摘要：目(mu)的探究在(zai)管輸液固(gu)兩相流體(ti)時，固體顆(ke)粒對孔闆(pan)流量計 造(zao)成的沖蝕(shi)磨損。方法(fa)運用基于(yu)歐拉-拉格(ge)朗日算法(fa)的DPM模型，對(dui)液固兩相(xiang)流體計量(liang)工藝中 孔(kong)闆流量計(ji) 的沖蝕問(wen)題進行數(shu)值仿真，預(yu)測孔闆流(liu)量計在液(ye)固兩相流(liu)體流量計(ji)量工藝中(zhong)易發生沖(chong)蝕磨損的(de)區域。探究(jiu)入口液相(xiang)速度🧑🏾‍🤝‍🧑🏼、固體(ti)顆粒粒徑(jing)以及等數(shu)量顆粒沖(chong)擊壁面時(shi)，固❗體顆粒(li)粒徑對孔(kong)闆最大沖(chong)蝕速率的(de)影響，并對(dui)比管輸液(ye)固兩相流(liu)體時，固體(ti)顆粒粒徑(jing)對不同形(xing)狀的孔闆(pan)造成的沖(chong)蝕磨損速(su)率大小。結(jie)果在孔闆(pan)流量計的(de)突縮管段(duan)易産🌈生嚴(yan)重的液固(gu)沖蝕失♊效(xiao)，最大沖蝕(shi)速率随着(zhe)液相入口(kou)速度的增(zeng)大而增加(jia)。當固體顆(ke)粒的質量(liang)流量相等(deng)時，最大沖(chong)蝕速率随(sui)着顆粒粒(li)徑的增加(jia)而減💔小；當(dang)單位時間(jian)内流經孔(kong)闆的固體(ti)顆粒數量(liang)相等時，沖(chong)🈚蝕磨損速(su)率随着固(gu)體顆🏃粒粒(li)徑的增加(jia)而增大。在(zai)液固兩相(xiang)流管道體(ti)系中⛷️，固體(ti)顆粒對凸(tu)型孔闆造(zao)成的沖蝕(shi)🌂磨損行爲(wei)最弱。結論(lun)大顆粒對(dui)孔闆的沖(chong)🔴蝕磨損比(bi)較嚴重，在(zai)孔闆計量(liang)過程中應(ying)嚴格注意(yi)。在流體中(zhong)存在大量(liang)🌈大顆粒時(shi)，采用凸型(xing)孔闆流量(liang)計能♍有效(xiao)改善沖蝕(shi)磨損情況(kuang)。
　　沖蝕磨損(sun)是管道系(xi)統面臨的(de)最嚴重失(shi)效情況之(zhi)一🤞，嚴🐉重的(de)沖蝕磨損(sun)甚至會造(zao)成管道洩(xie)漏失效。大(da)量的👨‍❤️‍👨實驗(yan)☎️及數值模(mo)拟結果顯(xian)示在典型(xing)管件處（如(ru)🎯彎管、T型管(guan)、盲通管、變(bian)徑管及閥(fa)門等）易産(chan)生沖蝕磨(mo)損失效。在(zai)集輸管道(dao)系統中，安(an)裝和使用(yong)孔闆流量(liang)計會造成(cheng)管徑的變(bian)化。當流體(ti)中含有固(gu)體顆粒時(shi)，會使這種(zhong)變徑🈲管産(chan)生嚴重的(de)沖蝕磨損(sun)，從而導緻(zhi)孔闆流量(liang)計産生形(xing)變，流量計(ji)出流☁️系數(shu)發生改變(bian)，流🤩量測量(liang)精度受到(dao)✉️影響。因此(ci)，流量計的(de)安裝和使(shi)⭕用造成的(de)液固沖蝕(shi)問題應當(dang)得到足夠(gou)重視。
　　爲了(le)研究各種(zhong)參數對沖(chong)蝕磨損速(su)率的影響(xiang)，大量學☀️者(zhe)運👌用👉實驗(yan)及數值模(mo)拟方法探(tan)究了管徑(jing)突變❌處的(de)液固沖蝕(shi)磨損問題(ti)。運用數值(zhi)模拟的方(fang)法探究了(le)變💞徑管處(chu)液固兩相(xiang)沖蝕問題(ti)，得到了入(ru)口液相速(su)度、顆粒粒(li)徑及收縮(suo)比等參數(shu)對變🍓徑管(guan)處沖蝕磨(mo)損速率的(de)影響。運用(yong)數值模拟(ni)的方法探(tan)究了固體(ti)顆粒對閘(zha)閥的沖蝕(shi)磨損問題(ti)，得到了入(ru)口主相速(su)度和顆粒(li)粒徑大小(xiao)對沖蝕速(su)🔴率的影響(xiang)，并與實💃🏻際(ji)工程中閘(zha)閥壁面的(de)沖蝕磨損(sun)情💁況進行(hang)了對比，得(de)到了🔞良好(hao)的拟合🌈效(xiao)果。運用數(shu)值模拟方(fang)法探✂️究了(le)液固兩相(xiang)流🌍對突擴(kuo)突縮管段(duan)的沖蝕磨(mo)損情況，預(yu)測了沖🈲蝕(shi)磨損發生(sheng)的😍位置。運(yun)用實驗及(ji)數值仿真(zhen)方法探究(jiu)了固體顆(ke)粒對突擴(kuo)突縮管段(duan)的沖蝕磨(mo)損情🏃況。除(chu)此之外也(ye)探究了流(liu)體參數對(dui)變徑管處(chu)沖蝕磨損(sun)☀️行爲的影(ying)響。
　　對于在(zai) 差壓型流(liu)量計 計量(liang)液固兩相(xiang)流工藝中(zhong)，固體顆粒(li)對流量計(ji)沖蝕🏒磨損(sun)的探究🙇‍♀️有(you)運用DPM模型(xing)探究了固(gu)體顆粒對(dui)孔闆壁面(mian)産生的沖(chong)🆚蝕磨損問(wen)題，獲得了(le)入口液相(xiang)速度、固體(ti)顆粒粒徑(jing)等參數✊對(dui)最大沖蝕(shi)速率的影(ying)響。運用DPM模(mo)型對多個(ge)孔闆💛流量(liang)計串聯時(shi)，固體顆粒(li)對孔闆壁(bi)面産生♋的(de)沖蝕磨損(sun)情況進行(hang)數值模拟(ni)探究，得到(dao)了入口液(ye)相速度、固(gu)體顆粒粒(li)徑等參數(shu)對最大沖(chong)蝕速率的(de)影響，并比(bi)👅較了幾個(ge)孔闆處沖(chong)蝕磨損速(su)率的大小(xiao)。探究固體(ti)顆粒粒徑(jing)對沖蝕磨(mo)損的影響(xiang)，除了要考(kao)慮粒徑🏃‍♀️本(ben)身變化外(wai)，還應考慮(lü)⭐流經的顆(ke)粒數量[9]。然(ran)而，國内外(wai)學者進行(hang)液固兩相(xiang)流對💯孔闆(pan)流量計🔞沖(chong)刷腐蝕數(shu)值模拟探(tan)究時，一般(ban)隻考慮粒(li)徑本身變(bian)化的影響(xiang)💘而忽✍️視了(le)流經管道(dao)的顆粒數(shu)量這一因(yin)素。
針對以(yi)上問題，筆(bi)者運用DPM模(mo)型對孔闆(pan)流量計的(de)沖🆚蝕磨損(sun)💔問題進行(hang)了數值模(mo)拟探究：1）預(yu)測了固體(ti)顆粒在🛀🏻孔(kong)闆😄壁面上(shang)的沖蝕🈲位(wei)置，有利于(yu)綜合現有(you)的檢測技(ji)術進行漏(lou)點檢測，從(cong)而避免盲(mang)目檢測導(dao)緻的資源(yuan)浪☎️費；2）探究(jiu)了入口流(liu)速🌈、固體顆(ke)粒粒徑對(dui)最大沖蝕(shi)速率的影(ying)響，同時，分(fen)析了等數(shu)量不同粒(li)徑🍓的固體(ti)顆粒對孔(kong)闆流量計(ji)最大沖蝕(shi)速率的影(ying)響，有利于(yu)探究液固(gu)兩相流對(dui)變徑管處(chu)的沖蝕磨(mo)損行爲，并(bing)對油氣開(kai)采和運輸(shu)的安全進(jin)行提供了(le)指🔞導建議(yi)；3）與🧑🏾‍🤝‍🧑🏼文獻[10]中(zhong)提出👈的幾(ji)種孔闆流(liu)量計計♌量(liang)液固兩相(xiang)流流量時(shi)發生的沖(chong)蝕磨損速(su)率進行對(dui)比，得出了(le)最優防沖(chong)蝕孔闆，爲(wei)管道結構(gou)優化及孔(kong)闆流量計(ji)工藝改進(jin)提供相應(ying)的理論依(yi)據。
1數值模(mo)拟及邊界(jie)條件
1.1幾何(he)模型及邊(bian)界條件
　　經(jing)典孔闆流(liu)量計的安(an)裝和使用(yong)易造成管(guan)徑突縮，在(zai)✌️孔闆前出(chu)🏃🏻‍♂️現死區，且(qie)固體顆粒(li)沖擊管道(dao)壁面的作(zuo)用較強。本(ben)研究試圖(tu)通過改變(bian)孔闆的流(liu)通形式，采(cai)取特殊的(de)流❄️線型過(guo)渡，以減小(xiao)沖蝕磨損(sun)速率。現有(you)的孔闆流(liu)量計改進(jin)模型如圖(tu)1所示。其中(zhong)，a、b、c、d分别爲标(biao)準孔闆、加(jia)厚孔闆、凹(ao)流線形孔(kong)闆和凸流(liu)線型孔闆(pan)。安裝流量(liang)計的管道(dao)管徑D均爲(wei)100mm，流量計的(de)開孔比例(li)均爲1:2。數值(zhi)計算中考(kao)慮✉️湍流尺(chi)度㊙️效應，孔(kong)闆上遊👉及(ji)下遊管段(duan)均選取爲(wei)10D。經計算，所(suo)有邊界✊條(tiao)件下的🈲管(guan)内流體😄均(jun)爲湍流狀(zhuang)态。爲了能(neng)夠準确地(di)計算固體(ti)顆粒對典(dian)型管件的(de)沖蝕磨損(sun)，對流量計(ji)的各個🏃‍♂️壁(bi)面都進行(hang)加密處理(li)，而沿流體(ti)流動方向(xiang)的網格節(jie)點數較稀(xi)疏，這樣可(ke)以節約計(ji)算資源，提(ti)高計算效(xiao)率。
　　不同類(lei)型的孔闆(pan)流量計内(nei)的多相流(liu)介質由油(you)相和固體(ti)沙粒組成(cheng)。考慮理想(xiang)狀态，固體(ti)沙粒均爲(wei)标準球體(ti)顆👌粒。多相(xiang)流介質的(de)組成及物(wu)性參數如(ru)表1所示。


1.2計算模型(xing)
　　根據孔闆(pan)流量計測(ce)量管道中(zhong)流體流量(liang)時管道的(de)🥵運行工況(kuang)、流體組成(cheng)和介質參(can)數等的變(bian)化情況，筆(bi)者選取N-S方(fang)程組、K-∈模型(xing)以及沖蝕(shi)磨損模型(xing)對沖刷腐(fu)蝕行爲進(jin)行數值求(qiu)解。流體域(yu)選取Velocity入口(kou)和Outflow出口，壁(bi)面邊界條(tiao)㊙️件設置爲(wei)無滑移邊(bian)界。
标準K-∈方(fang)程如式（1—2）所(suo)示。

　　影響壁(bi)面沖蝕速(su)率的因素(su)有很多，如(ru)粒子直徑(jing)、粒子與壁(bi)面的沖擊(ji)角、粒子相(xiang)對速度、顆(ke)粒撞擊壁(bi)面的表面(mian)積等。爲✂️了(le)準确預測(ce)沖蝕信息(xi)，沖蝕預測(ce)模型應當(dang)盡量地🌈包(bao)含更多的(de)影響因素(su)。本研究所(suo)運用的DPM模(mo)型考慮的(de)影響因素(su)具體描述(shu)爲：

　　式中：pm爲(wei)顆粒質量(liang)；C(dp)爲粒子粒(li)徑函數，選(xuan)取1.810－9；v爲相對(dui)粒子速💜度(du)💯；b(v)爲粒子相(xiang)對速度的(de)函數，選取(qu)2.6。α爲粒子路(lu)徑與壁面(mian)的㊙️沖擊角(jiao)度；f(α)爲沖擊(ji)角的函數(shu)。沖擊角度(du)的函數f(α)采(cai)用線性分(fen)段函數來(lai)描述，文獻(xian)[11]通過激波(bo)脈沖式沖(chong)蝕磨損實(shi)驗獲得了(le)典型鋼材(cai)的沖蝕角(jiao)度🚶函數，當(dang)沖擊角度(du)α分别爲0°、20°、30°、45°、90°時(shi)，壁面反彈(dan)系數分别(bie)爲0、0.8、1、0.5、0.4。Aface爲顆粒(li)撞擊壁面(mian)的單元表(biao)面積。
　　由于(yu)固體顆粒(li)和壁面碰(peng)撞的方程(cheng)非常複雜(za)，工程上定(ding)義🌏了彈性(xing)恢複系數(shu)來表征顆(ke)粒與孔闆(pan)壁面碰撞(zhuang)前後固體(ti)顆粒動量(liang)的變化。固(gu)體顆粒與(yu)孔闆壁面(mian)的碰撞反(fan)彈情況如(ru)圖2所示。

　　彈性恢複(fu)系數爲固(gu)體顆粒與(yu)孔闆壁面(mian)碰撞後速(su)度與碰撞(zhuang)前速度的(de)比值。法向(xiang)和切向反(fan)彈系數都(dou)等于㊙️1，說明(ming)🏒固體顆粒(li)☂️撞擊🐉壁面(mian)之後沒有(you)能量損失(shi)；法向反彈(dan)系數和切(qie)向反彈系(xi)數都等于(yu)0，說明固體(ti)顆粒撞擊(ji)壁面之後(hou)⭐損失了所(suo)👄有能量。當(dang)顆粒撞擊(ji)壁面後，顆(ke)粒會損失(shi)部分能量(liang)，并以低于(yu)沖擊速度(du)的速度以(yi)及🐕一定反(fan)射角進行(hang)運動，這一(yi)現象用反(fan)彈系數來(lai)表征，反彈(dan)系數分爲(wei)法向反彈(dan)系數和切(qie)✌️向反彈系(xi)數，本計算(suan)中反彈系(xi)數的定義(yi)如式（4—5）所示(shi)。

2數值分析(xi)與結果
2.1入(ru)口液相速(su)度對最大(da)沖蝕速率(lü)的影響
　　入(ru)口液相速(su)度對不同(tong)種類孔闆(pan)流量計壁(bi)面最大❌沖(chong)蝕磨損速(su)率的影響(xiang)如圖3所示(shi)，顆粒粒徑(jing)均爲350μm。由圖(tu)可知，在孔(kong)闆流量計(ji)安裝的突(tu)縮段易産(chan)生沖蝕失(shi)效。這歸因(yin)于在孔闆(pan)流量計⭐的(de)收縮階段(duan)，固體顆粒(li)撞擊孔闆(pan)壁面導緻(zhi)運動軌迹(ji)發生突變(bian)，固體顆粒(li)切削壁面(mian)材料産生(sheng)沖蝕磨損(sun)現象。随着(zhe)速度的✂️增(zeng)大，固體顆(ke)❄️粒㊙️對不同(tong)類型孔闆(pan)流量計造(zao)成的最大(da)沖蝕速✌️率(lü)和沖蝕磨(mo)損面積都(dou)呈現遞增(zeng)趨勢。這與(yu)文獻[12]所研(yan)究的結☀️果(guo)相似。這主(zhu)要歸因于(yu)兩個方面(mian)：一是由于(yu)液體攜砂(sha)過程中，液(ye)固兩相之(zhi)間存在相(xiang)互作用，入(ru)口液相速(su)度增大導(dao)緻固體☎️顆(ke)粒撞擊管(guan)道壁面時(shi)以及從管(guan)道壁面反(fan)彈之後都(dou)具有更大(da)的🐉動量；二(er)是入口液(ye)相速度增(zeng)🙇‍♀️大導緻固(gu)體顆粒沖(chong)擊孔闆壁(bi)面的頻率(lü)增大。
　　圖4爲(wei)不同結構(gou)的孔闆流(liu)量計在相(xiang)同速度條(tiao)件下發生(sheng)沖蝕磨💯損(sun)的對比曲(qu)線。如圖所(suo)示，在相同(tong)邊界條件(jian)下，固體顆(ke)粒對凹型(xing)孔闆流量(liang)計壁面的(de)沖蝕磨損(sun)速😍率最大(da)，對經典孔(kong)闆流量計(ji)和延長孔(kong)闆流量計(ji)壁面的沖(chong)蝕磨損速(su)率次之，對(dui)凸型孔闆(pan)的最🧑🏾‍🤝‍🧑🏼大沖(chong)蝕磨損率(lü)最小。


2.2顆粒粒徑(jing)對最大沖(chong)蝕速率的(de)影響
　　研究(jiu)固體顆粒(li)質量流量(liang)及入口液(ye)相速度一(yi)定時，固體(ti)顆粒❤️粒✨徑(jing)對不同類(lei)型孔闆流(liu)量計最大(da)沖蝕速率(lü)的影響，結(jie)果如圖5所(suo)示。入口液(ye)相速度保(bao)持爲💜10m/s，固體(ti)顆⭐粒粒徑(jing)分别爲100、150、200、250、300、350、400μm。在(zai)孔闆流量(liang)計的收縮(suo)段易發生(sheng)嚴重的沖(chong)刷腐蝕行(hang)爲。随着固(gu)體顆粒粒(li)徑的增加(jia)，液固兩相(xiang)流對不同(tong)類型孔闆(pan)流👉量計管(guan)材的最大(da)沖蝕速率(lü)均呈現下(xia)降趨勢。這(zhe)主要是因(yin)爲一😍方面(mian)，在固體顆(ke)粒質量流(liu)量相等的(de)工況下，顆(ke)粒粒徑增(zeng)大使撞擊(ji)孔闆📞壁面(mian)的固體顆(ke)粒粒♻️子數(shu)目減少；另(ling)一方面，粒(li)子軌迹、沖(chong)擊速度和(he)沖擊角度(du)均受㊙️到顆(ke)粒粒徑變(bian)化的影響(xiang)[13]。這可以說(shuo)明固體顆(ke)粒質量流(liu)量相等🔱時(shi)，流體中固(gu)體顆粒粒(li)徑增加會(hui)使給💘定位(wei)置處的沖(chong)蝕磨損速(su)率顯著降(jiang)低。

　　圖6爲等(deng)質量流量(liang)、不同粒徑(jing)時不同結(jie)構的孔闆(pan)流量計發(fa)生沖🔆蝕磨(mo)損情況的(de)對比曲線(xian)。圖示可知(zhi)，在相同邊(bian)界🔞條件㊙️下(xia)，固🔴體顆粒(li)對凹型孔(kong)闆流量計(ji)壁面的沖(chong)蝕磨損速(su)率最大，固(gu)體⭐顆粒對(dui)經典孔闆(pan)流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量計和(he)延長孔闆(pan)流量計壁(bi)面的沖蝕(shi)磨損速率(lü)次之，凸型(xing)孔闆所承(cheng)受的最🍓大(da)沖蝕磨損(sun)量最小。

　　研究單位(wei)時間内流(liu)過孔闆流(liu)量計的固(gu)體顆粒數(shu)目和🌂入口(kou)✂️液相速度(du)一定時，固(gu)體顆粒粒(li)徑對不同(tong)類型孔闆(pan)流量📐計最(zui)大沖蝕速(su)率的影響(xiang)，結果如圖(tu)7、8所示。入口(kou)液相速度(du)保持爲10m/s，流(liu)經管道🌈的(de)顆粒數量(liang)爲1.27×109個/s，固體(ti)顆粒粒徑(jing)👅分别爲6.25、12.5、25、50、100μm。結(jie)果顯示，當(dang)固體顆粒(li)🔞粒徑＜12.5μm時，幾(ji)種孔闆的(de)最大沖蝕(shi)速率均較(jiao)小。此時，液(ye)體攜砂對(dui)孔闆流量(liang)計的沖蝕(shi)量小，并且(qie)随着固體(ti)顆粒粒徑(jing)的增加🈲，磨(mo)損速率增(zeng)加，但是增(zeng)加趨勢較(jiao)緩❗。而凹形(xing)孔闆在固(gu)💋體顆粒粒(li)徑＞25μm時，沖蝕(shi)磨損速率(lü)急劇增加(jia)，固體顆粒(li)粒徑12.5～25μm爲其(qi)沖蝕量加(jia)劇的臨界(jie)區間。其餘(yu)三種孔🌈闆(pan)雖未呈現(xian)這種臨界(jie)區間的規(gui)🤞律，但随着(zhe)粒徑的增(zeng)大，沖蝕⭕磨(mo)損速率也(ye)都呈增加(jia)趨勢，對節(jie)流設備的(de)損害逐漸(jian)加👉重，應采(cai)用可靠手(shou)段進行防(fang)㊙️範。此外，在(zai)入口液相(xiang)速度、質量(liang)流量及顆(ke)粒粒徑相(xiang)等時，凹型(xing)孔闆流量(liang)計的沖蝕(shi)磨損率🐆最(zui)大，經典孔(kong)闆流量計(ji)🏃🏻‍♂️及延長型(xing)孔闆流量(liang)計的次之(zhi)👅，凸型孔闆(pan)流🛀🏻量計的(de)最小。


　　以上(shang)分析說明(ming)，當單位時(shi)間内流經(jing)孔闆流量(liang)計的固☀️體(ti)顆粒數🧑🏾‍🤝‍🧑🏼目(mu)相同時，固(gu)體顆粒粒(li)徑增大導(dao)緻固體顆(ke)粒的質量(liang)🙇‍♀️流量随之(zhi)增大。因此(ci)，固體顆粒(li)的質量流(liu)量🌈也是磨(mo)損的重要(yao)影響⛷️因素(su)，固相質量(liang)流量越大(da)，沖蝕磨損(sun)越嚴☎️重。
3結(jie)論
1）孔闆流(liu)量計在計(ji)量管道輸(shu)送液固兩(liang)相流時，固(gu)體顆粒沖(chong)擊🐇管道壁(bi)面，沖蝕現(xian)象易發生(sheng)在孔闆流(liu)量🐉計的管(guan)道突縮位(wei)置。
2）随着入(ru)口主相流(liu)體速度增(zeng)大，液體攜(xie)砂對孔闆(pan)流量計壁(bi)💜面💞造成的(de)最大沖蝕(shi)速率增大(da)。等質量流(liu)量時，随❄️着(zhe)入💛口固體(ti)顆粒粒✊徑(jing)增大，液體(ti)攜砂造成(cheng)的最大沖(chong)🐪蝕速率減(jian)小。
3）管道輸(shu)送的液體(ti)攜帶等數(shu)量固體顆(ke)粒沖擊孔(kong)闆流量計(ji)壁面🔞時，固(gu)體顆粒對(dui)孔闆壁面(mian)造成的最(zui)大沖蝕速(su)率🆚随着固(gu)體🈲顆粒粒(li)徑的增加(jia)而增大。
4）在(zai)相同邊界(jie)條件下，固(gu)體顆粒對(dui)凹型孔闆(pan)流量計壁(bi)面的沖蝕(shi)❌破壞最嚴(yan)重，對經典(dian)孔闆流量(liang)計和延長(zhang)孔闆流量(liang)計壁面的(de)沖蝕破壞(huai)次之，對凸(tu)型孔闆的(de)沖蝕☎️破壞(huai)最🥰小。因此(ci)💔，在固體顆(ke)粒質量流(liu)量增加以(yi)及粒徑增(zeng)大時，采用(yong)凸型孔闆(pan)流量計🍉有(you)利于減小(xiao)沖蝕磨損(sun)對流量計(ji)的❗破壞。

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