摘要(yao):目的探究(jiu)在管輸液(yè)固兩相流(liú)體時,固體(ti)顆粒對孔(kǒng)闆流量計(ji)
造成的沖(chong)蝕磨損。方(fang)法運用基(ji)于歐拉-拉(lā)格朗日算(suan)法💁的DPM模型(xing),對液固兩(liǎng)相流體計(ji)量工藝中(zhong)
孔闆流量(liang)計
的沖蝕(shi)問題進行(hang)數值仿真(zhen),預測孔闆(pǎn)流量計在(zai)液固兩相(xiang)流體流量(liang)計量工藝(yì)中易發生(sheng)沖蝕磨損(sǔn)的👈區域。探(tàn)究入口液(yè)相速度、固(gù)體顆粒粒(lì)徑以及等(děng)數✏️量顆粒(li)沖擊壁面(miàn)時,固體顆(ke)粒粒徑對(duì)孔闆最大(dà)沖蝕速率(lü)的影響,并(bing)對💃比管輸(shu)液固兩相(xiàng)流體時,固(gu)體⭐顆粒粒(li)徑對不同(tóng)形狀的孔(kǒng)闆造成的(de)沖蝕磨損(sǔn)速率大小(xiǎo)。結果在孔(kong)闆流量計(ji)的突縮管(guǎn)段易産生(sheng)嚴重的液(ye)固沖蝕失(shi)🏃♂️效,最大沖(chong)蝕速率随(sui)着液相入(ru)口速度的(de)增大而增(zēng)加。當固體(tǐ)顆粒的質(zhi)量流量相(xiàng)等時,最大(da)沖蝕速率(lǜ)随着顆粒(lì)粒👨❤️👨徑的增(zeng)加而減小(xiǎo);當單位時(shi)間内流經(jing)孔闆的固(gu)體顆粒數(shu)量相等時(shí),沖蝕磨損(sǔn)速率随着(zhe)固體顆粒(lì)粒徑的增(zeng)加而增大(da)。在🔞液固兩(liǎng)相流管道(dao)體系中,固(gù)體顆粒對(dui)凸型孔闆(pan)造成的沖(chong)蝕磨損行(hang)爲最弱。結(jie)論大顆粒(li)對孔闆的(de)沖蝕磨損(sun)比較嚴重(zhong),在孔闆計(jì)量過程中(zhōng)應嚴格注(zhù)🎯意。在流體(ti)中存在大(da)量大顆粒(lì)時,采用凸(tū)型孔闆流(liu)量🐪計能有(yǒu)效改善沖(chòng)蝕磨損情(qing)況。
沖蝕磨(mo)損是管道(dao)系統面臨(lín)的最嚴重(zhòng)失效情況(kuang)之一,嚴重(zhong)✏️的🧑🏾🤝🧑🏼沖蝕磨(mó)損甚至會(hui)造成管道(dào)洩漏失效(xiào)。大🌏量的實(shí)驗及數值(zhí)模拟結果(guo)顯示在典(dian)型管件處(chu)(如💘彎管、T型(xíng)管、盲通管(guǎn)、變徑管及(ji)閥門等)易(yi)産生沖蝕(shi)磨損失效(xiào)。在集輸管(guǎn)道系統中(zhong),安裝和使(shi)用孔闆流(liú)量計會造(zào)成管徑的(de)變化。當流(liu)體中含有(yǒu)固體顆粒(li)時🔴,會使這(zhè)種變🔅徑管(guǎn)産生嚴重(zhong)的沖蝕磨(mo)損,從而✨導(dǎo)緻孔闆流(liu)量計産生(shēng)♻️形變,流☔量(liàng)計出流系(xi)數發生改(gǎi)變,流量測(cè)量精度受(shòu)到影響。因(yīn)此,流量計(ji)的安裝和(he)使用造成(chéng)的液固沖(chòng)蝕問題應(yīng)當得到足(zú)夠重視。
爲(wei)了研究各(ge)種參數對(duì)沖蝕磨損(sun)速率的影(ying)響,大量學(xué)者🌈運用😄實(shi)驗及數值(zhi)模拟方法(fǎ)探究了管(guan)徑突變處(chu)的液固沖(chòng)蝕磨損問(wèn)題。運用數(shu)值模拟的(de)方法探💘究(jiū)了變徑管(guan)處液固兩(liang)🏃♂️相沖蝕問(wen)題,得到了(le)入口液相(xiàng)速度、顆粒(li)粒徑及收(shou)縮比等參(can)數對變徑(jìng)管處沖蝕(shi)磨損速率(lǜ)的影響。運(yun)用數值模(mó)拟的方法(fa)探究了固(gù)體顆粒對(duì)閘閥的沖(chong)蝕磨損問(wèn)題,得到了(le)入🧑🏽🤝🧑🏻口主🌐相(xiàng)速度和🤟顆(kē)粒粒💃🏻徑大(dà)小對沖蝕(shi)速率的影(yǐng)響,并與🚩實(shí)際工程中(zhong)閘閥壁㊙️面(mian)的沖蝕磨(mó)損情♋況進(jin)行了對比(bǐ),得到了良(liang)好的拟合(he)效果。運用(yong)數值模拟(ni)方法探究(jiu)了液固兩(liǎng)相流對突(tu)擴⁉️突縮管(guǎn)段的沖蝕(shí)磨損情況(kuàng),預測了沖(chòng)蝕磨損發(fā)生的位置(zhì)。運用實驗(yan)及數值🈚仿(páng)真☂️方法探(tan)究了固體(tǐ)顆粒對突(tu)擴突縮管(guan)段的沖蝕(shi)磨損情❤️況(kuàng)。除此之外(wai)也探究了(le)流體參數(shu)對變徑管(guǎn)處沖蝕磨(mó)損行爲的(de)影響。
對于(yu)在
差壓型(xing)流量計
計(ji)量液固兩(liǎng)相流工藝(yi)中,固體顆(kē)粒對流量(liàng)計沖蝕❄️磨(mó)損的探🔱究(jiu)有運用DPM模(mó)型探究了(le)固體顆粒(lì)對孔闆壁(bì)面産生的(de)沖蝕磨損(sun)問題,獲得(dé)了入口液(ye)相速度🌏、固(gu)體顆粒粒(li)徑等參數(shu)對最大沖(chòng)蝕速率的(de)影響。運用(yong)DPM模型對多(duo)個孔闆流(liu)量計串💘聯(lián)時,固體顆(ke)粒對孔闆(pan)壁面産生(sheng)的沖蝕磨(mo)損情況進(jìn)行數值模(mo)拟探究,得(dé)到了入口(kǒu)♍液相速度(dù)、固體顆粒(lì)粒徑等參(can)數對最大(da)沖蝕速💋率(lǜ)的影響,并(bing)比🏃♀️較了幾(jǐ)個孔闆處(chù)沖蝕磨損(sun)🈚速率的大(da)小。探究🔱固(gù)體顆粒粒(lì)徑對沖蝕(shí)磨損的影(ying)響,除了要(yao)考慮粒徑(jìng)🧡本身變化(huà)外,還應考(kao)慮流經的(de)顆粒數量(liang)[9]。然而🧑🏽🤝🧑🏻,國内(nei)外學者進(jin)行液固☀️兩(liang)相流對👌孔(kong)闆流量計(ji)沖刷腐蝕(shi)數♻️值模拟(ni)探究時,一(yi)般隻考👈慮(lü)粒徑本身(shēn)變化的影(ying)響而忽視(shi)了流經管(guǎn)道的顆粒(li)數量這🐕一(yi)因素。
針對(dui)以上問題(ti),筆者運用(yòng)DPM模型對孔(kǒng)闆流量計(ji)的沖蝕磨(mo)損問🚩題進(jin)行了數值(zhí)模拟探究(jiu):1)預測了固(gù)體顆粒在(zai)孔闆壁面(miàn)上的沖蝕(shi)位置,有利(li)于綜合現(xian)有的‼️檢測(ce)技術進行(háng)漏點檢🥵測(cè),從而♉避免(mian)盲目檢測(cè)導緻的資(zī)源浪費;2)探(tàn)究了入口(kou)流速、固體(ti)顆粒粒徑(jìng)對最✉️大沖(chong)蝕速率的(de)影響,同時(shi)✊,分析了等(děng)數量不同(tong)粒徑的固(gù)體顆粒對(dui)孔闆流量(liàng)計最大沖(chong)蝕速率的(de)影響,有利(lì)于探究液(ye)固兩相流(liú)對變徑管(guan)處的沖蝕(shi)磨損行爲(wei),并對油氣(qi)開采和運(yùn)輸的安全(quan)進行提供(gòng)了指導建(jian)議;3)與文獻(xiàn)[10]中提出的(de)幾種孔闆(pǎn)流量計計(ji)量液固兩(liang)相流流量(liàng)時發生的(de)🥰沖蝕磨損(sun)速率✉️進行(hang)對比,得出(chu)了最優防(fáng)沖蝕孔闆(pǎn)🔞,爲🏃♀️管道結(jie)構優化及(jí)孔闆⭐流量(liàng)計工藝改(gǎi)進提供相(xiang)應的理論(lun)依據。
1數值(zhí)模拟及邊(bian)界條件
1.1幾(ji)何模型及(ji)邊界條件(jian)
經典孔闆(pǎn)流量計的(de)安裝和使(shǐ)用易造成(chéng)管徑突縮(suō),在孔闆前(qian)出現死區(qū),且固體顆(kē)粒沖擊管(guan)道壁面的(de)作用較強(qiáng)。本研究試(shi)圖通過改(gai)變孔闆的(de)流通形式(shì),采取特殊(shū)的流線型(xíng)過渡,以減(jian)小沖蝕磨(mo)損速率。現(xiàn)有的孔闆(pǎn)流量計改(gai)進模型如(rú)圖1所示。其(qí)中,a、b、c、d分别爲(wèi)❓标準孔闆(pǎn)、加厚孔闆(pan)、凹流線形(xíng)孔闆和凸(tū)流線型孔(kong)闆。安裝流(liu)量計的管(guǎn)道管徑D均(jun)爲100mm,流量計(jì)的開孔比(bi)例均爲1:2。數(shù)✌️值計算中(zhōng)考慮湍流(liu)尺度效應(ying),孔闆上遊(yóu)及下遊管(guǎn)段均選取(qǔ)爲10D。經計算(suàn),所有邊界(jie)條件下的(de)管内流體(tǐ)均爲湍流(liú)狀态。爲了(le)能夠準确(què)地計算固(gu)體顆粒對(dui)典型管件(jian)的沖蝕磨(mó)損,對流量(liang)計的各個(gè)壁面都進(jìn)行加密處(chù)理,而沿流(liú)體流動方(fang)向的網格(gé)🥰節點數較(jiao)稀疏,這樣(yang)可以♍節約(yuē)計算資源(yuan),提高計算(suan)效率。
不同(tóng)類型的孔(kong)闆流量計(jì)内的多相(xiàng)流介質由(yóu)油相和⭐固(gù)🍓體沙粒✨組(zu)成。考慮理(li)想狀态,固(gù)體沙粒均(jun)爲标準球(qiu)體顆粒。多(duo)相流⛷️介質(zhi)的組成及(ji)物性參數(shù)如表1所示(shì)。
1.2計算模(mo)型
根據孔(kǒng)闆流量計(jì)測量管道(dao)中流體流(liú)量時管道(dào)的🍉運🔴行⛹🏻♀️工(gōng)況🏃、流體組(zu)成和介質(zhì)參數等的(de)變化情況(kuàng),筆🔆者選取(qǔ)N-S方程組、K-∈模(mo)型♋以及📱沖(chong)蝕磨損模(mo)型對沖刷(shua)腐蝕行爲(wei)進行數值(zhi)求解。流體(tǐ)域選取Velocity入(ru)口和Outflow出口(kǒu),壁面邊界(jie)條💋件設置(zhi)爲無滑移(yi)邊界。
标準(zhun)K-∈方程如式(shì)(1—2)所示。
影響(xiang)壁面沖蝕(shi)速率的因(yīn)素有很多(duō),如粒子直(zhi)徑、粒🌈子與(yu)壁面的沖(chòng)擊角、粒子(zi)相對速度(dù)、顆粒撞擊(jī)壁面的表(biao)面積等。爲(wèi)了準确預(yù)測沖蝕信(xin)息,沖蝕預(yù)測模型應(yīng)當盡量地(dì)包含更多(duo)的影響因(yin)素。本研究(jiu)所運用的(de)DPM模型🌈考慮(lü)的影響因(yīn)素具體描(miáo)述爲:
式中(zhōng):pm爲顆粒質(zhì)量;C(dp)爲粒子(zǐ)粒徑函數(shu),選取1.810-9;v爲相(xiang)對粒子速(su)度💚;b(v)爲粒♍子(zi)相對速度(du)的函數,選(xuan)取2.6。α爲粒子(zǐ)路徑與壁(bì)面的沖擊(ji)👌角度;f(α)爲沖(chong)擊角的函(han)數。沖擊角(jiao)度的函數(shù)f(α)采用線性(xìng)分段函數(shu)來描述,文(wén)獻[11]通過激(ji)波脈沖式(shi)沖蝕磨損(sun)實驗獲得(dé)了典型鋼(gāng)材的沖蝕(shi)角度函數(shù),當沖擊🌈角(jiǎo)度α分别爲(wèi)0°、20°、30°、45°、90°時,壁面反(fǎn)彈系數分(fen)别爲0、0.8、1、0.5、0.4。Aface爲顆(ke)粒撞擊壁(bì)面的單元(yuán)表面積。
由(you)于固體顆(kē)粒和壁面(mian)碰撞的方(fang)程非常複(fú)雜,工程上(shàng)定義了彈(dàn)性恢複系(xì)數來表征(zhēng)顆粒與孔(kong)闆壁面🧡碰(peng)撞前後固(gu)體顆粒動(dong)量的變化(hua)。固體顆粒(lì)與孔闆壁(bi)面的碰撞(zhuàng)反彈情況(kuàng)🛀🏻如圖2所示(shì)。
彈性恢(hui)複系數爲(wèi)固體顆粒(li)與孔闆壁(bi)面碰撞後(hou)速📐度與碰(peng)撞前速度(dù)的比值。法(fǎ)向和切向(xiàng)反彈系數(shu)都等于1,說(shuō)明🛀固體顆(ke)粒撞擊壁(bi)面之後沒(méi)有能量損(sǔn)失;法向反(fan)彈系數🚩和(hé)切向🥵反彈(dan)系🤩數都等(děng)♈于0,說明固(gu)體📞顆粒撞(zhuàng)擊壁面之(zhi)後損失了(le)所有能量(liang)。當顆粒撞(zhuang)擊📱壁面後(hòu),顆粒會損(sǔn)失部分💔能(neng)量,并以低(dī)于沖擊速(sù)度🌈的速度(dù)以及一🧡定(ding)反射角進(jìn)行運動,這(zhe)一現象用(yong)反彈系數(shù)來🎯表征,反(fan)彈系數分(fèn)爲法向反(fan)彈系數和(hé)切向反彈(dan)系數,本計(ji)算☂️中反彈(dàn)系數的定(dìng)義💃🏻如式(4—5)所(suo)示。
2數值分(fèn)析與結果(guǒ)
2.1入口液相(xiang)速度對最(zuì)大沖蝕速(su)率的影響(xiǎng)
入口液相(xiang)速度對不(bú)同種類孔(kǒng)闆流量計(jì)壁面最大(da)沖蝕磨損(sǔn)🎯速率的影(yǐng)響如圖3所(suo)示,顆粒粒(li)徑均爲350μm。由(yóu)🏃♂️圖可知,在(zai)孔闆流量(liang)計安裝的(de)突縮段易(yi)産生沖蝕(shí)失效。這歸(gui)因于在孔(kong)闆流量計(jì)的收縮階(jie)段,固體顆(kē)🌐粒撞擊孔(kong)闆壁面導(dao)🌈緻運動軌(guǐ)迹發生突(tu)變,固體顆(ke)粒切削壁(bì)面材料産(chan)生沖蝕磨(mo)損現象☁️。随(sui)着速度的(de)增大,固體(ti)顆粒對不(bu)同類型孔(kong)🌈闆流量計(ji)造成的最(zui)大沖蝕速(sù)率和沖蝕(shí)磨損面積(ji)都呈現遞(dì)增趨勢。這(zhè)與文獻[12]所(suǒ)研究的結(jie)果相似。這(zhè)主要歸因(yīn)于兩個方(fang)面:一是由(yóu)🔴于液體攜(xié)砂過程中(zhōng),液固兩相(xiàng)之間存在(zài)相互作用(yong),入口液相(xiang)速度💁增大(dà)導緻固體(tǐ)顆粒撞擊(ji)📞管道壁面(miàn)時💰以及從(cong)管道🚶♀️壁面(mian)反彈之後(hòu)都具有更(gèng)大的動量(liàng);二是入口(kǒu)液相速度(dù)增大導緻(zhì)固體顆粒(li)沖擊孔闆(pǎn)壁面的頻(pín)率增大。
圖(tu)4爲不同結(jie)構的孔闆(pǎn)流量計在(zài)相同速度(dù)條件下🏃發(fa)生沖蝕🔞磨(mo)損的對比(bǐ)曲線。如圖(tú)所示,在相(xiàng)同邊界條(tiáo)件下,固體(ti)顆粒對凹(āo)型孔闆流(liu)量計壁面(mian)的沖蝕磨(mo)損速率最(zuì)大,對經典(diǎn)孔闆流量(liang)計和延長(zhǎng)孔闆流量(liang)計壁面的(de)沖蝕磨損(sǔn)速率次之(zhi),對凸型🌂孔(kong)闆的最大(da)沖蝕磨損(sun)率最小。
2.2顆粒粒(lì)徑對最大(dà)沖蝕速率(lü)的影響
研(yan)究固體顆(kē)粒質量流(liu)量及入口(kǒu)液相速度(dù)一定時⛱️,固(gu)體顆粒粒(lì)徑對不同(tong)類型孔闆(pǎn)流量計最(zuì)大沖蝕🚶♀️速(sù)率的影🔴響(xiang),結果如圖(tu)5所🔞示。入口(kǒu)液相速度(du)保持爲♈10m/s,固(gu)體顆粒粒(li)徑🧑🏾🤝🧑🏼分别爲(wèi)100、150、200、250、300、350、400μm。在孔闆流(liú)量計的收(shōu)縮段易發(fa)生嚴重的(de)沖刷腐蝕(shi)行爲。随着(zhe)固體顆💃粒(li)粒徑的增(zeng)加,液固兩(liǎng)相流對不(bu)同類型孔(kong)闆流量計(jì)管材的最(zuì)大沖蝕速(sù)👄率均呈現(xian)下降趨勢(shi)。這主要是(shì)因爲一方(fāng)面,在固體(ti)顆粒🙇🏻質量(liang)流量相等(deng)的工況下(xia),顆粒粒徑(jìng)☔增大使撞(zhuàng)擊孔闆壁(bì)面的固體(ti)顆粒粒子(zǐ)數目減少(shao);另一方面(miàn),粒子軌迹(jì)、沖擊速度(du)和沖擊角(jiǎo)度均受♋到(dao)顆粒粒徑(jing)變化的影(yǐng)響[13]。這可以(yǐ)說明固體(ti)顆粒質量(liang)流量相等(děng)時,流體中(zhong)固體顆粒(li)粒徑增加(jiā)會使給定(ding)位置處的(de)沖蝕磨損(sǔn)速率顯著(zhe)‼️降低。
圖6爲(wei)等質量流(liu)量、不同粒(li)徑時不同(tong)結構的孔(kong)闆流量計(ji)發生沖蝕(shí)磨損情況(kuang)的對比曲(qǔ)線。圖示可(kě)知,在🚩相同(tóng)邊界條件(jiàn)下,固體顆(ke)粒對凹型(xíng)孔闆流量(liàng)計壁面的(de)沖蝕磨損(sun)速率最大(da),固體顆粒(lì)對🏃♀️經典孔(kǒng)闆流量計(ji)和延長孔(kong)闆流🏃♀️量計(jì)壁面的沖(chong)蝕磨✊損速(su)率次之,凸(tu)型孔闆所(suǒ)承受的最(zui)大沖蝕磨(mó)損量最小(xiǎo)。
研究單(dan)位時間内(nei)流過孔闆(pan)流量計的(de)固體顆粒(li)數目🔞和入(rù)口液🏒相速(sù)度一定時(shí),固體顆粒(li)粒徑對不(bú)同類型孔(kǒng)闆流量計(jì)最⛷️大沖蝕(shí)速率的影(ying)響,結果如(rú)圖7、8所示。入(rù)🔅口液相✍️速(su)度保持爲(wèi)10m/s,流經管道(dào)的顆粒數(shù)量爲1.27×109個/s,固(gù)體顆粒粒(li)徑分别爲(wei)6.25、12.5、25、50、100μm。結💁果顯示(shì),當固體顆(ke)粒粒徑<12.5μm時(shi),幾種孔闆(pǎn)的最大沖(chòng)蝕速率均(jun)較小。此時(shi),液體攜砂(shā)對孔闆💔流(liu)量計的沖(chòng)蝕量小,并(bing)且随着固(gù)體顆粒粒(li)徑的增加(jia),磨損速率(lü)增加,但❄️是(shì)增加趨勢(shi)較緩。而凹(ao)形孔闆在(zai)固體顆粒(lì)粒徑>25μm時,沖(chong)蝕🈲磨損速(su)率🈲急劇增(zēng)加,固體顆(ke)粒粒徑12.5~25μm爲(wèi)其沖蝕量(liàng)加劇的臨(lín)界🤩區間。其(qi)餘三種孔(kong)闆雖未呈(cheng)現這種臨(lin)界區間的(de)規律,但随(suí)着粒徑的(de)增大,沖蝕(shí)磨損速率(lǜ)也都呈增(zeng)加趨勢㊙️,對(dui)節流設備(bèi)的損害逐(zhú)漸加重,應(yīng)采用可靠(kào)手段進行(háng)防範。此外(wài),在入口液(ye)相速度、質(zhi)量🐪流量及(ji)顆粒粒徑(jing)相等時,凹(ao)型孔闆流(liú)量計的沖(chong)蝕磨損率(lü)最大,經典(dian)孔闆流量(liàng)計及延長(zhǎng)型孔闆流(liú)量計的次(ci)之,凸型孔(kong)闆流量計(jì)的最小。
以(yǐ)上分析說(shuō)明,當單位(wei)時間内流(liú)經孔闆流(liú)量計的固(gù)體顆粒數(shù)目相同時(shi),固體顆粒(li)粒徑增大(dà)導緻固體(tǐ)顆粒的⭐質(zhì)量流量㊙️随(suí)之增大。因(yin)此,固體顆(ke)粒的質量(liàng)流量💋也是(shi)磨損的重(zhong)要影響因(yin)素,固♉相質(zhi)量流量越(yue)大,沖蝕磨(mó)損越嚴重(zhong)。
3結論
1)孔闆(pǎn)流量計在(zài)計量管道(dao)輸送液固(gù)兩相流時(shi),固體顆粒(lì)🚩沖🈲擊管道(dào)壁面,沖蝕(shi)現象易發(fa)生在孔闆(pan)流量計的(de)管道突縮(suō)位置。
2)随着(zhe)入口主相(xiàng)流體速度(dù)增大,液體(ti)攜砂對孔(kǒng)闆流量計(jì)壁面造🔴成(cheng)的最大沖(chong)蝕速率增(zeng)大。等質量(liàng)流量時,随(sui)着入口固(gu)體顆粒粒(lì)徑增大,液(ye)體攜砂造(zào)成的最大(da)沖蝕速率(lü)減小。
3)管道(dào)輸送的液(yè)體攜帶等(děng)數量固體(ti)顆粒沖擊(jī)孔闆流量(liàng)計壁面👨❤️👨時(shí),固體顆粒(lì)對孔闆壁(bì)面造成的(de)最大🚩沖蝕(shi)速率随着(zhe)固體顆粒(lì)粒徑的增(zēng)加而增大(dà)。
4)在相同邊(bian)界條件下(xià),固體顆粒(li)對凹型孔(kong)闆流量計(jì)壁面的沖(chòng)蝕破壞最(zui)嚴重,對經(jing)典孔闆流(liú)量計和延(yán)長孔闆流(liu)🙇♀️量計壁面(mian)的沖蝕破(pò)壞次之,對(duì)凸型孔闆(pǎn)的沖蝕破(po)壞最小。因(yīn)此,在固體(ti)顆粒質量(liàng)流量增加(jia)以及粒徑(jing)💋增大時,采(cai)用凸型孔(kǒng)闆流量計(ji)有利于減(jian)♍小沖蝕磨(mó)損對流量(liàng)計的破壞(huai)。