摘要(yào)：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(zao)成的沖蝕磨(mo)損。方法運用(yong)基于歐拉-拉(lā)格朗日算法(fǎ)的DPM模型，對液(yè)固兩相流體(ti)計量工藝中(zhōng) 孔闆流量計(jì) 的沖蝕問題(tí)進行數值仿(pang)真，預測孔闆(pǎn)流量計在液(yè)固兩相流體(tǐ)流量計量工(gōng)藝中易發生(shēng)沖蝕磨損的(de)🚶區域。探究入(ru)口液相速度(dù)、固體顆粒粒(lì)徑以及等數(shu)量顆粒❗沖擊(jī)壁面時，固體(ti)顆粒🐕粒徑對(duì)😄孔闆最大沖(chong)蝕速率的影(ying)響，并對比管(guǎn)輸液固兩相(xiang)流體時，固體(tǐ)🔞顆粒粒徑對(dui)不同形狀的(de)📱孔闆造成的(de)🤩沖蝕磨損速(sù)率大小。結果(guǒ)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(suí)着液相入口(kǒu)速度的增大(dà)而增加。當固(gu)體顆粒的質(zhì)量流量相等(děng)時，最大沖蝕(shi)速率随着顆(kē)粒粒徑的增(zēng)加而減小；當(dāng)單位時間内(nèi)流經孔闆的(de)固體顆粒數(shù)量相等時，沖(chòng)蝕磨損速率(lǜ)随着固體顆(ke)粒粒徑的增(zēng)加而增大。在(zài)液固兩相流(liu)管道體系中(zhong)，固體顆💔粒對(duì)凸型孔闆造(zao)成的沖蝕磨(mó)損行爲最弱(ruo)。結論大顆粒(li)對孔闆的沖(chòng)蝕磨損比較(jiao)嚴重，在✂️孔闆(pǎn)計量過程中(zhōng)應嚴格注意(yì)。在流體中存(cun)在大量大顆(kē)粒時，采用凸(tu)型孔闆流量(liang)計能有效改(gǎi)善沖蝕磨損(sǔn)情況。
　　沖蝕磨(mo)損是管道系(xì)統面臨的最(zui)嚴重失效情(qing)況之一，嚴重(zhong)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(mó)拟結果顯示(shì)在典型管件(jian)處（如🌐彎管、T型(xing)管、盲通管、變(bian)徑🥵管及閥門(men)等）易産生沖(chòng)蝕磨🌈損失效(xiào)。在集輸管道(dao)🈲系統中，安裝(zhuang)和使用孔闆(pǎn)流量計會造(zào)成管🧑🏽‍🤝‍🧑🏻徑的變(bian)化。當流體中(zhōng)含有固體顆(ke)粒時，會使這(zhè)種變徑管産(chan)生嚴重的🚶‍♀️沖(chong)蝕磨損，從而(ér)導緻孔闆流(liú)量計産生🌍形(xíng)變，流量計出(chu)流系數發生(sheng)改變，流量測(ce)量精度受到(dào)影響。因此，流(liú)量計🔞的安裝(zhuāng)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(ge)種參數對沖(chong)蝕磨損速率(lü)的影響，大量(liang)✏️學者運用🔞實(shí)驗及數值模(mó)拟方法探究(jiū)了管徑突變(bian)處的液固沖(chong)蝕磨損問題(tí)。運用數值模(mó)拟的方法探(tan)究了變徑管(guan)處液固兩相(xiang)沖蝕問題，得(dé)到了入口液(yè)♊相速度、顆粒(lì)粒徑及收縮(suō)比等參數對(duì)變徑管處沖(chong)蝕磨損速率(lǜ)的影響。運用(yong)數值模拟的(de)方法探究了(le)固體顆粒對(duì)閘🈲閥的沖蝕(shi)磨損🈲問題，得(dé)到了入口主(zhǔ)🎯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(zhong)閘閥壁♈面的(de)沖蝕磨損情(qing)況進行了對(duì)比，得到了良(liang)好的拟合效(xiao)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(yong)實驗及數值(zhí)🥰仿真方法探(tàn)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(yě)探究了流體(tǐ)參數對變徑(jing)♌管處沖蝕磨(mo)損行爲的影(yǐng)響。
　　對于在 差(chà)壓型流量計(jì) 計量液固兩(liang)相流工藝中(zhong)，固體顆粒對(dui)流量計沖蝕(shi)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(wèn)題，獲得了入(rù)口液相速度(dù)、固體顆粒粒(li)徑等參數對(dui)最大⛷️沖蝕速(su)🛀🏻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(sheng)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(jing)等參數對最(zuì)大沖蝕速率(lǜ)的影🌍響，并比(bi)較了幾個孔(kong)闆處沖蝕磨(mo)損速率的大(dà)小。探究固體(tǐ)顆粒粒徑對(dui)沖蝕磨損的(de)影響，除了要(yào)考慮粒徑本(běn)身變化外，還(hái)應考慮流經(jing)的顆粒數量(liang)[9]。然而，國内外(wài)學者進行液(yè)固兩相流對(dui)🏃‍♀️孔闆流量計(jì)沖刷腐蝕數(shù)值模拟探究(jiū)時，一般隻考(kǎo)慮粒徑本身(shen)變化的影響(xiang)✊而忽視了流(liú)經管道的顆(kē)粒數量這一(yi)因素。
針對以(yi)上問題，筆者(zhě)運用DPM模型對(dui)孔闆流量計(ji)的沖蝕💋磨損(sun)問題進行了(le)數值模拟探(tàn)究：1）預測了固(gu)體顆粒在♉孔(kǒng)闆壁面上的(de)沖蝕位置，有(you)利于綜合現(xiàn)有的檢測技(jì)術進行👣漏點(diǎn)檢測，從而⁉️避(bì)免盲目檢測(cè)導緻的資源(yuan)浪費；2）探究了(le)入口流速、固(gù)體顆粒粒徑(jìng)對最大沖蝕(shi)速率的影響(xiǎng)，同時🈲，分析了(le)等數量不同(tong)粒徑的固體(tǐ)顆粒對孔闆(pǎn)流量計最大(da)沖蝕速率的(de)影響，有利于(yú)探究液固兩(liang)相流對變徑(jìng)管處的沖蝕(shi)磨損行爲，并(bing)對油氣開采(cai)🐉和運輸的安(ān)全進行提供(gong)了指導建議(yi)；3）與文獻[10]中提(tí)出的幾種👌孔(kǒng)闆流量計計(ji)☀️量液固兩相(xiang)流流量時發(fa)生的沖蝕磨(mo)損速率進行(hang)對比，得出了(le)最優防沖蝕(shi)孔闆，爲管道(dào)結構優化及(jí)孔闆流量計(jì)工藝改進提(ti)供相應的理(li)論依據。
1數值(zhi)模拟及邊界(jie)條件
1.1幾何模(mo)型及邊界條(tiáo)件
　　經典孔闆(pǎn)流量計的安(ān)裝和使用易(yi)造成管徑突(tu)縮，在孔闆前(qián)出現死區，且(qiě)固體顆粒沖(chòng)擊管道壁面(miàn)的作用較強(qiang)。本研究試圖(tú)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(lü)。現有的孔闆(pǎn)流量計改進(jin)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(āo)流💋線形孔闆(pǎn)和凸流線型(xíng)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(kǒng)比例均爲1:2。數(shù)值計算中考(kǎo)慮👣湍流尺度(dù)效應，孔闆上(shàng)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(ti)🌐均爲湍流狀(zhuàng)态。爲了😍能夠(gòu)準确地計算(suan)固體顆粒對(duì)典型管件的(de)沖🥰蝕磨損，對(dui)流量📧計的各(gè)個壁面都進(jin)行🌏加密處理(lǐ)，而沿流體流(liú)動方向的網(wang)格節點數較(jiao)稀疏，這樣可(ke)以節約計🆚算(suàn)資源，提高計(ji)算效率。
　　不同(tóng)類型的孔闆(pan)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(zǔ)成及物性參(can)數如表1所示(shì)。


1.2計算(suan)模型
　　根據孔(kǒng)闆流量計測(cè)量管道中流(liu)體流量時管(guǎn)道的運行工(gōng)況、流體組成(chéng)和介質參數(shu)等的變化情(qing)況，筆🤩者選取(qu)N-S方程組、K-∈模型(xíng)以及沖蝕磨(mo)損模型對沖(chong)刷腐蝕行爲(wèi)進行數💔值求(qiú)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(xiǎng)壁面沖蝕速(sù)率的因素有(yǒu)很多，如粒子(zǐ)直徑、粒子與(yu)壁面的沖擊(ji)角、粒子相對(dui)速度、顆粒撞(zhuang)擊壁面的表(biao)面積等。爲🙇‍♀️了(le)準确預👅測沖(chong)蝕信息，沖蝕(shí)預測模型應(yīng)當💯盡量地包(bāo)含更多的影(ying)響因素♈。本研(yan)究所運💞用的(de)DPM模型考慮的(de)影響因素具(jù)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(yǔ)壁面的🈚沖擊(jī)角度；f(α)爲沖🧑🏽‍🤝‍🧑🏻擊(ji)角的函數。沖(chong)擊角度的函(hán)數f(α)采用線性(xìng)分段函數來(lái)描🌍述，文獻[11]通(tong)過激波脈沖(chòng)式沖蝕磨損(sǔn)實驗獲得了(le)典型鋼材的(de)沖蝕角度函(han)數，當沖擊角(jiao)度α分别爲0°、20°、30°、45°、90°時(shi)，壁面反彈系(xì)數分别爲🥵0、0.8、1、0.5、0.4。Aface爲(wèi)顆粒撞擊✍️壁(bì)面的單元表(biao)面積。
　　由于固(gu)體顆粒和壁(bi)面碰撞的方(fāng)程非常複雜(za)，工程上定義(yì)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(huà)。固體顆粒與(yǔ)孔闆壁面的(de)碰撞反彈情(qing)況♊如圖2所示(shì)。

　　彈性恢(hui)複系數爲固(gù)體顆粒與孔(kǒng)闆壁面碰撞(zhuang)後速度與碰(peng)撞前速度的(de)比值。法向和(he)切向反彈系(xì)數都等于⛱️1，說(shuo)明固體顆粒(li)撞擊壁面之(zhi)後沒有能量(liang)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(hòu)損失了所有(yǒu)能量。當顆粒(lì)撞擊☔壁面後(hou)，顆粒會損失(shī)部分能量，并(bìng)以低于沖擊(ji)速度的速度(du)以及📧一定反(fan)射角進行運(yun)動，這一現象(xiàng)用反彈系數(shu)來表征，反彈(dan)系數分爲法(fǎ)向㊙️反彈系數(shu)和切向反彈(dàn)系數，本計算(suàn)中反彈系數(shù)的定義如式(shi)（4—5）所示。

2數值分(fèn)析與結果
2.1入(rù)口液相速度(dù)對最大沖蝕(shi)速率的影響(xiang)
　　入口液相速(su)度對不同種(zhong)類孔闆流量(liàng)計壁面最大(da)沖蝕磨損速(su)率的影響如(rú)圖3所示，顆粒(li)粒徑均爲350μm。由(yóu)圖可知，在孔(kong)闆流量計安(an)裝的突縮段(duan)易産生沖蝕(shi)失效。這🌂歸因(yīn)于在孔闆流(liu)量計的收縮(suō)階段，固體顆(ke)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(miàn)材料産生沖(chòng)蝕磨損現象(xiàng)🔴。随着速度的(de)🈲增大，固體顆(kē)粒對不同類(lei)型孔♈闆流量(liàng)計造成的最(zui)大沖蝕速率(lǜ)和沖蝕磨損(sun)面積都呈現(xian)遞增趨勢。這(zhe)與🤩文獻[12]所研(yán)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(guo)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(èr)是入口液相(xiàng)速度✊增大導(dǎo)緻固體顆粒(lì)🈚沖擊孔闆壁(bì)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(shí)磨損的對比(bǐ)曲線。如圖所(suo)示，在相同邊(bian)界⭕條件下，固(gù)體顆粒對凹(ao)型孔闆流量(liang)計壁面的沖(chòng)蝕磨損速率(lü)最大，對經典(diǎn)孔闆流量計(ji)和延長孔闆(pan)流量計壁面(miàn)的沖蝕磨損(sǔn)速率次之，對(duì)凸型🌈孔闆的(de)最大沖蝕磨(mó)損率最小。


2.2顆粒粒徑對(dui)最大沖蝕速(sù)率的影響
　　研(yan)究固體顆粒(lì)質量流量及(ji)入口液相速(su)度一定時，固(gu)體顆粒粒✂️徑(jìng)對不同類型(xíng)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(fā)生嚴重的沖(chong)刷腐蝕行爲(wèi)。随着固體顆(kē)✊粒粒徑的增(zēng)加，液固兩🈲相(xiàng)流對不同類(lèi)型孔闆流量(liang)計管材的🚶最(zuì)大沖蝕速率(lǜ)均呈現下降(jiàng)趨勢。這主要(yao)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(jìng)🚶‍♀️增大使撞擊(ji)孔闆壁面的(de)固體顆粒🍓粒(li)子數目減少(shǎo)；另一方面，粒(li)子軌迹、沖擊(ji)速度和沖擊(ji)角度🔅均受到(dao)顆粒粒徑變(biàn)化的影響[13]。這(zhè)可以說明固(gù)體顆粒質量(liang)流量相等時(shi)，流體中固體(tǐ)顆粒粒徑增(zēng)加會使給🌐定(ding)位🧑🏾‍🤝‍🧑🏼置處的沖(chòng)蝕磨損速率(lü)顯著降低。

　　圖(tú)6爲等質量流(liu)量、不同粒徑(jing)時不同結構(gòu)的孔闆流量(liàng)計發生沖蝕(shí)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(pǎn)流量計壁🚩面(miàn)的沖蝕磨損(sǔn)速率最大，固(gu)體顆粒對經(jing)典孔闆流量(liàng)計和延長孔(kong)闆流🍓量計壁(bì)面的沖蝕磨(mo)🛀🏻損速率次之(zhi)，凸型孔闆所(suǒ)承受的最大(dà)沖蝕磨損量(liang)最小。

　　研究(jiu)單位時間内(nèi)流過孔闆流(liu)量計的固體(tǐ)顆粒數目⭐和(he)入口液相速(su)度一定時，固(gu)體顆粒粒徑(jìng)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7、8所示(shì)。入口液相速(sù)度保持爲10m/s，流(liú)經管道的顆(ke)粒數量爲1.27×109個(ge)/s，固體🔴顆粒粒(li)徑🏃🏻‍♂️分别爲6.25、12.5、25、50、100μm。結(jie)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻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(xiǎo)。此時，液🔅體攜(xié)砂對孔闆流(liu)量計的沖蝕(shi)量小，并且随(suí)着📧固體顆粒(lì)粒徑的增加(jiā)，磨損速率增(zeng)加，但是增加(jia)趨勢較♈緩。而(er)凹形孔闆在(zai)固體顆粒粒(li)徑＞25μm時，沖蝕磨(mo)損速率急劇(jù)增加，固體顆(ke)粒粒徑12.5～25μm爲其(qi)沖蝕量加劇(jù)的臨界💯區間(jian)。其餘三種孔(kǒng)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(mo)損速率也都(dou)呈增加趨勢(shì)，對節流設備(bèi)的損害逐漸(jiàn)加重，應采用(yòng)可靠手段進(jin)行防🧑🏽‍🤝‍🧑🏻範。此外(wai)，在入口液相(xiang)速度、質量流(liu)量及顆粒粒(li)徑相等時，凹(āo)型孔闆流量(liàng)計的沖蝕磨(mó)損率最大，經(jīng)典孔闆流量(liang)計及延長型(xing)孔闆流量計(ji)的次之，凸型(xíng)孔闆流量計(jì)的最小。


　　以上分析(xī)說明，當單位(wèi)時間内流經(jīng)孔闆流量計(jì)的固體顆粒(li)數目相同時(shí)，固體顆粒粒(li)徑增大導緻(zhì)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(zhong)要影響因素(sù)，固相質量流(liu)量越大，沖蝕(shi)👄磨損越嚴重(zhong)。
3結論
1）孔闆流(liú)量計在計量(liang)管道輸送液(ye)固兩相流時(shi)，固體顆粒沖(chòng)擊管道壁面(mian)，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(zhǔ)相流體速度(dù)增大，液體攜(xie)砂對孔闆流(liú)量計⭕壁🐇面🏃🏻造(zào)📱成的最大沖(chong)蝕速率增大(da)。等質量流量(liang)時，随🆚着入🌏口(kou)固體顆粒粒(li)徑增大，液體(ti)攜砂造成的(de)最大沖♍蝕速(su)率減小。
3）管道(dao)輸送的液體(ti)攜帶等數量(liàng)固體顆粒沖(chong)擊孔闆🌈流量(liang)計壁面時，固(gu)體顆粒對孔(kong)闆壁面造成(chéng)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(āo)型孔闆流量(liàng)計壁面的沖(chòng)蝕破壞最嚴(yan)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(ci)✍️，在固體顆粒(li)質量流量增(zeng)加以及粒徑(jing)增大時，采‼️用(yong)凸型孔闆流(liú)量計有利于(yú)減🧑🏾‍🤝‍🧑🏼小沖蝕磨(mo)損對流量計(jì)的破壞。

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