90°豎直彎管的液固兩相流沖刷腐蝕模擬

沈雅欣，趙會(huì)軍，彭浩平，慈 智，程雅雯，張家源

（1.常州大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213016；2.江蘇省天然氣有限公司，南京210000；3.中國(guó)石化勝利油田石油開(kāi)發(fā)中心有限公司，東營(yíng)257000）

暴露在運(yùn)動(dòng)流體中的設(shè)備會(huì)遭受沖刷腐蝕，使用壽命大大縮短。近年來(lái)，由沖刷腐蝕而造成的管線及設(shè)備破壞事故呈上升趨勢(shì)，嚴(yán)重影響著油氣田的安全生產(chǎn)［1-3］。其中，液固兩相流條件下的彎管沖刷腐蝕尤為嚴(yán)重。

目前，對(duì)液固兩相流條件下的沖蝕數(shù)值模擬研究主要集中于流體參數(shù)變化對(duì)管件沖蝕的影響。ANTHONY等用PHOENICS軟件對(duì)U型管內(nèi)的兩相流沖蝕進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到湍流對(duì)固體粒子的影響規(guī)律［4-6］；J POSTLETHWAITE等提出適用于管流液-固兩相流的沖蝕模型，此模型計(jì)算得到的沖刷腐蝕率與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好［7-8］；JOHN 等［9-10］研究了Stokes數(shù)對(duì)于沖蝕率的影響，分析了特定流量、一定粒徑的顆粒在特定流速下的沖蝕；周三平等［11-12］討論了流體力學(xué)因素的重要性，論述了如何從流體力學(xué)方面控制沖刷腐蝕；鄭友取等考慮了壁面粗糙度與顆粒旋轉(zhuǎn)等因素，對(duì)管內(nèi)固體顆粒的沖蝕特性進(jìn)行了深入研究，為管道的防磨提供了較為可靠的數(shù)值依據(jù)和理論參考［13-15］。然而，以上研究并未考慮砂粒顆粒、不同重力方向等參數(shù)對(duì)彎管沖蝕的影響。因此，本工作建立了90°豎直彎管數(shù)值模擬模型并分析了四種流向模型，探究了流速、粒徑、砂粒質(zhì)量流量、重力方向等對(duì)彎管沖蝕的影響并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證。以期為進(jìn)一步研究多相混輸管道沖刷腐蝕機(jī)理，預(yù)測(cè)彎管壽命，保障油氣田安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 90°豎直彎管數(shù)值模型的優(yōu)選

1.1 流動(dòng)模型

模擬流體為液、固兩相流，連續(xù)相為液體水，由于計(jì)算涉及的固體顆粒體積分?jǐn)?shù)較小，對(duì)于固體顆粒采用離散相模型（DPM）進(jìn)行計(jì)算。固體顆粒沖蝕過(guò)程的數(shù)值計(jì)算主要分為：流場(chǎng)分析、壓力場(chǎng)以及沖蝕計(jì)算［16-17］。由于連續(xù)相運(yùn)動(dòng)會(huì)影響顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而顆粒的運(yùn)動(dòng)又會(huì)反作用于連續(xù)相流場(chǎng)。因此計(jì)算過(guò)程中考慮連續(xù)相-離散相雙向耦合作用，鑒于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型具有適用范圍廣、精度高的優(yōu)點(diǎn)［18］，故數(shù)值模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρm為混合密度，kg／m3；為質(zhì)量平均流速，m／s；m為質(zhì)量源項(xiàng)；p為流體內(nèi)壓力，Pa；αk為第k相體積分?jǐn)?shù)；μm為混合黏度，Pa·s；F→為體積力，N；Ek為第k相內(nèi)能，J；keff為有效熱導(dǎo)率，w／（m·k）。

湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程（k方程）：

湍流動(dòng)能耗散方程（ε方程）：

式中：Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Ym為可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張貢獻(xiàn)；μt為湍流黏度，Pa·s；μi，μj為i，j時(shí)的均速度，m／s；K為湍流動(dòng)能，J；ε為湍流耗散率；ρ為流體密度，kg／m3；σk為k方程的湍流Prandtl數(shù)；σε為ε方程的湍流Prandtl數(shù)。

1.2 沖蝕模型

影響彎管液／固兩相流沖刷腐蝕的因素很多，主要包括流體力學(xué)因素、材料因素、固相顆粒因素以及液相因素等［19］。影響彎管沖蝕的主要因素有顆粒速度、顆粒流量、顆粒尺寸、沖刷角度、彎管材料以及彎管直徑等，其中固體顆粒碰撞特性對(duì)沖蝕影響較為重要。HUSER等［20］提出的以顆粒碰撞角度函數(shù)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模型和眾多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)的沖蝕模型能夠監(jiān)視粒子的沖蝕和沉積情況。所以本工作將此模型應(yīng)用到數(shù)值模擬軟件中完成沖蝕計(jì)算。

式中：Rerosion為壁面磨損速率，kg／（m2·s）；N為碰撞顆粒數(shù)目；mp為顆粒質(zhì)量流量，kg／s；C（dp）為顆粒直徑的函數(shù)；θ為顆粒對(duì)壁面的侵入角，（°）；f（θ）為侵入角的函數(shù)；b（v）是此相對(duì)速度的函數(shù)，取2.6；Aface為壁面計(jì)算單元的面積，m3。

2 90°豎直彎管的沖蝕數(shù)值模擬

2.1 模型的建立及網(wǎng)格劃分

以室內(nèi)管流系統(tǒng)的90°彎管為原型，彎管尺寸為φ25 mm×1 mm，彎徑比為1.5即R＝37.5 mm，為了保證管道內(nèi)液固兩相的流動(dòng)充分發(fā)展，令L＝10 D＝250 mm。室溫條件下進(jìn)行模擬，原油作為連續(xù)項(xiàng)介質(zhì)，密度為810 kg／m3，流向分為 A、B、C、D四種，見(jiàn)圖1。以石英砂為離散相介質(zhì)；簡(jiǎn)化為球狀顆粒，密度為2 650 kg／m3；粒子入口流速、顆粒質(zhì)量流量和粒徑為變化量；考慮重力作用，作用在y軸負(fù)方向，取g＝9.8 m2／s，分析不同參數(shù)條件下90°豎直彎管的沖刷腐蝕規(guī)律，彎管參數(shù)如圖2所示。

圖1 A、B、C、D四種流動(dòng)方向的示意圖（箭頭指向代表流向）Fig.1 Schematic diagram of four flow directions A，B，C，and D（arrows point to the flow directions）

圖2 90°豎直彎管的幾何模型Fig.2 Geometric model of a 90°vertical bend

為了保證計(jì)算精度，同時(shí)確保計(jì)算量在允許范圍之內(nèi)，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，以得到適合的網(wǎng)格密度。由圖3可見(jiàn)：當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目小于3.3×105時(shí)，最大沖蝕率隨網(wǎng)格數(shù)目增多呈不規(guī)則的波浪形變化，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目達(dá)到3.3×105后，最大沖蝕率逐漸穩(wěn)定。因此，網(wǎng)格數(shù)目選用3.3×105，劃分示意圖如圖4所示。

2.2 彎管模型的物性參數(shù)和邊界條件

圖3 最大沖蝕率與網(wǎng)格數(shù)的關(guān)系曲線Fig.3 The relationship between the maximum erosion rate and the number of grids

圖4 彎頭的網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Schematic diagram of meshing of bend

對(duì)于連續(xù)相的原油，計(jì)算過(guò)程中，速度進(jìn)口邊界條件定義為velocity-inlet，出口邊界條件定義為out-flow，湍流強(qiáng)度為5%，利用k-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁面問(wèn)題，直接將近壁面上的變量與湍流中心區(qū)內(nèi)的變量用半經(jīng)驗(yàn)公式聯(lián)系起來(lái)，壁面采用無(wú)滑移邊界條件，模擬過(guò)程使用分離變量求解，壓力修正法采用易于收斂且不易波動(dòng)的壓力-耦合方法SIMPLE算法，設(shè)置壁面條件為wall壁面；對(duì)于離散相的顆粒，DPM模型中進(jìn)口和出口處采用逃逸（Escape）條件，壁面采用反彈（Reflect）條件，反彈系數(shù)公式見(jiàn)式（8）。

切向反彈系數(shù)：

固體顆粒與壁面碰撞的時(shí)候，沖擊角度不同，反彈后的路徑也不同，對(duì)DPM模型中有關(guān)沖擊角函數(shù)的參數(shù)按表1進(jìn)行設(shè)置。

2.3 90°豎直彎管的沖刷腐蝕模擬流場(chǎng)分析

由圖5可見(jiàn)：速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布規(guī)律相反，從彎管入口到彎頭的豎直管段部分，速度開(kāi)始逐漸增加，流場(chǎng)受干擾程度小。由于流體黏性力的作用，此時(shí)速度場(chǎng)呈拋物線型分布，即管道中心軸線處速度較大，管道近壁處速度小。當(dāng)流體進(jìn)入彎頭后，流動(dòng)方向發(fā)生改變，速度場(chǎng)的拋物線型分布規(guī)律遭到破壞，速度場(chǎng)出現(xiàn)明顯的速度分層現(xiàn)象，速度分層導(dǎo)致界面摩擦，容易出現(xiàn)二次流。而二次流會(huì)對(duì)管道管壁造成二次沖刷，當(dāng)流體流經(jīng)彎頭，彎頭處容易出現(xiàn)速度界面分層，導(dǎo)致二次流出現(xiàn)，因此，流速越大，管道的沖刷腐蝕程度越大。

表1 彎管內(nèi)離散相的反射系數(shù)Tab.1 The reflection coefficient of discrete phase in the bend

圖5 入口流速2 m／s，粒徑200μm，顆粒質(zhì)量流量0.1 kg／s時(shí)，A流向的速度云圖和壓力云圖Fig.5 Velocity cloud map（a）and pressure cloud map（b）of type A flow direction when the inlet flow rate was 2 m／s，the particle size was 200μm，and the particle mass flow rate was 0.1 kg／s

2.4 四種流向條件下90°豎直彎管的沖刷腐蝕模擬結(jié)果

以入口流速2 m／s，粒徑200μm，顆粒質(zhì)量流量0.1 kg／s為具體參數(shù)，取其中兩個(gè)具體參數(shù)為固定參數(shù)，另一參數(shù)為變量分別對(duì)四種流向條件下的90°豎直彎管的最大沖蝕率隨粒子入口流速、粒徑、顆粒質(zhì)量流量的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 流速2 m／s，顆粒質(zhì)量流量0.1 kg／s時(shí)，彎管在四種流向條件下的最大沖蝕率隨粒徑的變化曲線（模擬值）Fig.6 When the flow rate was 2 m／s and the mass flow rate was 0.1 kg／s，the change curves of the maximum erosion rate vs.particle size for the bend under four flow direction conditions（simulation results）

由圖6可見(jiàn)：四種流向條件下，彎管的最大沖蝕率均隨著粒徑的增大而增大，且沖蝕速度隨著粒徑的增大不斷加劇。這是由于當(dāng)流體入口流速和顆粒質(zhì)量流量恒定時(shí)，流體的能量和顆粒直徑成正比，所以顆粒直徑越大，流體能量越大，對(duì)管壁的沖刷越大。同時(shí)，圖6也表明A流向沖刷腐蝕最大，B、C流向的次之，D流向的最小。這是由于粒徑越大重力對(duì)粒子的作用越大，當(dāng)入口流速不大時(shí)重力作用較明顯。A流向流體在重力的作用下勢(shì)能增大，沖刷腐蝕程度最大，而D流向克服重力沖刷管壁所以沖刷腐蝕最小。而在B、C流向條件下進(jìn)行模擬時(shí)，沖蝕有兩個(gè)階段：彎管在第一階段的沖蝕一致；第二階段B流向流體在重力作用下能量增加，C流向流體克服重力，所以粒徑較小時(shí)B、C兩種流向條件下，彎管的沖蝕磨損差別不大，但隨著粒徑增大，開(kāi)始出現(xiàn)差別，這是因?yàn)榱皆酱?，重力作用越大，?dāng)粒徑較大時(shí)，B流向條件下彎管的沖蝕磨損大于C流向條件下的。

由圖7可見(jiàn)：四種模型的最大沖蝕率均隨著入口流速的的增大而增大，這是因?yàn)槿肟诹魉僭酱?，流體粒子對(duì)彎管的沖刷越劇烈，所以沖刷腐蝕越大。同時(shí)，當(dāng)入口流速大于4 m／s時(shí)，沖刷腐蝕速度開(kāi)始加劇，這是由于當(dāng)流體入口流速大于4 m／s，彎管內(nèi)部出現(xiàn)二次流，二次流加劇彎管沖蝕，所以表現(xiàn)為四種模型的最大沖蝕率急劇增大。由圖7還可見(jiàn)：B流向模型的沖刷腐蝕最大，A、C流向的次之，D流向的最小。這是由于在較小粒徑和恒定顆粒質(zhì)量流量條件下，重力對(duì)粒子的作用較小。B流向模型中，流體撞擊彎管后，由于重力的存在，勢(shì)能增大，二次流能量較大，所以B流向條件下，彎管的沖蝕最大。A流向模型中，流體豎直向下，勢(shì)能增大，撞擊彎管后能量損失，二次流能量較小。C流向模型中，流體撞擊彎管后，克服重力，二次流能量更小，所以A流向條件下，彎管的沖蝕大于C流向條件下的。而D流向模型中，流體先克服重力撞擊彎管，二次流能量最小，所以D流向條件下，彎管的沖刷腐蝕最小。

圖7 粒徑200μm，顆粒質(zhì)量流量0.1 kg／s時(shí)，彎管在四種流向條件下的最大沖蝕率隨入口流速的變化曲線（模擬值）Fig.7 When the particle size was 200μm and the particle mass flow rate was 0.1 kg／s，the change curves of the maximum erosion rate vs.inlet flow rate for the bend under four flow direction conditions（simulation results）

由圖8可見(jiàn)：四種流向條件下，彎管的最大沖蝕率均隨著顆粒質(zhì)量流量的增大而增大，且沖蝕速度逐漸減小，這是因?yàn)轭w粒質(zhì)量流量越大，單位時(shí)間內(nèi)撞擊彎管的流體粒子越多，沖刷腐蝕越大。同時(shí)，當(dāng)流體入口流速不大時(shí)，顆粒質(zhì)量流量越大，流體攜粒消耗的能量越大，所以四種流向條件下，彎管的沖蝕速度逐漸減小。由圖8還可見(jiàn)：A流向模型中彎管的沖刷腐蝕最大，B、C模型中的次之，D模型中的最小，這是由于當(dāng)入口流速不大時(shí)，二次流現(xiàn)象不明顯。A流向流體豎直向下，重力作用，勢(shì)能增大，因此流體對(duì)管壁沖刷最大。D流向流體克服重力，勢(shì)能減小，所以D流向條件下，彎管的沖刷腐蝕最小。B、C流向條件下，彎管的沖蝕有兩個(gè)階段：彎管在第一階段的沖蝕條件一致；第二階段，B流向流體在重力作用下，能量增加，C流向流體克服重力，所以B流向條件下，彎管的沖蝕磨損大于C流向條件下的。

圖8 入口流速2 m／s，粒徑200μm時(shí)，彎管在四種流向條件下的最大沖蝕率隨顆粒質(zhì)量流量的變化曲線（模擬值）Fig.8 When the inlet flow rate was 2 m／s and the particle size was 200μm，the change curves of the maximum erosion rate vs.the mass flow rate of the particles for the bend under four flow direction conditions（simulation results）

3 90°豎直彎管的沖蝕試驗(yàn)

以水為連續(xù)相，石英砂為離散相，混合后的混合物作為沖蝕介質(zhì)進(jìn)行90°豎直彎管的沖蝕試驗(yàn)。利用循環(huán)泵試驗(yàn)平臺(tái)來(lái)模擬試驗(yàn)環(huán)境，彎管處安裝貼片，實(shí)現(xiàn)高流速條件下的沖蝕磨損試驗(yàn)。

3.1 沖蝕試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

沖蝕試驗(yàn)平臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)如圖9所示。試驗(yàn)用沖蝕介質(zhì)在螺桿泵的作用下由攪拌罐流出依次經(jīng)過(guò)球閥、電磁流量計(jì)、壓力表到達(dá)沖蝕試驗(yàn)段，最后經(jīng)過(guò)循環(huán)介質(zhì)重新流回罐中，達(dá)成循環(huán)試驗(yàn)。

圖9 沖蝕試驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of the erosion experimental platform

3.2 室內(nèi)沖蝕試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選擇管道材料X65鋼，將其加工成貼片后用800號(hào)砂紙打磨，并用超聲波徹底清洗、吹干，隨后放入干燥皿中備用。石英砂利用不同孔徑的篩網(wǎng)進(jìn)行多重篩分，獲得平均直徑為100～300μm的顆粒。沖蝕液用SiO2顆粒和自來(lái)水按百分比進(jìn)行配制，沖蝕液體濃度根據(jù)質(zhì)量流量配制，沖刷試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 沖蝕試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Parameters of erosion experiment

90°豎直彎管有四種流向，將準(zhǔn)備好的貼片固定在對(duì)應(yīng)的彎管處來(lái)實(shí)現(xiàn)四種流向豎直彎管的沖蝕試驗(yàn)。將配置好的沖蝕液體倒入攪拌罐中，通過(guò)電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使沖蝕液體在攪拌罐內(nèi)混合均勻，通過(guò)變頻電機(jī)調(diào)節(jié)螺桿泵轉(zhuǎn)速將均勻混合的沖蝕液導(dǎo)入管段，利用電磁流量計(jì)來(lái)計(jì)算沖蝕液體流速，沖蝕液沖蝕彎管貼片，沖蝕液最終流回?cái)嚢韫?，形成一個(gè)循環(huán)。將貼片固定在球閥7后的彎管處，當(dāng)開(kāi)啟球閥5、7時(shí)，關(guān)閉其他球閥則形成循環(huán)通路對(duì)A流向彎管進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)；將貼片固定在球閥8后的彎管處，當(dāng)開(kāi)啟球閥5、8、10，關(guān)閉其他球閥時(shí)，則形成循環(huán)通路對(duì)B流向彎管進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)；將貼片固定在球閥10前的彎管處，當(dāng)開(kāi)啟球閥5、8、10，關(guān)閉其他球閥時(shí)則形成循環(huán)通路對(duì)C流向彎管進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)；將貼片固定在球閥6后的彎管處，當(dāng)開(kāi)啟球閥5、6、9、10，關(guān)閉其他球閥時(shí)則形成循環(huán)通路對(duì)D流向彎管進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)。

貼片安裝圖如圖10所示。貼片放置臺(tái)的密封性、緊固性良好，且貼片與管道內(nèi)壁平滑過(guò)渡，消除了流體流態(tài)等影響試驗(yàn)的因素，滿足沖蝕試驗(yàn)要求。

圖10 貼片安裝示意圖Fig.10 The patch installation diagram

試驗(yàn)10 h后，將貼片取出放入超聲波清洗機(jī)中清洗3 min，然后風(fēng)干。最后利用電子分析天平5次稱量并取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

以沖蝕磨損率為研究對(duì)象，利用失重法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)測(cè)，其中沖蝕磨損率定義為：

式中：ε為沖蝕磨損率，g／m2；m1為試驗(yàn)前的貼片質(zhì)量，g；m2為試驗(yàn)后的貼片質(zhì)量，g；S為貼片磨損面積，m2。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.3.1 入口流速對(duì)90°豎直彎管貼片的沖蝕影響

由圖11可見(jiàn)：貼片的沖蝕磨損率與入口流速成正比，且四種流向條件下，彎管的沖蝕磨損率隨著流速的增加而增加，這是由于當(dāng)顆粒質(zhì)量流量和顆粒直徑固定時(shí)，隨著入口流速的增加，粒子的動(dòng)能越大，對(duì)彎管的沖蝕破壞越大，并呈加速趨勢(shì)。由圖11還可見(jiàn)：B流向條件下彎管沖蝕磨損率最大；A、C兩種流向條件下彎管的沖蝕磨損率相近；D流向條件下，彎管的沖蝕磨損率最小。這與模擬結(jié)果一致，證明了二次流現(xiàn)象的存在，二次流會(huì)加劇彎管的沖蝕。

圖11 粒徑200μm，顆粒質(zhì)量流量0.1 kg／s時(shí)，彎管在四種流向條件下的最大沖蝕率隨入口流速的變化曲線（試驗(yàn)值）Fig.11 When the particle size was 200μm and the particle mass flow rate was 0.1 kg／s，the change curves of the maximum erosion rate vs.inlet flow rate for the bend under four flow direction conditions（test results）

3.3.2 顆粒直徑對(duì)90°豎直彎管貼片的沖蝕影響

由圖12可見(jiàn)：當(dāng)入口流速和顆粒直徑固定時(shí)，四種流向條件下，彎管的沖蝕磨損率均隨顆粒直徑的增大而增大。這是由于當(dāng)顆粒質(zhì)量流量固定時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)撞擊彎管的顆粒數(shù)固定，顆粒粒徑越大，彎管的沖蝕磨損越大；此外，由于重力的存在，顆粒直徑越大，勢(shì)能增大越大，所以四種流向條件下，彎管的沖蝕磨損量隨顆粒直徑的增大而增大。由圖12還可見(jiàn)：A流向條件下，彎管的沖蝕磨損率最大，B、C流向條件下的次之，D流向條件下，彎管的沖蝕磨損最小。這與模擬結(jié)果基本吻合。

圖12 流速2 m／s，顆粒質(zhì)量流量0.1 kg／s時(shí)，彎管在四種流向條件下的最大沖蝕率隨粒徑的變化曲線（試驗(yàn)值）Fig.12 When the flow rate was 2 m／s and the mass flow rate was 0.1 kg／s，the change curves of the maximum erosion rate vs.particle size for the bend under four direction flow conditions（test results）

3.3.3 顆粒質(zhì)量流量對(duì)90°豎直彎管貼片的沖蝕影響

由圖13可見(jiàn)：四種流向條件下，彎管的沖蝕磨損率隨著顆粒質(zhì)量流量的增大而逐漸增大，但隨著顆粒質(zhì)量流量的增大，增加速率減緩。這是由于彎管沖蝕與單位時(shí)間內(nèi)撞擊彎管的粒子數(shù)目和能量有關(guān)，當(dāng)顆粒直徑和入口流速固定時(shí)，顆粒質(zhì)量流量越大，單位時(shí)間內(nèi)撞擊彎管的粒子數(shù)目和能量越大，所以四種流向條件下，彎管的沖蝕磨損率逐漸增大，但由于流速不大，顆粒質(zhì)量流量越大，流體攜帶顆粒消耗的能量越大，當(dāng)流體撞擊彎管時(shí)，流體本身的能量減小，使沖蝕磨損隨著顆粒質(zhì)量流量的增大有所減緩。由圖13還可見(jiàn)：試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果一致，A流向條件下，彎管沖蝕磨損量最大，B、C流向條件下的次之，D流向條件下，彎管沖蝕磨損量最小。這是由于當(dāng)入口流速不大時(shí)，二次流現(xiàn)象不明顯，同時(shí)顆粒質(zhì)量流量越大，單位時(shí)間的顆粒數(shù)目越多，重力的作用越大，因此A流向沖蝕磨損量最大；D流向沖蝕磨損量最小。而在B、C流向條件下時(shí)，沖蝕有兩個(gè)階段，第一階段沖蝕彎管條件一致，第二階段B流向流體在重力作用下能量增加，C流向流體克服重力，所以顆粒質(zhì)量流量較小時(shí)B、C兩種流向彎管沖蝕磨損差別不大，但隨著顆粒質(zhì)量流量的增大，B流向彎管的沖蝕磨損大于C流向彎管的。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)四種流向豎直90°彎管的模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)，以沖蝕磨損率為研究對(duì)象，水和石英砂的混合漿體為沖蝕液進(jìn)行四種流向豎直90°彎管的貼片沖蝕試驗(yàn)并與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，證明模擬建立所選數(shù)值模型和研究方法的可靠性很高。

圖13 入口流速2 m／s，粒徑200μm時(shí)，彎管在四種流向條件下的最大沖蝕率隨顆粒質(zhì)量流量的變化曲線（試驗(yàn)值）Fig.13 When the inlet flow rate was 2 m／s and the particle size was 200μm，the change curves of the maximum erosion rate vs.the mass flow rate of the particles for the bend under four flow direction conditions（test results）

（2）彎管的沖蝕磨損率與入口流速和顆粒直徑成正比關(guān)系，且彎管沖蝕磨損率隨著流速的增加及顆粒直徑的增大而加快沖蝕；同時(shí)彎管沖蝕磨損率隨著顆粒質(zhì)量流量的增大而逐漸增大，但隨著顆粒質(zhì)量流量的增大沖蝕減緩。

（3）當(dāng)流速較大時(shí)，彎管內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)二次流，同時(shí)當(dāng)控制顆粒直徑和質(zhì)量流量時(shí)，隨著流速的增大，B流向彎管沖蝕磨損率最大，A、C兩種流向條件下彎管的沖蝕磨損率相近，D流向條件下彎管的沖蝕磨損率最小，表明二次流加劇沖蝕，且作用程度大于重力對(duì)流體的影響。

（3）控制入口流速且流速不大時(shí)，二次流現(xiàn)象不明顯，在重力的作用下A流向條件下彎管的沖蝕磨損率最大，B、C兩種流向條件下的次之，D流向條件下的最小。

（4）入口流速和顆粒直徑對(duì)彎管沖刷腐蝕影響較大，質(zhì)量流量次之，因此，為增大管道彎頭使用壽命，減少?zèng)_蝕磨損，運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意控制流體流速，減少二次沖刷，同時(shí)對(duì)流體進(jìn)行過(guò)濾，控制固體顆粒直徑。