摘要(yào)：目的探究在管(guan)輸液固兩相流(liu)體時，固體顆粒(lì)對孔闆流量計(ji) 造成的沖蝕磨(mo)損。方法運用基(jī)于歐拉-拉格朗(lǎng)日算法的DPM模型(xing)🔞，對液固兩相流(liu)體計量工藝中(zhong) 孔闆流量計 的(de)沖蝕問題進行(hang)數值仿真，預測(cè)孔闆流量計在(zai)液固兩相流體(tǐ)流量計量工藝(yi)中易發生沖蝕(shí)磨損的區域🛀🏻。探(tàn)究入口液相速(su)度、固體顆粒粒(lì)徑以及等數🔴量(liang)顆粒沖擊壁面(mian)時，固體顆粒粒(li)徑對孔闆最大(da)沖💃🏻蝕速率的影(ying)響，并對比管輸(shū)液固兩相流體(tǐ)時，固體顆粒粒(li)徑對🏃‍♂️不同形狀(zhuàng)的孔闆造成的(de)沖蝕磨損速率(lǜ)大小。結果🧡在孔(kong)闆流量計的突(tu)縮管段易産生(sheng)嚴重的液固沖(chong)蝕失🐉效，最大沖(chong)蝕速率随着液(yè)相入口速度的(de)增大而增加。當(dāng)固體顆粒的質(zhì)量流量相等時(shi)，最大沖蝕速率(lü)随着顆粒粒徑(jing)的增加而減小(xiao)；當單位時間内(nèi)流經⚽孔闆的固(gu)體顆粒數量相(xiang)等時，沖蝕磨損(sǔn)速率随着固體(tǐ)顆粒粒徑的增(zeng)加而增大。在液(yè)固兩相流管道(dào)體系中，固體顆(ke)粒對凸型孔闆(pǎn)造成的沖蝕☁️磨(mó)損行爲最弱。結(jie)論大顆粒對孔(kong)闆的沖蝕磨損(sun)比較嚴🆚重，在孔(kong)闆計量過程中(zhōng)應嚴格注意。在(zài)流體中存在大(da)量大顆粒時，采(cai)用凸型孔闆流(liu)量計能有效改(gai)善沖蝕磨損情(qing)況。
　　沖蝕磨損是(shi)管道系統面臨(lín)的最嚴重失效(xiao)情況之🔞一✌️，嚴重(zhong)的沖蝕磨損甚(shèn)至會造成管道(dào)洩漏失效。大🔞量(liang)的實驗💛及數值(zhí)模🤩拟結果顯示(shi)在典型管件處(chù)（如彎管、T型管、盲(mang)通管、變徑管及(ji)閥門等）易産生(sheng)沖蝕磨損失效(xiao)。在集輸管道🛀系(xi)統中，安裝和使(shǐ)用孔闆流量💰計(ji)會造成管徑的(de)變化。當流體中(zhong)含有固體顆粒(lì)時✉️，會使這種變(bian)徑管産生嚴重(zhòng)的🐇沖蝕磨損，從(cóng)而🧑🏾‍🤝‍🧑🏼導緻孔闆流(liu)量計産生形變(biàn)，流🔆量計出流系(xi)數發生改變🔴，流(liu)量測量精度受(shou)到🌏影響。因此，流(liú)量計的安裝和(hé)使用造成的🈲液(ye)固沖蝕問題應(ying)當得到足夠重(zhong)視🐇。
　　爲了研究各(ge)種參數對沖蝕(shí)磨損速率的影(yǐng)響，大量學者運(yùn)👄用實驗及數值(zhí)模拟方法探究(jiū)了管徑突變處(chu)的液固沖蝕磨(mó)損問題⛱️。運用數(shu)值模拟的方法(fa)探究了變徑管(guan)處❤️液固兩相沖(chòng)蝕問題，得到了(le)入口液相速度(du)、顆⛱️粒粒徑及💃收(shou)縮比等參數對(dui)變徑管處沖蝕(shí)磨損速率的影(yǐng)響。運用數值模(mó)拟的方法探究(jiu)了✏️固體顆粒對(duì)閘閥的沖蝕磨(mó)損問題，得到了(le)入💁口主相速度(du)和顆粒粒徑大(da)小對沖蝕速率(lü)的影響，并與㊙️實(shí)際工程中閘閥(fá)壁面的沖蝕磨(mó)損情況🐅進行了(le)對比，得到了良(liang)好的拟合效果(guǒ)。運🤞用數值模拟(ni)方法探🏒究了液(yè)固兩相流對突(tu)擴🈚突縮管段的(de)沖蝕磨損情況(kuàng)，預測了沖蝕磨(mó)損發生的位置(zhì)。運用實驗及數(shu)值😍仿真方法探(tàn)究了固體顆粒(li)對♈突擴突縮管(guǎn)段的沖蝕磨損(sǔn)情況。除此之外(wai)也探究了流體(tǐ)參㊙️數對變徑管(guan)處沖蝕磨損行(háng)爲🧡的影響。
　　對于(yu)在 差壓型流量(liang)計 計量液固兩(liǎng)相流工藝中，固(gù)體顆粒對流量(liàng)計沖蝕磨損的(de)探🐅究有運用DPM模(mó)型探究了固體(ti)顆粒對孔闆壁(bì)面産生的沖蝕(shi)磨損問題，獲得(de)了入口液相速(su)度🏃‍♀️、固體顆粒粒(li)徑💁等參數對最(zui)大沖蝕速率的(de)影響。運用DPM模型(xíng)對多個孔闆流(liú)量計串聯時，固(gù)體顆粒對孔✉️闆(pǎn)壁面産生的沖(chong)蝕磨損情況進(jìn)行數值模拟探(tan)究，得到了入口(kou)液相速度、固體(ti)顆粒粒徑等參(can)數對最大沖蝕(shí)速🏃‍♀️率的影響，并(bing)比較了幾個孔(kǒng)闆處沖蝕磨損(sun)速率的大小。探(tàn)究👌固體顆粒粒(li)徑對沖🔴蝕磨損(sǔn)的影響，除了🥵要(yào)考慮粒徑本身(shēn)變化外，還應考(kǎo)慮流經🔴的顆粒(lì)數量[9]。然而，國内(nei)外學者進行液(yè)固兩相流對孔(kǒng)闆流量計🏃沖刷(shuā)腐蝕數值模拟(ni)探究時，一般隻(zhi)考慮粒徑本身(shen)變化的影響而(ér)忽視了流經管(guan)道的顆粒數量(liàng)這一因素。
針對(dui)以上問題，筆者(zhě)運用DPM模型對孔(kong)闆流量計的沖(chòng)蝕磨🍓損💔問題進(jin)行了數值模拟(nǐ)探究：1）預測了固(gu)體顆⭕粒在🏃‍♀️孔闆(pan)🌍壁面上的沖蝕(shí)位置，有利于綜(zong)合現有的檢測(ce)技☎️術進行漏點(diǎn)檢測，從而避免(miǎn)盲🧡目檢測導緻(zhi)👈的資源浪費；2）探(tàn)究了入口流速(su)、固體顆粒粒徑(jìng)對最🔆大沖蝕速(su)率的影響，同時(shi)，分析了等數🐉量(liàng)不同粒徑的固(gu)體顆粒對孔闆(pǎn)流量計最大沖(chong)蝕速率的🌂影響(xiǎng)，有利于探究液(ye)固兩相流對變(bian)徑管處的沖蝕(shi)磨損行爲，并對(dui)油氣開采和運(yun)輸的安全進行(hang)提供了指導建(jian)議；3）與文獻[10]中提(ti)出的幾種孔闆(pan)流量計計量液(ye)固兩相流流量(liàng)時發生的沖蝕(shí)磨損速率進行(háng)對比🈚，得出了最(zuì)優☀️防沖蝕孔闆(pǎn)，爲管道結構優(yōu)化及孔闆🏃🏻流量(liang)計工藝改進提(tí)供相應的理論(lun)依據。
1數值模拟(nǐ)及邊界條件
1.1幾(ji)何模型及邊界(jiè)條件
　　經典孔闆(pan)流量計的安裝(zhuang)和使用易造成(cheng)管徑突縮，在孔(kong)闆前出現死區(qū)，且固體顆粒沖(chong)擊管道壁面的(de)作用較強。本研(yán)究試圖通⭐過改(gǎi)變孔闆的流通(tōng)形式，采取特🍓殊(shū)的流線型過渡(dù)，以減小沖蝕磨(mó)損速率。現有的(de)孔闆流量計改(gai)進模型如圖1所(suo)示。其中，a、b、c、d分别爲(wèi)标準孔闆、加厚(hou)孔闆、凹流線形(xing)孔闆和凸流線(xian)型孔闆。安裝流(liú)量計的管道管(guan)徑D均爲100mm，流量計(ji)的開孔比例均(jun1)爲1:2。數🐕值計算中(zhong)考慮湍流尺度(dù)效應，孔闆上遊(yóu)及下遊管段均(jun1)選取爲10D。經計算(suan)，所有邊界條件(jian)下的管内流體(tǐ)均爲湍流狀态(tai)。爲了能夠準确(que)地計算固體顆(ke)粒對典型管件(jian)的沖蝕磨損，對(duì)流量計的各個(gè)❗壁面都進行🏃🏻加(jia)密處理，而沿流(liu)體流動方向的(de)網格🧑🏾‍🤝‍🧑🏼節點數較(jiao)稀疏，這樣可以(yi)節約計算資源(yuán)，提高計算效率(lü)。
　　不同類型的孔(kǒng)闆流量計内的(de)多相流介質由(you)油相💜和固💃🏻體沙(shā)🙇‍♀️粒組成。考慮理(lǐ)想狀态，固體沙(sha)粒均爲标準球(qiu)體顆粒。多相流(liú)介質的組成及(jí)物性參數如表(biao)🈲1所示。


1.2計算模(mo)型
　　根據孔闆流(liú)量計測量管道(dao)中流體流量時(shí)管道的運行工(gōng)況、流體組成和(he)介質參數等的(de)變化情況，筆者(zhe)選取N-S方程組👌、K-∈模(mó)型以及沖蝕磨(mo)損模型對沖刷(shua)腐👅蝕行爲進行(háng)數值求解。流體(tǐ)域選取Velocity入口和(hé)Outflow出口，壁面邊界(jiè)條件設置爲無(wu)滑移邊界。
标準(zhǔn)K-∈方程如式（1—2）所示(shì)。

　　影響壁面沖蝕(shí)速率的因素有(yǒu)很多，如粒子直(zhí)徑、粒子與壁面(miàn)的沖擊角、粒子(zi)相對速度、顆粒(li)撞擊壁面的表(biǎo)面積✍️等。爲了準(zhun)确預測沖蝕信(xin)息，沖蝕預測模(mo)🙇‍♀️型應當盡量地(dì)包含更多的影(yǐng)響因素。本研究(jiū)所運用的DPM模型(xíng)考慮的影響因(yīn)素具體描述爲(wei)🏃‍♂️：

　　式中：pm爲顆粒質(zhi)量；C(dp)爲粒子粒徑(jing)函數，選取1.810－9；v爲相(xiàng)對粒子🤩速度；b(v)爲(wèi)粒子相對速度(dù)的函數，選取2.6。α爲(wei)粒子路徑與壁(bi)面的沖擊角度(dù)；f(α)爲沖擊角的函(hán)數。沖擊角度的(de)函數f(α)采用線性(xìng)分段函🈲數來描(miao)🌈述，文獻💚[11]通過激(jī)波脈沖式沖蝕(shi)磨損實驗獲得(dé)了典型鋼材的(de)沖蝕角度函數(shù)，當沖擊角度α分(fèn)别爲0°、20°、30°、45°、90°時，壁面反(fǎn)彈🔞系數分别爲(wei)0、0.8、1、0.5、0.4。Aface爲顆粒撞擊壁(bì)面的單元表面(miàn)積。
　　由于固體顆(kē)粒和壁面碰撞(zhuang)的方程非常複(fu)雜，工程上🌈定義(yi)了彈性恢複系(xi)數來表征顆粒(li)與孔闆壁面🍓碰(peng)撞前後固體顆(kē)粒動量的變化(hua)。固體顆粒與孔(kǒng)闆壁面的碰撞(zhuang)反彈情況如圖(tu)2所示。

　　彈性恢複系(xi)數爲固體顆粒(li)與孔闆壁面碰(peng)撞後速度與碰(peng)🌂撞前速度的比(bi)值。法向和切向(xiang)反彈系數都等(deng)于1，說明固體💜顆(kē)粒撞擊壁面之(zhi)後沒有能量損(sun)失；法向反彈系(xi)數和切向反彈(dan)系數都等于0，說(shuō)明固體🔞顆粒撞(zhuang)擊壁面之後🙇🏻損(sǔn)失了所👨‍❤️‍👨有能量(liàng)。當顆粒撞擊壁(bi)面後，顆粒會損(sǔn)失部分能量，并(bìng)以低于沖擊速(su)度的速度以及(ji)♋一定反射角進(jin)行運動，這一現(xian)象用反🧑🏽‍🤝‍🧑🏻彈系數(shù)來表征，反彈系(xì)數分爲法向反(fǎn)彈系數和切向(xiang)👨‍❤️‍👨反彈系數，本計(ji)算中反彈系數(shu)的定💃義如式（4—5）所(suo)示🤞。

2數值分析與(yu)結果
2.1入口液相(xiàng)速度對最大沖(chòng)蝕速率的影響(xiǎng)
　　入口液相速度(dù)對不同種類孔(kǒng)闆流量計壁面(miàn)最大沖蝕磨♉損(sǔn)🈚速率的影響如(ru)圖3所示，顆粒粒(lì)徑均爲350μm。由圖可(kě)知，在㊙️孔闆流量(liang)計安裝的突縮(suo)段易産生沖蝕(shí)失效。這歸因于(yú)👉在孔闆流量計(ji)的收縮💋階段，固(gu)體顆粒撞擊孔(kong)🌐闆壁面導緻運(yùn)動軌迹發生突(tū)變，固體顆粒切(qiē)削壁面材料産(chan)生沖蝕磨損現(xian)象❤️。随着速度的(de)增大，固體顆粒(lì)對不同類型孔(kong)闆流量計造成(chéng)🌈的最大沖蝕速(sù)率和沖🌍蝕磨損(sun)面積都呈現遞(dì)增趨勢。這㊙️與文(wen)獻[12]所研究的結(jie)果相似。這主要(yào)歸因于兩個方(fāng)👈面：一是由于液(ye)體攜砂過程中(zhong)，液固兩相之間(jian)存在相互作用(yong)，入口液相速度(dù)增大導緻固體(tǐ)顆粒撞擊管道(dao)壁面時以及從(cóng)管道壁面反彈(dàn)之後都具有更(gèng)😄大的動量；二是(shi)入口液相速度(du)增🐇大導緻固體(ti)顆粒沖擊孔闆(pan)🔴壁面的頻率增(zeng)大。
　　圖4爲不同結(jié)構的孔闆流量(liàng)計在相同速度(du)條件下發生沖(chòng)蝕磨損的對比(bǐ)曲線。如圖所示(shì)，在相同邊界條(tiáo)件下，固體顆🥵粒(lì)對凹型孔闆流(liu)量計壁面的沖(chong)蝕磨損速率最(zuì)大，對經典孔闆(pǎn)流量計和延長(zhang)孔闆流量計壁(bì)面📐的沖蝕磨損(sun)速率次☎️之，對凸(tu)型孔闆的最大(dà)沖蝕磨損率最(zuì)小。


2.2顆粒粒(lì)徑對最大沖蝕(shi)速率的影響
　　研(yan)究固體顆粒質(zhi)量流量及入口(kou)液相速度一定(ding)時，固體顆粒粒(li)徑對不同類型(xing)孔闆流量計最(zuì)大沖蝕⭕速率的(de)影響，結💔果如圖(tu)5所示。入口液相(xiang)速度保持爲10m/s，固(gù)體顆粒粒徑分(fèn)别爲100、150、200、250、300、350、400μm。在孔闆流(liu)量計的收縮段(duan)易🌈發生嚴重的(de)沖刷腐蝕行爲(wèi)。随着固體顆粒(lì)粒徑的增加，液(yè)固兩☂️相流對不(bú)同類型孔闆流(liú)量計管材的最(zuì)大沖蝕速率均(jun1)呈現下降趨勢(shi)。這主要是因爲(wei)一👈方面，在固體(ti)顆粒質量流量(liàng)相等的工況下(xià)，顆粒粒💋徑增大(dà)使撞擊孔闆壁(bi)面的固體顆粒(lì)粒子數目減少(shao)；另一方面，粒子(zǐ)軌迹、沖擊速度(dù)和沖擊角度均(jun)受✉️到顆粒粒徑(jìng)變化的影響[13]。這(zhe)可以說明固體(ti)顆粒質量流量(liang)相等時，流體中(zhōng)固體顆粒粒徑(jìng)增加會使給定(dìng)位置處的沖蝕(shí)磨損速率顯❓著(zhe)降低。

　　圖6爲等質(zhi)量流量、不同粒(lì)徑時不同結構(gou)的孔闆流量㊙️計(jì)發生沖♻️蝕磨損(sǔn)情況的對比曲(qu)線。圖示可知，在(zài)相同邊界條件(jian)下，固體顆‼️粒對(dui)凹型孔闆流量(liàng)計壁🈲面的沖蝕(shi)磨損速率最大(dà)，固體顆粒對經(jing)典孔闆流量計(ji)和延🏃‍♂️長孔闆流(liú)量計壁面👨‍❤️‍👨的沖(chòng)蝕磨損速率次(ci)㊙️之，凸型孔闆所(suo)承受的最💃大沖(chong)蝕磨損量最小(xiǎo)。

　　研究單(dān)位時間内流過(guò)孔闆流量計的(de)固體顆粒數目(mu)和入口液相速(sù)度一定時，固體(ti)顆粒粒徑對不(bu)同❌類型孔闆流(liu)量💋計最大沖蝕(shi)速率的影響，結(jie)果如圖7、8所示。入(ru)口液相🤟速度保(bǎo)持爲10m/s，流經管道(dào)🌂的顆粒數量♋爲(wèi)1.27×109個/s，固體顆粒粒(lì)徑分别爲6.25、12.5、25、50、100μm。結🚶‍♀️果(guǒ)顯示，當固體顆(kē)粒粒徑＜12.5μm時，幾種(zhǒng)孔闆的最大沖(chòng)蝕速率均🈲較小(xiao)。此時，液體攜砂(shā)對孔闆😄流量計(ji)的沖蝕量小，并(bing)且随着固體顆(kē)粒粒徑的增加(jia)，磨損速率增加(jia)，但是增加趨勢(shì)較緩。而凹形孔(kong)闆在固🌈體顆粒(lì)粒徑＞25μm時，沖蝕磨(mó)損速率急劇增(zeng)加，固體顆粒粒(lì)徑12.5～25μm爲其沖蝕量(liàng)加劇的💚臨界🤟區(qū)間。其餘三種孔(kong)闆雖未呈現這(zhe)種臨界區間的(de)規律，但随着粒(lì)徑的增大，沖蝕(shi)磨損速率也都(dou)呈增加趨勢，對(dui)節流設備的損(sun)害逐漸加重，應(yīng)采用可靠手段(duàn)進行防範。此外(wài)，在入口液相速(su)度、質量流量及(jí)顆粒粒徑相等(děng)時🐕，凹型㊙️孔闆流(liú)量計的🌈沖蝕磨(mó)損率最大，經典(diǎn)孔闆流量計及(ji)延長型孔闆流(liú)量計的次之，凸(tu)型孔闆流量計(ji)的最小。


　　以上分析說(shuo)明，當單位時間(jiān)内流經孔闆流(liú)量計的固體顆(ke)粒數目相同時(shí)，固體顆粒粒徑(jing)增大導緻固體(ti)顆粒的⭕質量♈流(liu)量随之增大。因(yīn)此，固體顆粒的(de)質量流量也是(shi)磨損的重要影(ying)響因素，固♋相質(zhi)量流量越大，沖(chong)蝕🈲磨損越嚴重(zhòng)。
3結論
1）孔闆流量(liàng)計在計量管道(dào)輸送液固兩相(xiang)流時，固體☀️顆🏃‍♂️粒(lì)沖擊管道壁面(mian)，沖蝕現象易發(fa)生在孔闆流量(liàng)計的管道突縮(suō)位置。
2）随着入口(kou)主相流體速度(dù)增大，液體攜砂(sha)對孔闆流量⭕計(jì)壁面造成的最(zui)大沖蝕速率增(zēng)大。等質量流量(liàng)時，随🐅着入口固(gu)體顆粒粒徑增(zeng)大，液體攜砂造(zào)成的最大沖蝕(shi)速率減小。
3）管道(dào)輸送的液體攜(xié)帶等數量固體(tǐ)顆粒沖擊孔闆(pan)流♊量計壁🌈面時(shí)，固體顆粒對孔(kǒng)闆壁面造成的(de)最大沖蝕速率(lü)随着固體顆粒(lì)粒徑的增加而(er)增大。
4）在相同邊(biān)界條件下，固體(tǐ)顆粒對凹型孔(kong)闆流量計🚩壁面(mian)的沖蝕破壞最(zui)嚴重，對經典孔(kǒng)闆流量計和延(yán)✂️長孔⛹🏻‍♀️闆流量計(ji)壁面的沖蝕破(pò)壞次之，對凸型(xing)孔闆的沖蝕💯破(po)壞最小。因此✔️，在(zài)固體🤞顆粒質量(liang)流量增加☂️以及(ji)粒徑增大時，采(cǎi)用凸型孔🔆闆流(liú)量計有利于減(jian)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼小沖蝕磨損對(dui)流量計的破壞(huài)。

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