摘要(yao)：目的探究在(zai)管輸液固兩(liang)相流體時，固(gu)體顆粒對孔(kong)闆流量計 造(zào)成的沖蝕磨(mo)損。方法運用(yong)基于歐拉-拉(la)格朗日算㊙️法(fa)的DPM模型，對液(yè)固兩相流體(ti)計量工藝中(zhong) 孔闆流量計(ji) 的沖蝕問題(ti)進行數值仿(páng)真，預測孔闆(pǎn)流量計在液(yè)固兩相流體(ti)流量計量工(gōng)藝中易發生(sheng)沖蝕磨損的(de)區域。探究入(ru)口💋液相💯速度(du)、固體顆粒粒(li)徑以及等數(shù)量顆粒沖擊(ji)壁🚶面時，固體(ti)顆粒⭐粒徑對(duì)孔闆最大沖(chong)☔蝕速率的影(yǐng)響，并對比管(guǎn)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(su)率大小。結果(guo)♻️在孔闆流量(liang)計的突縮管(guan)段易産生嚴(yán)重的液固沖(chong)蝕失👄效，最大(da)沖蝕速率随(sui)着液相入口(kou)速度的增大(da)而增加。當固(gu)體顆粒的質(zhì)量流量相等(deng)時，最大沖蝕(shi)速率随着顆(ke)粒粒徑的增(zēng)加而減小；當(dāng)☀️單位時間内(nei)流經孔闆的(de)固體顆粒數(shu)量相等時，沖(chong)蝕磨損速率(lü)随着固體顆(kē)粒⭐粒徑的增(zēng)加而增大。在(zai)液固兩相流(liú)管道體系中(zhong)，固體顆粒對(dui)凸型孔闆造(zào)成的沖蝕磨(mó)損行爲最弱(ruo)。結論大顆粒(lì)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(ke)粒時，采用凸(tu)型孔闆流量(liàng)計能有效改(gǎi)善沖蝕磨損(sun)情況。
　　沖蝕磨(mó)損是管道系(xi)統面臨的最(zui)嚴重失效情(qíng)況之一，嚴重(zhòng)🔞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(zhuāng)和使用孔闆(pǎn)流量計會造(zao)成管徑的變(biàn)化。當⛹🏻‍♀️流體中(zhong)含有固體顆(kē)粒時🌍，會使這(zhè)種變徑管産(chan)生嚴重的沖(chong)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(sheng)改變，流量測(cè)量精度受到(dao)影響。因此，流(liu)量計🔞的安裝(zhuang)和使用造成(cheng)的液固沖蝕(shí)問題應當得(de)到足夠重視(shì)。
　　爲了研究各(gè)種參數對沖(chong)蝕磨損速率(lǜ)的影響，大量(liàng)學者運用實(shi)驗及數值模(mó)拟方法探究(jiu)了管徑突變(bian)🌈處的液固沖(chòng)蝕磨損問題(tí)。運用數值模(mo)拟的方法探(tan)究了變徑管(guǎn)處液固兩相(xiang)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(dui)變徑管處沖(chòng)蝕磨損速率(lü)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(dé)到了入🌂口主(zhu)相速度和顆(kē)粒粒徑大小(xiǎo)對沖蝕速率(lü)的影響，并與(yǔ)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(xiào)果。運用數值(zhí)模拟方法探(tàn)🆚究了液固兩(liǎng)相流對突擴(kuo)❤️突縮管段的(de)沖蝕磨損情(qing)🌍況，預測了沖(chòng)🏃‍♀️蝕磨損發生(shēng)⚽的位置。運用(yòng)實驗及數值(zhí)仿真方法探(tan)究了固體顆(ke)💃粒對㊙️突擴突(tū)縮管段的沖(chòng)蝕磨損情況(kuang)。除此之外也(ye)探究了🌈流體(tǐ)參數對變徑(jìng)💁管處沖蝕磨(mo)損行爲👣的影(ying)響。
　　對于在 差(cha)壓型流量計(ji) 計量液固兩(liǎng)相流工藝中(zhong)，固體顆粒對(dui)流量計沖蝕(shí)磨損的探究(jiū)有運用DPM模型(xing)探究了固體(ti)顆粒對孔闆(pǎn)壁面産生的(de)沖蝕磨損問(wen)題，獲得了入(rù)口液相速度(du)、固體顆粒粒(li)徑等參數對(dui)最大沖蝕速(sù)率的影響。運(yun)用DPM模型對多(duō)個孔闆⭐流量(liàng)計串聯時，固(gù)體顆粒對孔(kong)闆壁面産生(shēng)的沖蝕磨損(sun)情況進行數(shu)值模拟探究(jiū)，得到了入口(kou)液相速度、固(gù)體顆粒粒徑(jìng)等參數對最(zui)大沖蝕速率(lǜ)的影響，并比(bi)較了幾個孔(kǒng)闆處沖蝕磨(mo)損速率的大(dà)小。探究👄固體(tǐ)顆粒粒徑對(duì)沖✏️蝕磨損的(de)影響，除了要(yao)考慮粒徑本(ben)身變化外，還(hai)應考慮流經(jing)⚽的顆粒數量(liàng)[9]。然而🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，國内外(wài)🚶學者進行液(ye)固兩相流對(duì)孔闆流量計(ji)💋沖刷腐蝕數(shu)⚽值模拟探究(jiu)時，一般隻考(kǎo)慮粒徑本身(shēn)變化的影響(xiǎng)🐉而忽視🈲了流(liú)經管道的顆(ke)粒數量這🐇一(yī)因素。
針對以(yi)上問題，筆者(zhe)運用DPM模型對(duì)孔闆流量計(jì)的沖🛀🏻蝕磨損(sun)問題進行了(le)數值模拟探(tan)究：1）預測了固(gù)體顆粒在孔(kǒng)闆壁面🌈上的(de)沖蝕位置，有(you)利于綜合現(xian)有的檢測技(ji)術進行漏點(dian)檢測，從而避(bì)免盲目檢測(ce)導緻的資源(yuan)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(yu)探究液固兩(liǎng)相流🚶對變徑(jing)管處的沖蝕(shí)磨損行爲，并(bing)對油氣開采(cǎi)和運輸的安(ān)全進行⛷️提供(gong)了指導建議(yì)；3）與文獻[10]中提(tí)出的幾種孔(kǒng)闆流量計計(jì)量液固兩相(xiàng)流流量時發(fā)生的沖蝕磨(mó)損速率進行(háng)對比🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，得出了(le)最優🏃🏻‍♂️防沖蝕(shí)孔闆，爲管道(dao)結構優化及(jí)孔闆流量計(ji)工藝改進提(ti)供相應的理(li)論依據。
1數值(zhí)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(tu)縮🐅，在孔🎯闆前(qian)出現死區，且(qie)固體顆粒沖(chong)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(pǎn)和☂️凸流線型(xing)孔♍闆。安裝流(liú)量計的管道(dao)管徑D均爲100mm，流(liú)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(du)效應，孔闆上(shang)遊❤️及下遊管(guǎn)段均選取✨爲(wèi)10D。經計算，所有(yǒu)邊界條件下(xia)的管内流體(tǐ)均爲湍流狀(zhuang)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(duì)流量♍計的各(ge)個👣壁面都進(jìn)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(kě)以🔅節約計算(suan)資源，提高計(ji)算效率。
　　不同(tóng)類型的孔闆(pǎn)流量計内的(de)多相流介質(zhi)由油相和固(gu)體沙粒組成(cheng)。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(zu)成及物性參(cān)數如表1所示(shi)。


1.2計算(suan)模型
　　根據孔(kong)闆流量計測(cè)量管道中流(liu)體流量時管(guan)道的❗運行工(gong)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(xing)以及沖蝕磨(mó)損模型對沖(chong)刷腐蝕行爲(wèi)進行數值求(qiu)解。流體域選(xuan)取Velocity入口和Outflow出(chū)口，壁面邊界(jiè)條件設置爲(wei)無滑移邊界(jie)。
标準K-∈方程如(rú)式（1—2）所示。

　　影響(xiang)壁面沖蝕速(su)率的因素有(you)很多，如粒子(zǐ)直徑、粒子與(yu)壁面的沖擊(ji)角、粒子相對(duì)速度、顆粒撞(zhuàng)擊壁面的表(biǎo)面積等。爲了(le)準确預測沖(chòng)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(shì)中：pm爲顆粒質(zhi)量；C(dp)爲粒子粒(li)徑函數，選取(qu)1.810－9；v爲相對粒❗子(zǐ)速度🏃🏻；b(v)爲粒🏃子(zi)相對速度的(de)函數，選取2.6。α爲(wei)粒子路徑與(yu)壁♊面的沖擊(ji)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(lai)描述，文獻[11]通(tōng)過激波脈沖(chòng)式沖蝕磨損(sun)實驗獲得了(le)典型鋼材的(de)沖蝕角度函(hán)數，當沖擊角(jiǎo)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(wèi)顆粒撞擊壁(bi)面的單元表(biao)面積。
　　由于固(gù)體顆粒和壁(bì)面碰撞的方(fang)程非常複雜(za)，工程🔴上定義(yi)了彈性恢複(fú)系數來表征(zhēng)顆粒與孔闆(pǎn)壁面⭕碰撞前(qian)後固體💞顆粒(li)動量的變化(hua)。固體顆粒與(yǔ)孔闆壁面的(de)🐪碰撞反彈情(qing)況如圖2所🚶‍♀️示(shi)。

　　彈性恢(huī)複系數爲固(gu)體顆粒與孔(kong)闆壁面碰撞(zhuang)後速度與🔅碰(pèng)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(lì)⚽撞擊壁面之(zhi)後沒有能量(liàng)損失；法向反(fan)彈系數和切(qiē)向反彈系數(shù)都等于0，說明(míng)固體顆粒撞(zhuang)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(shi)部分能量，并(bìng)以低于沖擊(jī)速度💯的速度(du)以及一定反(fǎn)射角進行運(yùn)動，這一現象(xiang)用反彈系數(shù)來表征，反彈(dan)系數分爲法(fa)向反彈系數(shù)和切向反彈(dan)系數，本計算(suan)🔱中反彈系數(shu)的定義如式(shì)（4—5）所示。

2數值分(fèn)析與結果
2.1入(rù)口液相速度(du)對最大沖蝕(shi)速率的影響(xiang)
　　入口液相速(su)度對不同種(zhǒng)類孔闆流量(liang)計壁面最大(da)沖蝕磨損🐅速(su)率的影響如(rú)圖3所示，顆粒(lì)粒徑均爲350μm。由(yóu)圖可知，在孔(kǒng)闆流量㊙️計安(ān)裝的突縮段(duàn)易産生沖蝕(shí)失效。這歸因(yin)于在孔闆📧流(liu)量計‼️的收縮(suo)階段，固體顆(kē)粒撞擊孔闆(pan)壁面導緻運(yùn)動軌迹發生(sheng)突變，固體顆(ke)🥵粒切削壁面(mian)材料産生沖(chong)蝕磨損現象(xiàng)。随着速度的(de)♍增大，固體顆(ke)粒⭕對不同類(lei)型孔❌闆流量(liàng)計造成的最(zui)大沖蝕速率(lü)和沖❤️蝕磨損(sǔn)面積都呈💜現(xian)遞增趨勢。這(zhè)與文獻[12]所研(yan)究的結果相(xiang)似。這主要歸(guī)因于兩個方(fang)面：一是由于(yú)液體攜砂過(guò)程中，液固兩(liǎng)相之間♻️存在(zài)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼相互作用，入(rù)口液相速度(du)增大導緻固(gu)體🛀顆粒撞擊(jī)💁管道壁面時(shí)以及從管道(dao)✨壁面反彈之(zhī)後都具有更(geng)大的動量；二(er)是入口液相(xiang)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(tóng)結構的孔闆(pan)流量計在相(xiàng)同速度條件(jiàn)下發生📞沖蝕(shi)磨損的對比(bi)曲線。如圖所(suo)示，在相同邊(bian)界條件🌈下，固(gu)體顆粒對凹(āo)型孔闆流量(liàng)計壁面的沖(chong)蝕磨損速率(lü)最大，對經典(dian)孔闆流量計(ji)和延長孔闆(pan)流🧡量計壁面(miàn)的沖蝕磨🥰損(sun)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(li)質量流量及(jí)入口液相速(su)度一定時，固(gu)體顆粒🙇🏻粒徑(jing)對不同類型(xing)孔闆流量計(ji)最大沖蝕速(sù)率的影響，結(jié)果如🔱圖5所示(shì)。入口液相速(sù)度保持爲10m/s，固(gu)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(kē)粒粒徑的增(zeng)加，液固兩相(xiàng)流對不同類(lèi)型孔闆流量(liang)計管材的最(zui)大沖蝕速率(lü)✔️均呈現下降(jiang)趨勢。這主要(yào)是因爲一✉️方(fāng)面，在固體顆(ke)粒質量流量(liàng)相等的工況(kuàng)下，顆粒粒徑(jing)🔱增大使撞擊(ji)孔闆壁面的(de)固體顆粒🈲粒(lì)子數目減少(shǎo)；另一方面，粒(li)子軌迹、沖擊(jī)速度和沖擊(ji)角度❄️均受到(dào)顆粒粒徑變(biàn)化📱的影響[13]。這(zhe)可以說明固(gu)體顆粒質量(liàng)流量相等時(shí)，流體中固♌體(tǐ)顆粒粒徑增(zēng)加會使給定(ding)位置處的沖(chong)蝕磨損速率(lü)顯🚩著降低。

　　圖(tú)6爲等質量流(liu)量、不同粒徑(jìng)時不同結構(gòu)的孔闆流量(liang)計發生💛沖蝕(shi)磨損情況的(de)對比曲線。圖(tu)示可知，在相(xiàng)同邊界條件(jiàn)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(bi)面的沖蝕磨(mo)損速率次之(zhi)，凸型孔闆所(suo)承受的最📧大(da)沖蝕磨損量(liàng)最小。

　　研究(jiu)單位時間内(nèi)流過孔闆流(liú)量計的固體(ti)顆粒數目和(hé)入✂️口液相速(su)度一定時，固(gù)體顆粒粒徑(jing)對不同類型(xing)孔闆🚶‍♀️流量💔計(jì)最大沖蝕速(su)率的影響，結(jie)果如圖7、8所示(shi)。入👄口液相👌速(sù)度保持爲10m/s，流(liu)經管道的顆(kē)粒數量爲1.27×109個(ge)/s，固體顆粒粒(lì)徑分别爲6.25、12.5、25、50、100μm。結(jié)果顯示，當固(gù)體顆粒⛹🏻‍♀️粒徑(jìng)＜12.5μm時，幾種孔闆(pǎn)的最大🏒沖蝕(shí)速率均較小(xiao)。此時，液體攜(xie)砂對孔闆流(liú)量計的沖蝕(shi)♋量小，并且随(sui)着固體顆粒(li)粒徑的增加(jiā)🌈，磨損速率增(zēng)加，但是增加(jia)趨勢較緩。而(ér)凹形孔闆在(zài)固🧑🏾‍🤝‍🧑🏼體顆粒粒(lì)徑＞25μm時，沖蝕磨(mó)損速率急劇(ju)增加，固體顆(ke)粒粒徑12.5～25μm爲其(qi)沖蝕量加劇(ju)的臨界區間(jian)。其餘三種孔(kong)‼️闆雖未呈現(xian)這種臨界區(qu)間的規律，但(dan)随着粒徑的(de)增大，沖❌蝕磨(mó)損速率也都(dou)呈增加趨勢(shi)，對節流設備(bei)的損害逐漸(jiàn)加重，應采用(yong)可靠手段進(jin)行防範。此外(wài)，在入口液相(xiang)速度、質量流(liú)量及顆🐅粒粒(li)徑相等時，凹(āo)型✨孔闆流量(liàng)計的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻沖蝕磨(mo)損率最大，經(jing)典孔闆流量(liang)計及延長型(xíng)孔闆流量計(jì)的次之，凸型(xing)孔闆流量計(ji)的最小。


　　以上分析(xī)說明，當單位(wèi)時間内流經(jing)孔闆流量計(ji)的固體‼️顆粒(lì)數🌈目相同時(shi)，固體顆粒粒(lì)徑增大導緻(zhi)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(yě)是磨👈損的重(zhòng)🍉要影響因素(sù)，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(liu)量計在計量(liang)管道輸送液(ye)固兩相流時(shi)，固體顆粒沖(chong)擊管道壁面(miàn)，沖蝕現象易(yì)發生在孔闆(pǎn)流量計的㊙️管(guan)道突縮位置(zhì)。
2）随着入口主(zhu)相流體速度(dù)增大，液體攜(xie)砂對孔闆流(liú)♻️量計壁面造(zao)成的最大沖(chong)蝕速率增大(da)。等質量流量(liàng)時，随着入口(kou)固體顆粒粒(lì)徑增大，液體(ti)攜砂造成的(de)💋最大沖蝕速(sù)率💋減小。
3）管道(dào)輸送的液體(tǐ)攜帶等數量(liang)固體顆粒沖(chong)擊孔闆流量(liang)計壁面時，固(gu)體顆粒對孔(kǒng)闆壁面造成(cheng)的最大沖蝕(shi)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(liang)計壁面的沖(chòng)蝕破壞最嚴(yán)重，對經典孔(kǒng)闆流量計和(hé)延長孔闆流(liú)🤟量計壁面的(de)沖🆚蝕破壞次(cì)之，對凸型孔(kǒng)闆的沖蝕🐪破(pò)壞最小。因此(cǐ)✍️，在固體顆粒(lì)質量流量增(zeng)加以及粒徑(jìng)📱增大時，采用(yòng)凸型孔闆流(liú)量計有利于(yú)減小沖蝕磨(mó)損對流量計(jì)的破壞。

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