摘要：目(mu)的探究在管輸液(ye)固兩相流體時，固(gù)體顆粒對孔闆流(liu)量計 造成的沖蝕(shí)磨損。方法運用基(jī)于歐拉-拉格朗日(ri)算法的DPM模型，對液(ye)固兩相流體計量(liang)工藝中 孔闆流量(liàng)計 的沖蝕問題進(jin)行數值仿真，預測(cè)孔闆流量計在液(yè)🚩固兩相流體流量(liàng)計量工藝中易發(fa)生沖蝕磨損的區(qū)域。探究入口液相(xiàng)速度、固體顆粒粒(lì)徑以及等數量顆(ke)粒沖擊壁面時，固(gu)🌍體顆粒粒徑對孔(kong)闆最大沖蝕速率(lǜ)的影響，并對比管(guǎn)輸液固兩相流體(tǐ)時，固體顆粒粒徑(jing)對㊙️不同形狀的孔(kong)闆造成的㊙️沖蝕磨(mo)損速率大小。結果(guǒ)在孔闆流量計的(de)突縮管段易産生(shēng)嚴重的液固沖蝕(shi)失效，最大沖蝕速(sù)率🏃随着液相入口(kǒu)速度的增大而增(zeng)加。當固體顆粒的(de)質量流量相等‼️時(shí)，最大沖蝕速率随(sui)着顆粒粒徑的增(zeng)加而減小；當🤞單位(wei)時間内流經孔闆(pǎn)的固體顆粒數量(liàng)相等時，沖蝕磨損(sǔn)速率🛀🏻随着固體顆(kē)粒粒徑的增加而(er)增大。在🈲液固兩相(xiang)流管道體系中❗，固(gu)體💃顆🌈粒對凸型孔(kǒng)闆造成的沖蝕磨(mó)損行爲最弱。結論(lun)大顆粒對孔闆的(de)沖蝕磨損比較嚴(yan)🔱重，在孔闆計量過(guò)程中應嚴格注意(yi)。在流體中存在大(da)量大顆粒時，采用(yong)凸型孔闆流量計(jì)能有效改善沖蝕(shi)磨損情況。
　　沖蝕磨(mo)損是管道系統面(mian)臨的最嚴重失效(xiao)情況之一，嚴🏒重的(de)沖蝕磨損甚至會(hui)造成管道洩漏失(shi)效。大🐉量的實驗及(jí)數值模🏃‍♀️拟結果顯(xian)示在典型管件處(chù)（如彎管、T型管、盲通(tong)管、變徑管及閥門(men)等）易産生沖蝕磨(mo)損失效。在集輸管(guǎn)道系統中，安裝和(hé)使用孔闆流量🔴計(ji)會造成管🐉徑的變(biàn)化。當流體中含有(yǒu)固體顆粒時，會使(shi)這種變徑管産生(shēng)嚴重的沖蝕磨損(sun)，從而導緻🌍孔闆流(liu)量計産生形變，流(liú)量計出流系數發(fa)生改變，流量測量(liàng)精度受到影響。因(yin)此，流量計的安裝(zhuāng)和使用造成的液(ye)固沖蝕問題應當(dāng)💛得到足夠重視。
　　爲(wèi)了研究各種參數(shu)對沖蝕磨損速率(lǜ)的影響，大量學🐇者(zhe)運用實驗及數值(zhí)模拟方法探究了(le)管徑突變♋處的🈲液(ye)固沖蝕🌈磨損問題(tí)。運用數值模拟的(de)方法探究了變徑(jing)管處⁉️液固兩相沖(chong)蝕問題，得到了入(ru)口液相速度、顆粒(lì)粒徑及收縮比等(deng)參數對變徑管處(chù)沖蝕磨損速率的(de)影響。運用數值模(mo)拟的方法探究了(le)固體顆粒對閘閥(fa)的沖蝕磨損🏒問題(ti)，得到了入口主相(xiang)速度和顆粒粒徑(jing)大小對沖蝕速率(lü)的影響，并與❄️實際(ji)工程中閘閥壁面(miàn)的沖蝕磨損情況(kuang)進行了對比，得到(dao)了良好的拟合效(xiào)果。運🤩用數值模拟(nǐ)方法探究了液固(gu)兩相流對突擴突(tū)縮管段的沖蝕磨(mó)損情況，預測了沖(chong)💋蝕磨損發生的位(wèi)置。運用實驗及數(shù)值仿真方法探究(jiu)了固體顆粒對🔴突(tū)擴突縮管段的沖(chòng)蝕磨損情況。除此(cǐ)之外也探究了流(liú)體參數對變徑管(guǎn)處沖蝕磨損🎯行爲(wèi)的影響。
　　對于在 差(chà)壓型流量計 計量(liang)液固兩相流工藝(yì)中，固體顆粒對流(liú)量計沖蝕磨損的(de)❌探究有運用DPM模型(xing)探究了固體顆粒(lì)對孔闆壁面産生(shēng)的沖蝕磨✂️損問題(ti)，獲得了入口液相(xiang)速度🥵、固體顆⛷️粒粒(lì)徑🥰等參數對最大(dà)沖蝕速率的影響(xiang)。運用DPM模型對☀️多個(ge)孔闆流量計串聯(lian)時，固體顆粒對孔(kǒng)闆壁面産生的沖(chong)蝕磨損情況進行(háng)數值模拟探究🈲，得(de)到了入口液相速(sù)度、固體顆粒粒徑(jing)等參數✊對最大沖(chong)蝕速率的影響，并(bìng)比較了幾個孔闆(pan)處沖蝕磨損速率(lǜ)的大小。探究‼️固體(ti)顆粒粒徑對沖蝕(shí)磨損的影響，除了(le)要考慮粒徑本身(shen)變化外，還應考慮(lǜ)流經的顆粒數量(liàng)[9]。然而，國内外學者(zhě)進行液固兩相流(liu)對孔闆流量計沖(chong)刷腐蝕數🙇🏻值模拟(ni)探究時，一般隻考(kao)慮粒♻️徑本身變化(hua)的影響而忽視了(le)流經管道的顆粒(lì)數量這🌈一因素。
針(zhen)對以上問題，筆者(zhe)運用DPM模型對孔闆(pǎn)流量計的沖蝕磨(mo)損🔴問題進行了數(shù)值模拟探究：1）預測(cè)了固體顆粒在孔(kǒng)闆💃🏻壁面🤩上的沖蝕(shí)位置，有利于綜合(hé)現有的檢測技術(shu)進行漏點檢🆚測，從(cong)而避免盲目檢測(cè)導緻的資源浪費(fei)；2）探究了😄入口流速(sù)、固體顆粒粒徑對(duì)最大沖蝕速率的(de)影響，同時，分析了(le)等數量不同粒徑(jìng)😍的固體顆粒對孔(kǒng)闆流量計最大沖(chòng)蝕速率的影響，有(you)利于探究液固兩(liang)相流⛷️對變徑管☁️處(chu)的沖蝕磨損行爲(wèi)，并對油氣開采和(hé)運輸的安全進行(háng)提供了指導建議(yi)；3）與✉️文獻[10]中提出的(de)幾種孔闆流量計(ji)計量液✏️固兩相流(liú)流量時🌈發生的沖(chòng)蝕磨損速率進行(hang)對比☂️，得出了最優(you)防沖蝕孔闆，爲管(guǎn)道結構優化及孔(kǒng)闆流量計工藝改(gai)進提供相應的理(li)論依據。
1數值模拟(ni)及邊界條件
1.1幾何(he)模型及邊界條件(jian)
　　經典孔闆流量計(ji)的安裝和使用易(yì)造成管徑突縮，在(zài)孔闆前出😍現死區(qu)，且固體顆粒沖擊(jī)管道壁面的作用(yong)較強🤟。本研究試圖(tu)通過改變孔闆的(de)流通形式，采取特(te)♈殊的流線型過渡(dù)，以減小沖蝕磨損(sǔn)速率。現有的孔闆(pan)流量計改進模型(xíng)如圖1所示。其中，a、b、c、d分(fèn)别爲标準孔闆、加(jiā)厚孔闆、凹流線形(xíng)孔闆和凸流線型(xing)孔🏃🏻‍♂️闆。安裝流量😘計(jì)🌈的管道管徑D均🔱爲(wèi)100mm，流量計的開🤞孔比(bǐ)例均爲1:2。數值計算(suàn)中考慮湍流尺度(dù)效應，孔闆上遊及(jí)下遊管段均選取(qu)爲10D。經計算，所有邊(biān)界條件下的管内(nei)流體🥰均爲湍流狀(zhuàng)态。爲了能夠準确(que)地計算固體顆粒(li)對典型管🏃🏻件的沖(chòng)♍蝕磨損，對流量🌈計(jì)的各個😘壁面都進(jìn)行🔞加密處理，而🌐沿(yán)流體流動方向的(de)網格🏃🏻‍♂️節點數較稀(xī)疏，這樣可以節約(yue)✂️計算資源，提高計(ji)算效率。
　　不同類型(xing)的孔闆流量計内(nei)的多相流介質由(yóu)油相和固㊙️體沙粒(li)🍓組成。考慮理想狀(zhuang)态，固體沙粒均爲(wei)标準球體顆💔粒。多(duo)⭐相流介質的組成(cheng)及物性參數如表(biao)1所示。


1.2計算模型
　　根據(jù)孔闆流量計測量(liàng)管道中流體流量(liàng)時管道的運行工(gong)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼況、流體組成和介(jie)質參數等的變化(huà)情況，筆🈲者選✉️取N-S方(fāng)程組、K-∈模型以及沖(chòng)蝕磨損模型對沖(chòng)刷腐蝕行爲進行(háng)數值求解。流體域(yù)選取Velocity入口和Outflow出口(kǒu)，壁面邊界條👉件設(she)置爲無滑移邊界(jie)。
标準K-∈方程如式（1—2）所(suo)示。

　　影響壁面沖蝕(shí)速率的因素有很(hěn)多，如粒子直徑、粒(li)子與㊙️壁面🔆的沖擊(jī)角、粒子相對速度(dù)、顆粒撞擊壁面💚的(de)表面積等。爲了準(zhun)确預測沖蝕信息(xī)，沖蝕預測模型應(yīng)當盡量地包含更(geng)多的影🔴響因素。本(běn)研究所運用的DPM模(mó)型考慮的影響因(yin)素具體描述爲：

　　式(shì)中：pm爲顆粒質量；C(dp)爲(wèi)粒子粒徑函數，選(xuǎn)取1.810－9；v爲相對粒子速(su)度♉；b(v)爲粒💚子相對速(sù)度的函數，選取2.6。α爲(wèi)粒子路徑與壁面(miàn)的沖擊⚽角度；f(α)爲沖(chong)擊角的函數。沖擊(jī)角度的函數f(α)采用(yòng)線性分段函數來(lái)描述，文獻[11]通過激(ji)波脈沖式沖蝕磨(mo)損實驗⭐獲得了典(diǎn)型鋼材的沖蝕角(jiao)度🙇🏻函數，當沖擊角(jiǎo)度α分别爲0°、20°、30°、45°、90°時，壁面(miàn)反彈系數分别爲(wei)0、0.8、1、0.5、0.4。Aface爲顆粒撞擊⛹🏻‍♀️壁面(miàn)的單元表面積。
　　由(yóu)于固體顆粒和壁(bi)面碰撞的方程非(fei)常複雜，工程上定(ding)義了彈性恢複系(xì)數來表征顆粒與(yǔ)孔闆壁面碰撞前(qián)後固體🌐顆粒🐇動量(liàng)的變化。固體顆粒(lì)與孔闆壁面的碰(peng)撞反彈情況如圖(tu)2所示。

　　彈性(xìng)恢複系數爲固體(tǐ)顆粒與孔闆壁面(miàn)碰撞後速度與碰(peng)撞前速度的比值(zhi)。法向和切向反彈(dan)系數都等于1，說明(míng)固體顆粒撞擊壁(bì)面之後沒有能量(liàng)損失；法向反彈系(xì)數和切向反彈系(xi)數都等于0，說明固(gu)體顆粒撞擊壁面(mian)之後損失了所有(yǒu)能量。當顆粒撞擊(ji)壁面後，顆粒會損(sǔn)失部分能量，并以(yǐ)低💃🏻于沖擊速度的(de)速度以及一定反(fan)射角進行🙇🏻運動，這(zhe)一現象用反彈系(xì)數來🤩表征，反彈系(xi)數分爲法向反彈(dan)系數和切向反彈(dan)系數，本計算中反(fǎn)彈系數的定義🐕如(ru)式（4—5）所示。

2數值分析(xī)與結果
2.1入口液相(xiàng)速度對最大沖蝕(shi)速率的影響
　　入口(kǒu)液相速度對不同(tóng)種類孔闆流量計(ji)壁面最大沖蝕磨(mó)損速率的影響如(rú)圖3所示，顆粒粒徑(jìng)均爲350μm。由圖可知，在(zài)孔闆流量計安🔞裝(zhuāng)的突縮段易産生(sheng)沖蝕失效。這歸因(yīn)于在孔闆流量計(jì)的收縮階段，固體(tǐ)顆粒撞擊孔闆壁(bì)面導緻運動軌迹(jì)發生突🐅變，固體顆(kē)粒切削壁面材料(liao)産生沖✍️蝕磨損現(xian)象。随着速度的增(zeng)大，固體顆🌈粒對不(bu)同類型孔闆流量(liàng)計造成👣的最㊙️大沖(chong)蝕速率和沖蝕磨(mo)損面積都呈現遞(di)增趨勢。這與文獻(xian)[12]所研究的結🐆果相(xiàng)似。這主要歸因于(yú)兩個方面：一是由(yóu)于液體攜砂過程(cheng)中，液固兩相之間(jian)🔞存在☎️相互作用，入(ru)口液相速度增大(da)導緻固體顆粒撞(zhuàng)擊⭕管道壁面時以(yi)及從管道壁面反(fǎn)彈之後都具有更(geng)大的動量；二是入(rù)口液相速度㊙️增大(da)導緻固體顆粒🔞沖(chòng)擊孔闆🔞壁面的頻(pin)率增大。
　　圖4爲不同(tóng)結構的孔闆流量(liàng)計在相同速度條(tiao)件下發生沖蝕磨(mo)損的對比曲線。如(rú)圖所示，在相同邊(bian)界條件🛀🏻下，固體顆(ke)粒對凹型孔闆流(liú)量計壁面的沖蝕(shi)磨損速🔞率最大，對(dui)經典孔闆流量計(ji)和延長孔闆流🛀量(liàng)計壁面的沖蝕磨(mó)🔅損速率次之，對凸(tū)型孔闆的最大沖(chòng)蝕磨損率最小。


2.2顆粒粒(li)徑對最大沖蝕速(sù)率的影響
　　研究固(gu)體顆粒質量流量(liang)及入口液相速度(du)一定時，固🆚體顆粒(lì)粒🔞徑對不同類型(xíng)孔闆流量計最大(da)沖蝕速率的影響(xiang)，結果如圖5所示。入(rù)口液相速度保持(chi)爲🍓10m/s，固體顆🥵粒粒徑(jìng)分别爲100、150、200、250、300、350、400μm。在孔闆流(liu)量計的收縮段易(yi)🍓發生嚴重的沖刷(shuā)腐蝕行爲。随着固(gù)體顆粒粒徑的✏️增(zēng)加，液固兩相流對(dui)不同😄類型孔闆流(liu)量計管材的💃🏻最大(dà)沖蝕速率均呈現(xiàn)下降趨勢。這主要(yao)是因爲一方面，在(zài)固體顆粒質量流(liu)量相等的工況下(xia)，顆粒粒徑🤞增大使(shi)撞擊孔闆壁面的(de)固體顆粒粒子數(shù)目減🔞少；另一方面(mian)，粒子軌迹、沖擊速(su)度和沖擊角度均(jun1)受到顆粒粒徑變(bian)化的影響[13]。這可以(yi)說明固體顆粒質(zhi)🌈量流量相等時，流(liú)體中固體⛱️顆粒粒(lì)徑增加會使給定(dìng)位置處的沖蝕磨(mo)損速率顯著降低(di)。

　　圖6爲等質量流量(liang)、不同粒徑時不同(tong)結構的孔闆流量(liang)📞計發生💘沖蝕磨損(sǔn)情況的對比曲線(xian)。圖示可知，在相同(tóng)邊界👉條件下，固體(tǐ)顆💯粒對凹型孔闆(pan)流量計壁面的沖(chong)蝕磨損🥵速率最大(da)，固體🥰顆粒對經典(dian)孔闆流量計和延(yán)🌏長孔闆流量計壁(bi)面的沖蝕磨損速(sù)率次‼️之，凸型孔闆(pǎn)所承受的最大沖(chong)蝕磨損🐅量最小。

　　研(yan)究單位時間内流(liu)過孔闆流量計的(de)固體顆粒數目🐕和(he)入口液相速度一(yī)定時，固體顆粒粒(lì)徑對不同類型孔(kong)闆🔴流量計最大沖(chong)蝕速率的影響，結(jié)果如圖🏃‍♀️7、8所示。入口(kou)液相速度保持爲(wei)10m/s，流經管道的顆粒(li)數量💃爲1.27×109個/s，固體顆(ke)粒粒徑分别爲6.25、12.5、25、50、100μm。結(jie)果顯示，當固體顆(ke)粒粒徑＜12.5μm時，幾種孔(kong)闆的最大沖蝕速(sù)率均較小。此時，液(yè)體攜砂對孔闆流(liú)量計的沖蝕量小(xiao)，并且随着🧡固體顆(kē)粒粒徑👣的增加，磨(mó)損速率增加，但是(shi)增加趨勢較緩。而(ér)凹形孔闆在固體(ti)顆粒粒徑＞25μm時，沖🏃蝕(shí)磨損速率‼️急劇增(zeng)加，固體顆粒粒徑(jìng)12.5～25μm爲其沖蝕量加劇(ju)的臨界區間。其餘(yú)三種孔闆雖未呈(chéng)現這種臨界區間(jian)的規律，但随着粒(lì)徑的增大，沖☔蝕磨(mó)損速率也都呈增(zeng)加趨勢，對節流設(shè)備的損害逐漸💜加(jiā)重，應采用可靠手(shou)🌈段進行防🏃‍♂️範。此外(wai)，在入口液相速度(du)、質量流量及顆粒(li)粒徑相等時，凹型(xíng)孔闆流量計的沖(chong)蝕磨損率最大，經(jīng)典孔闆流量計及(jí)延長型孔闆流🌍量(liang)計的次之，凸型孔(kǒng)闆流量計的最小(xiao)。


　　以上分析說明，當(dang)單位時間内流經(jing)孔闆流量計的固(gu)體顆粒數目相同(tong)時，固體顆粒粒徑(jìng)增大導緻固體顆(kē)粒的質量流量随(sui)之增大。因此，固體(ti)顆粒的質量流量(liang)也是磨🌈損的重要(yào)影響💁因素，固㊙️相質(zhi)量流量越大，沖蝕(shi)磨損越嚴重。
3結論(lùn)
1）孔闆流量計在計(jì)量管道輸送液固(gù)兩相流時，固體顆(kē)粒沖🧑🏾‍🤝‍🧑🏼擊管道壁面(mian)，沖蝕現象易發生(sheng)在孔闆流量計的(de)管道突縮位置♉。
2）随(sui)着入口主相流體(ti)速度增大，液體攜(xié)砂對孔闆流量計(ji)🌈壁面造成的最大(da)沖蝕速率增大。等(deng)質量流量時，随着(zhe)入🏃‍♀️口固體顆粒粒(lì)🏃🏻徑增大，液體攜砂(sha)造成的☁️最大沖蝕(shi)速率☀️減小。
3）管道輸(shu)送的液體攜帶等(deng)數量固體顆粒沖(chòng)擊孔闆流量計壁(bì)面時，固體顆粒對(dui)孔闆壁面造成的(de)最大沖蝕🙇🏻速率随(sui)着固體顆粒粒徑(jing)的增加而增大。
4）在(zài)相同邊界條件下(xià)，固體顆粒對凹型(xing)孔闆流量計壁面(miàn)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的沖蝕破壞最嚴(yan)重，對經典孔闆流(liú)量計和延長孔闆(pǎn)流♻️量計壁面的沖(chong)蝕破壞次之，對凸(tu)型孔闆的沖蝕破(po)壞最🥵小。因此，在固(gu)體🍉顆粒質量流量(liang)增加以及粒徑增(zeng)大時，采用凸型孔(kong)闆流量計有利于(yú)減小沖蝕磨損對(duì)流量計的破壞。

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