摘要：目(mu)的探究在管輸液(yè)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(yè)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(ce)孔闆流量計在液(ye)🆚固兩相流體流量(liang)計量工藝中易發(fā)生沖蝕磨損的區(qu)域。探究入口液相(xiàng)速度、固體顆粒粒(li)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(guan)輸液固兩相流體(ti)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(guo)在孔闆流量計的(de)🌈突縮管段易産🌂生(sheng)嚴重的液固沖蝕(shí)失效，最大沖蝕速(su)率随着液相入口(kou)速度的增大而增(zeng)加。當固體顆粒的(de)質量流量相等💔時(shi)，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(pan)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(mo)損行爲最弱。結論(lùn)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(yì)😄。在流體中存在大(da)量大顆粒時，采用(yòng)凸型孔闆流量計(ji)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(xiào)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(ji)數值模拟結果顯(xiǎn)示在典型管件處(chu)（如彎管、T型管、盲通(tōng)管、變徑管及閥門(men)等）易🛀🏻産生沖蝕磨(mó)損失效。在集輸管(guǎn)道系統中，安裝和(he)使用孔闆流量計(jì)會造成管🌏徑的變(bian)化。當流體中含有(you)固體顆粒時🐪，會使(shǐ)這種變徑🔅管産生(shēng)嚴重的🤟沖蝕磨損(sǔn)，從而導緻孔闆流(liú)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(yīn)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(wei)了研究各種參數(shu)對沖蝕磨損速率(lǜ)的影響，大量學者(zhě)✔️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(ti)❤️。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(děng)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(jìng)大小對沖蝕速率(lü)的影響，并與實際(jì)工程中閘閥壁面(miàn)的沖蝕磨損情況(kuàng)進行了對🍉比，得到(dào)了良好的拟合效(xiao)果。運☎️用數值模拟(ni)方法探究了液固(gù)兩相流對突擴突(tū)縮管段的沖🐇蝕磨(mó)損情況，預測了沖(chòng)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(chong)💰蝕磨損情況。除此(cǐ)之外也探究了流(liu)體♉參數對變徑管(guan)處沖蝕磨損💜行爲(wèi)的影響。
　　對于在 差(cha)壓型流量計 計量(liàng)液固兩相流工藝(yì)中，固體顆粒對流(liu)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(tí)，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(lián)時，固體顆粒對孔(kǒng)闆壁面産生🏃🏻‍♂️的沖(chòng)蝕磨損情況進行(háng)數值模拟探究🙇‍♀️，得(dé)到了入口液相速(su)度、固體顆粒粒徑(jing)等參數對最大沖(chòng)蝕速率的影響，并(bing)比較了幾個孔闆(pǎn)處沖蝕磨損速率(lǜ)的大小。探究固體(ti)顆粒粒徑對🔞沖蝕(shi)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(liang)[9]。然而，國内外學者(zhě)進行液固💘兩相流(liú)對孔闆流量計沖(chòng)刷腐蝕數值模拟(nǐ)探究時，一般隻考(kǎo)㊙️慮粒徑本身變化(huà)的影響而忽視了(le)流經管道的顆粒(li)數量這一因素。
針(zhen)對以上問題，筆者(zhě)運用DPM模型對孔闆(pǎn)流量計的沖📞蝕磨(mo)❌損問題❤️進行了數(shu)值模拟探究：1）預測(cè)了固體顆粒在孔(kong)闆壁面上的沖蝕(shi)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(ce)導緻的資源浪費(fèi)；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(jing)的固體顆粒對🌈孔(kong)闆流量計最大沖(chong)蝕速率的影響，有(you)利于探究液固兩(liang)相流對變徑管處(chù)的沖蝕磨損☁️行爲(wei)，并對油氣開采和(hé)運輸的安全進行(háng)提供了指導建議(yì)；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(chong)蝕磨損速率🏃進行(hang)對比💋，得出了最優(yōu)防沖蝕孔闆，爲管(guǎn)道結構優化及孔(kong)闆流量計工藝改(gǎi)進提供相應的理(li)論依據。
1數值模拟(nǐ)及邊界條件
1.1幾何(he)模型及邊界條件(jiàn)
　　經典孔闆流量計(jì)的安裝和使用易(yì)造成管徑突縮，在(zai)孔🐪闆前出現死區(qu)，且固體顆粒沖擊(jī)管道壁面的作用(yòng)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(sun)速率。現有的孔闆(pǎn)流量計改🐇進模型(xing)如圖1所示。其㊙️中，a、b、c、d分(fen)别爲标準孔闆、加(jia)厚孔闆、凹流線形(xíng)孔闆和凸流線型(xing)孔闆。安裝流量計(ji)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(ji)✍️下遊管段均選取(qu)✊爲10D。經計算，所有邊(bian)界條件下的管内(nei)流體🤞均爲湍流狀(zhuang)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(ji)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(jì)算效率。
　　不同類型(xing)的孔闆流量計内(nei)的多相流介質由(you)油相💰和固體沙粒(lì)組成。考慮理想狀(zhuang)态，固體沙粒均爲(wèi)标準球體顆粒。多(duō)相流介質的組成(cheng)及物性參數如表(biǎo)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(liang)時管道的🙇🏻運行工(gong)況、流體組成和介(jiè)質參數等的變化(huà)情況，筆者選取N-S方(fang)程組🧡、K-∈模型以及沖(chong)蝕磨損模型對沖(chong)刷腐蝕行爲進行(hang)數值求解。流體域(yu)🛀選取Velocity入口和Outflow出口(kǒu)，壁🔞面邊界條件設(shè)置爲無滑移邊界(jiè)。
标準K-∈方程如式（1—2）所(suǒ)示。

　　影響壁面沖蝕(shí)速率的因素有很(hen)多，如粒子直徑、粒(lì)子與壁面✏️的沖擊(jī)角、粒子相對速度(du)、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(gèng)多的影響因素。本(běn)研究所運用的DPM模(mo)型考慮的影響因(yin)素具體描述爲🤟：

　　式(shi)中：pm爲顆粒質量；C(dp)爲(wei)粒子粒徑函數，選(xuǎn)取1.810－9；v爲相對粒子🏃‍♀️速(sù)💚度♊；b(v)爲粒🔆子相對速(sù)度的函數，選取2.6。α爲(wei)粒子路徑與壁面(miàn)的沖擊角度🔆；f(α)爲沖(chòng)擊角的函數。沖擊(ji)角度的函數f(α)采用(yong)線性分段函數來(lái)描述，文獻[11]通過激(jī)波脈沖式沖蝕磨(mo)損實驗獲得了典(diǎn)型鋼材的沖蝕角(jiǎo)度♉函數，當沖擊角(jiǎo)度α分别爲0°、20°、30°、45°、90°時，壁面(mian)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(bì)面碰撞的方程非(fei)常複雜，工程上♌定(dìng)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(pèng)撞反彈情況如圖(tu)2所示。

　　彈性(xìng)恢複系數爲固體(ti)顆粒與孔闆壁面(miàn)碰撞後速度與碰(pèng)🤩撞🌈前♊速度的比值(zhí)。法向和切向反彈(dàn)系數都等于1，說明(ming)固體🔴顆粒撞擊壁(bi)面之後沒有能量(liang)損失❄️；法向反彈系(xi)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(you)能量。當🌂顆粒撞擊(jī)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(fǎn)射角進行運動，這(zhè)一現象用反⁉️彈系(xì)數來表征，反彈系(xi)數分爲法向☔反彈(dàn)系數和切向反彈(dàn)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(xi)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(kou)液相速度對不同(tóng)種類孔闆流量計(ji)壁面最大🥰沖蝕磨(mo)損速率的影響如(ru)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(zhuang)的突縮段易産生(sheng)沖蝕♻️失效。這👄歸因(yin)于在孔闆流量計(jì)的收縮階段，固體(ti)顆粒撞擊孔闆壁(bì)面導緻運動軌迹(ji)發生突變，固體顆(ke)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(liang)計造成的最大沖(chòng)蝕速✔️率和沖蝕磨(mó)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(you)于液體攜砂過程(cheng)中，液固兩相之間(jiān)存在相互作用，入(rù)口液💜相速度🔞增大(da)導緻固體顆粒撞(zhuang)擊🌂管道壁面時以(yǐ)及從管道壁面反(fǎn)彈之後都具有更(gèng)大的動量；二是入(rù)口液相💋速度🧑🏾‍🤝‍🧑🏼增大(dà)導緻固體顆粒沖(chong)擊孔闆壁面的頻(pin)率增大。
　　圖4爲不同(tóng)結構的孔闆流量(liang)計在相同速度條(tiao)件下發🧡生🈚沖蝕🔅磨(mo)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻損的對比曲線。如(ru)圖所示，在相同邊(bian)界條件📧下，固體顆(kē)粒對♌凹型孔闆流(liú)量計壁面的沖蝕(shí)磨損速率最大，對(duì)經典孔闆流👌量計(jì)和延長孔闆流‼️量(liang)計壁面的沖蝕磨(mó)損速率次之，對凸(tu)型✏️孔闆的最大沖(chòng)蝕磨損㊙️率最小。


2.2顆粒粒(lì)徑對最大沖蝕速(sù)率的影響
　　研究固(gù)體顆粒質量流量(liàng)及入口液相速度(du)一定時，固體✌️顆粒(li)粒徑對不同類型(xing)孔闆流量計最大(da)沖蝕速率的影響(xiang)，結果如圖5所🚩示。入(ru)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(liú)量計的收縮段易(yi)發生嚴重的沖刷(shuā)腐㊙️蝕行爲。随着固(gu)體顆粒粒徑的㊙️增(zeng)加，液固兩🏃相流對(dui)不同類型孔闆流(liu)👄量計管材的最大(da)沖蝕速率均呈現(xian)下降趨勢。這主要(yao)是因爲一方面，在(zai)固體顆粒質量流(liú)量相等的工況下(xia)，顆粒粒徑增大使(shǐ)撞擊孔闆🎯壁面的(de)固體顆粒粒子數(shu)目減少；另一方面(mian)，粒子軌迹、沖擊速(sù)❓度和沖擊角度🤟均(jun)受到顆粒粒徑變(biàn)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(ding)位置處的沖蝕磨(mo)損速率顯著㊙️降低(dī)。

　　圖6爲等質量流量(liàng)、不同粒徑時不同(tóng)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(tong)邊界條件下，固體(ti)顆粒對凹型孔闆(pǎn)流量計壁面的沖(chong)蝕磨損速率最💛大(dà)，固體🐉顆粒對經典(diǎn)孔闆流量計和延(yan)長孔闆流量計壁(bi)面💋的沖蝕磨損速(su)率次之，凸型孔闆(pǎn)所承受的最♉大沖(chong)蝕磨損量最小。

　　研(yán)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(kǒu)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(jié)果顯示，當固體顆(kē)粒㊙️粒徑＜12.5μm時，幾種孔(kǒng)闆的最大沖蝕速(sù)率均較小。此時，液(ye)🏃‍♀️體攜砂對孔闆流(liu)量計的沖蝕量小(xiǎo)，并且随着固體🔞顆(ke)粒粒徑的增加，磨(mó)損速率增加，但🌈是(shì)增加趨勢較緩。而(er)凹形孔闆在固體(ti)顆粒粒徑＞25μm時，沖蝕(shi)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(yu)三種孔闆雖未呈(cheng)現這種臨界區間(jian)的規律，但随着粒(li)🏃‍♀️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(lì)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(liàng)計的次之，凸型孔(kǒng)闆流量計的最小(xiǎo)。


　　以上分析說明，當(dang)單位時間内流經(jīng)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(suí)之增大。因此，固體(tǐ)顆粒的質量流量(liang)也是磨損的重要(yao)影響因素，固相質(zhì)量流量越大，沖蝕(shí)磨損越嚴重。
3結論(lun)
1）孔闆流量計在計(ji)量管道輸送液固(gu)兩相流時，固體顆(ke)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(suí)着入口主相流體(tǐ)速度增大，液體攜(xié)砂對孔闆流📧量計(jì)壁面造成的最大(da)沖蝕速率增大。等(děng)質量流量時，随着(zhe)入口固體顆粒粒(li)🌍徑增大，液體攜砂(sha)造成的最大沖蝕(shí)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(duì)孔闆壁面造成的(de)最大沖蝕速率随(suí)着♌固體顆粒粒徑(jing)的增加而增大。
4）在(zai)相同邊界條件下(xia)，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(liu)量計和延☂️長孔🧡闆(pǎn)流量計壁面的沖(chòng)蝕破壞次之，對凸(tū)型孔闆的沖蝕💁破(pò)壞最小。因此，在固(gu)體顆粒質量流量(liàng)增加以及粒徑增(zēng)大時，采用凸型孔(kong)🆚闆流量計有利于(yú)減✂️小沖蝕磨損對(dui)流量計的破壞。

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