摘要(yào)：目的探究在管(guǎn)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(ji)于歐拉-拉格朗(lang)日算法的DPM模型(xing)，對液固兩相流(liú)體計量工藝中(zhōng) 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(shi)磨損的區域。探(tan)究入口液相速(su)度、固體顆粒粒(li)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(dà)沖蝕速率的影(ying)響，并對比管輸(shu)液固兩相流🔅體(ti)時，固體🔴顆粒粒(lì)徑對不同形狀(zhuàng)的孔闆造成的(de)沖蝕磨損速😍率(lü)大小。結果在孔(kong)闆流量計的突(tū)縮管段易産生(shēng)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(lǜ)随着顆粒粒徑(jìng)的增加而減小(xiǎo)；當🈲單位時間内(nèi)流經孔闆的🔞固(gù)體顆粒數量相(xiang)等時，沖蝕磨損(sun)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(mo)損行爲最弱。結(jié)論大顆粒⛱️對孔(kong)闆的沖蝕磨損(sun)比較嚴重，在孔(kǒng)闆計量過程💃🏻中(zhong)應嚴格注意🏒。在(zài)流體中存在大(da)量大顆粒時🌈，采(cǎi)用凸型孔闆流(liú)量計能有效改(gǎi)善沖蝕磨損情(qíng)況。
　　沖蝕磨損是(shi)管道系統面臨(lín)的最嚴重失效(xiào)情況之一，嚴重(zhong)🏃🏻‍♂️的沖蝕磨損甚(shen)至會造成管道(dào)洩漏失效。大量(liàng)的實驗及數值(zhí)模拟結果顯示(shì)在典型管件處(chu)（如彎管、T型管、盲(máng)通管、變徑🤞管及(ji)閥門等）易産生(shēng)沖蝕磨損失效(xiao)。在集輸管道系(xi)統中，安♉裝和使(shi)用孔闆流量計(jì)會造成管徑的(de)變化。當流體中(zhōng)含有固體顆粒(li)時♻️，會使這種變(bian)徑♋管産生嚴重(zhong)的🥵沖蝕磨損，從(cong)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(liú)量測量精度受(shòu)到影響。因此，流(liú)量計的安裝和(he)使用造成的液(yè)固沖蝕問題應(ying)當得到足夠重(zhong)視。
　　爲了研究各(gè)種參數對沖蝕(shí)磨損速率的影(ying)響，大量學者運(yùn)用實驗及數值(zhi)模拟方法探究(jiu)了管徑突變處(chù)的液固沖蝕磨(mo)損問題。運用數(shù)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(dù)、顆粒粒徑及收(shou)縮比等參數對(duì)變徑管處沖蝕(shí)磨損速率的影(yǐng)響。運用數值模(mo)拟的方法探究(jiū)了固體顆粒對(duì)閘⁉️閥的沖蝕磨(mo)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(mo)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(mo)損發生的位置(zhì)。運用實驗及數(shù)值仿真方法探(tan)究了固體顆🌈粒(lì)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(hang)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(tǐ)顆粒對孔闆壁(bi)面産生🛀的沖❄️蝕(shi)磨損問🌍題，獲得(dé)了入口液相速(su)度🔴、固體顆粒粒(lì)徑等參數對最(zuì)大沖蝕速率的(de)影響。運用DPM模型(xing)對多個孔闆㊙️流(liú)量計串🤟聯時，固(gu)體📞顆粒對孔闆(pan)壁面産生的沖(chòng)蝕磨損情況進(jìn)行數值模拟探(tan)究，得到了入口(kǒu)液相速度、固體(ti)顆粒粒徑等參(cān)數🔞對最大沖蝕(shí)速率的影響，并(bìng)比較了幾個孔(kǒng)闆處沖蝕磨損(sǔn)速率的大小。探(tàn)究固體顆粒粒(li)徑對沖🔴蝕磨損(sun)的🐆影響，除了要(yao)考慮粒徑本身(shēn)變化外，還應考(kao)慮🐆流經☀️的顆粒(li)數量[9]。然而🏃🏻‍♂️，國内(nèi)外學者進行液(ye)固🏃🏻兩相流對‼️孔(kong)闆流量計沖刷(shua)腐蝕數值模拟(ni)探究時，一般隻(zhi)考慮粒⚽徑本身(shēn)變化的影響而(ér)忽💃視了流經管(guǎn)道的顆粒數量(liang)這☎️一因素。
針對(duì)以上問題，筆者(zhe)運用DPM模型對孔(kǒng)闆流量計的沖(chòng)蝕磨🌏損⭕問題進(jin)行了數值模拟(ni)探究：1）預測了固(gù)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(cè)技術進行漏點(diǎn)檢測，從而避免(mian)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(jing)對最大沖蝕速(su)率的影響，同時(shi)，分析了等數量(liang)不同粒徑的固(gù)體顆粒對孔闆(pan)流量計最大沖(chong)蝕速率的影響(xiang)，有利于探究液(yè)固兩相流對變(biàn)徑管♉處的沖蝕(shi)磨損行爲，并對(duì)油氣開采和運(yùn)輸的安全進行(hang)提供了指導建(jian)議；3）與文獻[10]中提(tí)出的幾種孔闆(pǎn)流量計計量液(yè)㊙️固兩相流流量(liang)時發生的沖蝕(shi)磨損速率進行(háng)對比✊，得出了最(zui)優防沖蝕孔闆(pan)☁️，爲🌈管道結構優(you)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(jǐ)何模型及邊界(jie)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(gai)變孔闆的流通(tong)形式，采取特‼️殊(shū)的流線型過渡(du)，以減小沖蝕磨(mó)損速率。現有的(de)孔闆流量計改(gǎi)進模型如圖1所(suo)示。其🈚中，a、b、c、d分别爲(wei)标準孔闆、加厚(hòu)孔闆、凹流線形(xíng)孔闆和凸流線(xiàn)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(jun)爲1:2。數值計算中(zhōng)考慮湍流尺度(du)效應，孔闆上遊(you)及下遊管段均(jun1)選取爲10D。經計算(suàn)，所有邊界條件(jian)下的管内流體(tǐ)均爲湍流狀态(tài)。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(jiā)密處理，而沿流(liú)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(kong)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(qiú)體顆🔴粒。多相流(liu)介質的組成及(jí)物性參數如表(biǎo)1所示。


1.2計算模(mó)型
　　根據孔闆流(liu)量計測量管道(dào)中流體流量時(shi)管道的運行工(gong)況、流💋體組成和(he)介質參數等的(de)變化情況，筆者(zhě)選取N-S方程組、K-∈模(mó)型🈲以及沖蝕磨(mó)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(he)Outflow出口，壁面邊界(jie)條件設置爲無(wu)滑移邊界。
标準(zhun)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(zhi)徑、粒子與壁面(miàn)的沖擊角、粒子(zǐ)相對速度、顆粒(lì)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(mó)型應當盡量地(di)✌️包含更多的影(ying)🔅響因素。本研究(jiu)所運用的DPM模型(xing)考慮的影響因(yīn)素具🌈體描述爲(wèi)：

　　式中：pm爲顆粒質(zhì)量；C(dp)爲粒子粒徑(jing)函數，選取1.810－9；v爲相(xiang)對粒子♊速度；b(v)爲(wei)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(du)💁；f(α)爲沖🌈擊角的函(hán)數。沖擊角度的(de)函數f(α)采用線性(xing)🆚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(wèi)0、0.8、1、0.5、0.4。Aface爲顆粒撞擊壁(bi)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(fú)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(pèng)撞前後固體顆(ke)粒🧑🏾‍🤝‍🧑🏼動量的變化(hua)。固體顆粒與孔(kong)闆壁面的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼碰撞(zhuàng)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(pèng)撞後速度🔱與碰(pèng)撞🈲前速度的比(bǐ)值。法向和切向(xiang)反彈系數都等(děng)于1，說明固體顆(ke)粒撞擊壁面之(zhi)後沒有能量損(sǔn)失☎️；法向反‼️彈系(xi)數和切向🥵反彈(dan)系♋數都等于0，說(shuo)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(jí)一🈲定反射角進(jin)行運動，這一現(xiàn)象用反🧑🏽‍🤝‍🧑🏻彈系數(shu)來表征，反彈系(xì)數💋分爲法向反(fan)彈系數和切💃向(xiàng)💋反彈系數，本計(ji)算🌐中反彈系數(shù)的定✏️義如式（4—5）所(suǒ)示。

2數值分析與(yu)結果
2.1入口液相(xiang)速度對最大沖(chòng)蝕速率的影響(xiang)
　　入口液相速度(du)對不同種類孔(kǒng)闆流量計壁面(miàn)最大沖蝕磨損(sun)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(suō)段易産生沖蝕(shí)失效。這歸因于(yu)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(tu)變，固體顆粒切(qie)削壁面材料産(chan)生沖蝕磨損現(xiàn)象。随着速度的(de)🍓增大，固體顆👉粒(li)對不同類型孔(kǒng)闆流量計造成(cheng)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(wén)獻[12]所研究的結(jié)♌果相似。這主要(yao)歸因于兩個方(fang)面：一是由于液(yè)體攜砂過程中(zhōng)，液固兩相之間(jian)存在相互作用(yòng)，入口液相速度(dù)增大導緻固體(ti)❌顆粒撞擊管道(dào)壁面時以及從(cóng)管道壁面反彈(dan)之後都具有更(gèng)大的動量；二是(shì)入口液相速度(dù)增大導緻固體(tǐ)顆粒沖擊孔闆(pǎn)🌈壁面的頻率增(zeng)大。
　　圖4爲不同結(jié)構的孔闆流量(liang)計在相同速度(du)條件下發生沖(chong)蝕磨損的對比(bi)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(liú)量計壁面的沖(chòng)蝕磨損速率最(zuì)大，對經典孔闆(pan)流量計和❄️延長(zhǎng)孔闆流量計壁(bì)面的沖蝕磨損(sǔn)速率次🔅之，對凸(tu)型孔闆的最大(da)沖蝕磨損率最(zui)小。


2.2顆粒粒(li)徑對最大沖蝕(shi)速率的影響
　　研(yán)究固體顆粒質(zhì)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(xíng)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(liú)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(li)粒徑的㊙️增加，液(ye)固兩相流對不(bu)同類型孔闆流(liu)量計管材的最(zui)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(tǐ)顆粒質量流🈲量(liàng)相等的工況下(xia)，顆粒粒徑💔增大(da)使撞擊孔闆☁️壁(bi)面的固體顆粒(li)粒子數目減少(shǎo)；另一方面，粒子(zi)軌迹、沖擊速度(du)和沖擊角度😘均(jun)受到顆粒粒徑(jing)變化的影響[13]。這(zhè)可以說明固體(ti)顆粒質⛷️量流量(liàng)相等時，流體中(zhōng)固體🚶顆粒粒徑(jing)增加會使給🏃‍♂️定(ding)位置處的沖蝕(shi)磨損速率顯✏️著(zhe)♉降低。

　　圖6爲等質(zhì)量流量、不同粒(li)徑時不同結構(gòu)的孔闆流量計(ji)發生🔞沖蝕磨損(sun)情況的對比曲(qǔ)線。圖示可知，在(zài)相同邊界條件(jian)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻下，固體顆粒對(duì)凹型孔闆流量(liàng)計壁面的沖蝕(shí)磨損💃🏻速率最大(dà)，固體顆粒對經(jīng)典孔闆流🏃量計(ji)和延🔱長孔闆流(liú)量計壁面的沖(chong)蝕磨損速率次(cì)💰之，凸型孔闆所(suo)承受的最大沖(chong)蝕磨損☂️量最小(xiao)。

　　研究單(dan)位時間内流過(guo)孔闆流量計的(de)固體顆粒數🎯目(mù)和入口液🈲相速(su)度一定時，固體(ti)顆粒粒徑對不(bú)同類型🥰孔闆流(liu)量計最大沖蝕(shi)速率的影響，結(jié)果如圖7、8所示。入(rù)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(li)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(zhong)孔闆的最大沖(chòng)蝕速率均較小(xiǎo)。此時，液體攜砂(sha)對孔闆流量計(jì)的沖蝕❤️量小，并(bìng)且随着🈲固體顆(kē)粒粒徑的增加(jiā)👣，磨損速率增加(jia)，但是增加趨勢(shi)較♊緩❌。而凹形孔(kong)闆在固體顆粒(li)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(qu)間。其餘三種孔(kǒng)闆雖未🚶呈現這(zhè)種臨界區間的(de)規律，但随着粒(lì)徑的增大，沖蝕(shí)磨損速率也都(dōu)呈增加趨勢，對(duì)節流設備的損(sun)害逐漸🏃‍♀️加重，應(yīng)采用可靠手段(duan)進行防✍️範。此外(wài)，在入口液相速(sù)度、質量流量及(ji)顆粒粒徑相等(děng)時，凹型孔闆流(liú)量計的沖蝕磨(mo)損率最大，經典(dian)孔闆流量計及(ji)延長型孔闆流(liu)量計的次之，凸(tū)型孔闆流量計(ji)的最小。


　　以上分析說(shuo)明，當單位時間(jian)内流經孔闆流(liú)量計的固體🤩顆(ke)粒🍓數目相同時(shi)，固體顆粒粒徑(jìng)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(shì)磨損的重🚶要影(yǐng)響因素，固相質(zhì)量流量越大，沖(chòng)蝕磨損越嚴重(zhong)。
3結論
1）孔闆流量(liang)計在計量管道(dao)輸送液固兩相(xiàng)流時，固體顆粒(li)㊙️沖擊管👈道壁面(miàn)，沖蝕現象易發(fa)生在孔闆流量(liàng)計的管道突縮(suo)位置。
2）随着入口(kǒu)主相流體速度(du)增大，液體攜砂(shā)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(liang)時，随着入口固(gù)體顆粒粒徑增(zēng)大，液體攜砂造(zao)成的最大沖🤞蝕(shi)速率減小。
3）管道(dào)輸送的液體攜(xie)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(kong)闆壁面造成的(de)最大沖蝕💃速率(lü)随着🛀🏻固體顆粒(li)🏒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(miàn)的沖蝕破壞最(zuì)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(xíng)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(cai)用凸型孔闆流(liu)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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