí)供相㊙️應的理(lǐ)論依據。
1數值(zhi)模拟及邊界(jiè)條件
1.1幾何模(mó)型及邊界條(tiao)件
　　經典孔闆(pan)流量計的安(an)裝和使用易(yi)造成管徑突(tū)縮，在孔闆前(qián)🐉出現死區，且(qie)固體顆粒沖(chòng)擊管道壁面(mian)的作用較強(qiang)。本研究試⁉️圖(tu)通過改變孔(kǒng)闆的流通形(xing)式，采取特殊(shu)的流㊙️線型過(guo)渡，以減小沖(chòng)蝕磨損速率(lǜ)。現有的孔闆(pan)☂️流量計改進(jìn)模型如圖1所(suo)示。其中，a、b、c、d分别(bie)爲标準孔闆(pan)、加厚孔闆、凹(ao)流線形孔闆(pan)和凸流線型(xíng)孔🌈闆。安裝流(liú)量計的管道(dào)管徑D均爲100mm，流(liu)量計的開孔(kong)比例均爲1:2。數(shù)值計算中考(kǎo)慮湍流尺度(dù)效應，孔闆上(shang)遊及下遊管(guan)段均選取爲(wèi)10D。經計算，所有(yǒu)邊界條件下(xià)的管内流體(tǐ)均爲湍流狀(zhuàng)⭐态。爲了🍉能夠(gou)準确地計算(suàn)固💋體顆粒對(duì)典型管件的(de)沖蝕磨損，對(dui)流量計的各(ge)個壁面都進(jin)行加密處理(lǐ)，而沿流體流(liú)動方向的網(wǎng)格🏃‍♀️節點🏒數較(jiào)稀疏，這樣可(ke)以‼️節約計💰算(suan)資源，提高計(ji)算🏒效率。
　　不同(tóng)類型的孔闆(pan)流量計内的(de)多相流介質(zhì)由油相和固(gù)♻️體沙粒組成(chéng)。考慮理想狀(zhuang)态，固體沙粒(li)均爲标準球(qiú)✊體顆粒。多相(xiàng)流介質的組(zǔ)成及物性參(cān)數如表1所示(shi)。


1.2計算(suàn)模型
　　根據孔(kong)闆流量計測(ce)量管道中流(liú)體流量時管(guǎn)道的☁️運行🧑🏽‍🤝‍🧑🏻工(gōng)況、流體組成(cheng)和介質參數(shù)等的變化情(qing)況，筆🈲者選取(qu)N-S方📱程組、K-∈模型(xíng)以及沖蝕磨(mó)損模型對沖(chòng)刷腐🐉蝕行爲(wei)進行數值求(qiú)解。流體域🌈選(xuan)取Velocity入🏃🏻‍♂️口和Outflow出(chu)口，壁面邊界(jiè)條件設置爲(wèi)無滑移邊💛界(jie)。
标準K-∈方程如(rú)式（1—2）所示。

　　影響(xiǎng)壁面沖蝕速(su)率的因素有(yǒu)很多，如粒子(zi)直徑、粒子🔆與(yǔ)壁面的沖擊(jī)角、粒子相對(dui)速度、顆粒撞(zhuàng)擊壁面👌的表(biǎo)面積等。爲⚽了(le)準确預測沖(chong)蝕信息，沖蝕(shi)預測模型應(ying)當盡量地包(bāo)含更多的影(yǐng)響因素✏️。本研(yan)究所運用的(de)DPM模型考慮的(de)影響因素具(ju)體描述爲：

　　式(shi)中：pm爲顆粒質(zhì)量；C(dp)爲粒子粒(lì)徑函數，選取(qu)1.810－9；v爲相對粒子(zi)速度；b(v)爲粒♍子(zi)相對速度的(de)函數，選取2.6。α爲(wèi)粒子路徑與(yǔ)壁✉️面的沖擊(jī)角度🏃🏻；f(α)爲沖擊(jī)角的函數。沖(chong)擊角度的函(han)數f(α)采用線性(xìng)分段函數來(lái)描述，文獻[11]通(tong)過激波脈沖(chòng)式沖蝕磨損(sǔn)實驗獲得了(le)典⛱️型鋼材的(de)沖蝕角度😍函(hán)數，當沖擊角(jiao)度α分别爲0°、20°、30°、45°、90°時(shí)，壁面反彈系(xi)數分别爲0、0.8、1、0.5、0.4。Aface爲(wei)顆粒撞擊🐆壁(bi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼面的單元表(biǎo)面積。
　　由于固(gù)體顆粒和壁(bi)面碰撞的方(fāng)程非常複雜(za)，工程上定義(yi)了彈👄性恢複(fu)系數來表征(zhēng)顆粒與孔闆(pan)壁面碰撞前(qian)後固體顆粒(li)動量的變化(huà)。固體顆粒與(yu)孔闆壁面的(de)碰撞反彈情(qing)況如圖2所示(shi)。

　　彈性恢(hui)複系數爲固(gu)體顆粒與孔(kong)闆壁面碰撞(zhuang)後速✨度🧑🏽‍🤝‍🧑🏻與🧑🏽‍🤝‍🧑🏻碰(peng)撞前☂️速度的(de)比值。法向和(hé)切向反彈系(xi)數都等于1，說(shuo)明⛹🏻‍♀️固體顆粒(li)撞擊🌈壁面之(zhi)後沒有能量(liang)損失；法向反(fǎn)彈系數和切(qie)向反彈系數(shù)都等于0，說明(míng)固體顆粒撞(zhuàng)擊壁面之後(hou)損失了所有(you)能量。當顆粒(li)撞擊壁面後(hòu)，顆粒會損失(shī)部分能量，并(bing)以低于沖擊(jī)速度的速度(du)以及一定反(fan)射角進行運(yun)動，這一現象(xiàng)🚩用反彈系數(shù)來表征，反彈(dàn)系數分爲法(fǎ)向🎯反彈系數(shu)和切向反彈(dàn)系數，本計算(suan)中反彈系數(shù)的定👨‍❤️‍👨義如式(shì)（4—5）所示。

2數值分(fen)析與結果
2.1入(ru)口液相速度(dù)對最大沖蝕(shi)速率的影響(xiǎng)
　　入口液相速(sù)度對不同種(zhong)類孔闆流量(liang)計壁面最大(da)沖蝕磨❤️損速(su)率的影響如(ru)圖3所示，顆粒(li)粒徑均爲350μm。由(yóu)圖可知，在孔(kǒng)闆☁️流量計安(an)裝的突縮段(duan)易産生沖蝕(shi)🌈失效。這✨歸因(yin)于在孔闆👈流(liú)量計的收縮(suō)階段，固體顆(ke)粒撞擊孔闆(pǎn)壁面導緻運(yun)動軌迹發生(sheng)突變，固體顆(kē)粒切削壁面(mian)🙇‍♀️材料産生沖(chòng)蝕磨損現象(xiàng)。随着速度的(de)增大，固體顆(kē)粒對不同類(lei)型孔⛱️闆流量(liang)計造成的最(zuì)大沖蝕速率(lü)和沖蝕磨損(sun)面積都呈現(xian)遞增趨勢。這(zhe)🔱與文獻[12]所研(yán)究的結果相(xiàng)似。這主要歸(gui)因于兩個方(fāng)面：一是由于(yu)液體攜砂‼️過(guo)程中，液固兩(liǎng)相之間💞存在(zài)相互作用，入(ru)口液相速度(du)增大導緻固(gù)體顆粒撞擊(ji)管道壁面時(shi)✂️以及從管道(dào)壁面反彈之(zhi)後都具有更(geng)大的☀️動量；二(èr)是入口液相(xiàng)速度增大導(dǎo)緻固體顆粒(li)💔沖擊孔闆壁(bi)面的頻率增(zēng)大。
　　圖4爲不同(tong)結構的孔闆(pǎn)流量計在相(xiang)同速度條件(jiàn)下發🐪生沖蝕(shi)磨損的對比(bǐ)曲線。如圖所(suo)示，在相同邊(bian)界✊條件下，固(gu)💋體顆👈粒對凹(ao)型🔴孔闆流量(liàng)計壁面的沖(chong)蝕磨損速率(lǜ)最大，對經典(dian)孔闆流量計(ji)和延長孔闆(pan)流量計壁面(mian)🔴的沖蝕磨損(sǔn)速率次之，對(duì)凸型孔闆的(de)最大沖蝕磨(mo)損率最小。


2.2顆粒粒徑對(duì)最大沖蝕速(sù)率的影響
　　研(yan)究固體顆粒(lì)質量流量及(jí)入口液相速(su)度一定時，固(gu)體顆💘粒粒徑(jìng)對不同類型(xing)孔闆流量計(jì)最大沖蝕速(sù)率的影響，結(jié)果如🌏圖5所示(shì)。入口液相速(su)度保持爲🈲10m/s，固(gù)體顆粒粒徑(jìng)分别爲100、150、200、250、300、350、400μm。在孔(kong)闆流量計的(de)收縮段易發(fa)生嚴重的沖(chòng)刷腐蝕行爲(wei)。随着固體顆(ke)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼粒粒徑的增(zēng)加，液固兩相(xiàng)流對不同類(lèi)型孔闆流量(liàng)計管材的最(zui)大沖蝕速率(lǜ)均呈現下降(jiàng)趨☂️勢。這主要(yao)是因爲一方(fāng)面，在固體顆(ke)粒🐉質量流量(liang)相等的👨‍❤️‍👨工況(kuang)下，顆粒粒徑(jìng)增大使撞擊(jī)孔闆壁面的(de)固體顆粒粒(lì)子數目減少(shao)；另一方面，粒(li)子軌迹、沖擊(jī)速度和沖擊(jī)角度均受🔴到(dao)顆粒粒徑變(bian)化☂️的影響[13]。這(zhe)可以說明固(gu)體顆粒質量(liàng)流量相等時(shi)，流體中固體(tǐ)顆粒粒徑增(zeng)加會使給⛹🏻‍♀️定(ding)位置處的沖(chòng)蝕磨損速率(lü)顯著降低。

　　圖(tu)6爲等質量流(liu)量、不同粒徑(jing)時不同結構(gou)的孔闆流量(liang)計發生沖蝕(shí)磨損情況的(de)對比曲線。圖(tú)示可知，在相(xiang)同🌈邊界條件(jian)下，固體顆粒(lì)對凹型孔闆(pan)流量計壁面(mian)的沖蝕磨損(sun)速率最大，固(gù)體顆粒對經(jīng)典孔闆流量(liang)計和延長孔(kǒng)闆流💋量計壁(bì)面的沖蝕磨(mó)損速率次之(zhī)，凸型孔闆所(suǒ)承受的最大(dà)沖蝕磨損👅量(liang)最小。

　　研究(jiū)單位時間内(nèi)流過孔闆流(liu)量計的固體(ti)顆粒數目和(hé)入口🍉液相速(sù)度一定時，固(gu)體顆粒粒徑(jìng)對不同類型(xing)孔闆🍓流量計(jì)最大沖蝕速(su)率的影響，結(jié)果如圖7、8所示(shì)。入🌈口液相速(sù)度保持爲10m/s，流(liú)👈經管道🚶‍♀️的顆(ke)粒數量爲1.27×109個(gè)/s，固體顆粒粒(li)徑♌分别爲6.25、12.5、25、50、100μm。結(jié)果顯示，當固(gù)體顆粒粒徑(jing)＜12.5μm時，幾種孔闆(pǎn)的最大⛹🏻‍♀️沖蝕(shi)速率均💔較小(xiǎo)。此時，液體攜(xie)砂對孔闆流(liú)量計的沖蝕(shí)量小，并且随(suí)着固體🌈顆粒(li)粒徑🙇‍♀️的增加(jiā)，磨損速率增(zēng)加，但是增加(jiā)趨勢較緩❗。而(er)凹形孔闆在(zài)固體顆粒粒(li)徑＞25μm時，沖‼️蝕磨(mo)損速率✂️急劇(jù)增加，固體顆(ke)粒粒徑12.5～25μm爲其(qí)沖蝕量加劇(jù)的臨界區間(jian)。其餘三種孔(kǒng)闆雖未呈現(xian)這種臨界區(qū)間的規律，但(dàn)随着粒徑的(de)增大，沖☂️蝕磨(mó)損速率也都(dou)呈增加趨勢(shì)，對節流設備(bèi)的損害💃🏻逐漸(jian)加❄️重，應采用(yòng)可靠手段進(jin)行防🏃‍♀️範。此外(wài)，在入口液相(xiàng)速☀️度、質量😄流(liú)量及顆粒粒(li)徑相等時❤️，凹(ao)型孔闆流量(liang)計的沖蝕磨(mó)損率最大，經(jing)典孔闆流量(liang)計及延長型(xing)✨孔闆流量計(jì)的次之，凸型(xíng)孔闆流量計(jì)的最小🛀。


　　以上分析(xī)說明，當單位(wei)時間内流經(jīng)孔闆流量計(jì)的固體⛱️顆🌏粒(lì)數目相同時(shí)，固體顆粒粒(lì)徑增大導緻(zhì)固體顆粒的(de)質量流量随(suí)之增大。因此(cǐ)，固體顆粒的(de)質量流量也(ye)是磨損的重(zhòng)要影響因素(su)，固📐相質量流(liú)量越大，沖蝕(shi)磨損越嚴⛹🏻‍♀️重(zhòng)。
3結論
1）孔闆流(liú)量計在計量(liàng)管道輸送液(yè)固兩相流時(shí)，固體顆粒沖(chòng)擊🐉管道壁面(miàn)，沖蝕現象易(yi)發生在孔闆(pǎn)流量計的㊙️管(guan)道突縮位置(zhi)。
2）随着入口主(zhǔ)相流體速度(du)增大，液體攜(xie)砂對孔闆流(liú)量計壁🙇‍♀️面✨造(zao)成的最大沖(chòng)蝕速率增大(da)。等質量流量(liàng)時，随着入💔口(kǒu)固體顆粒粒(lì)徑增大，液體(ti)攜砂造成的(de)最大沖蝕速(su)率減小。
3）管道(dao)輸送的液體(tǐ)攜帶等數量(liang)固體顆粒沖(chong)擊孔闆流量(liàng)計💞壁面時，固(gu)體顆粒對孔(kong)闆壁面造成(cheng)的最大✊沖蝕(shí)速率随着固(gù)體顆粒粒徑(jìng)的增加而增(zēng)大。
4）在相同邊(biān)界條件下，固(gù)體顆粒對凹(ao)型孔闆流量(liàng)計壁🙇‍♀️面的🔞沖(chòng)💁蝕破壞最嚴(yan)重，對經典孔(kong)闆流量計和(he)延長孔🚶‍♀️闆流(liu)☁️量計壁面的(de)沖蝕破壞次(cì)之，對凸型孔(kǒng)闆的沖蝕破(po)壞最小。因此(cǐ)，在固體顆粒(lì)質量流量增(zeng)加以及粒徑(jing)增大時，采用(yong)凸型孔闆流(liu)量計有利于(yú)減小沖蝕磨(mo)損對流量計(jì)的破壞。

以上(shang)内容來源于(yú)網絡，如有侵(qīn)權請聯系即(jí)删除!