電阻層析液固兩相流傳感器抗沖蝕磨損特性研究

李浩 李日新 周麒

摘 要：挖泥船濃度測(cè)量設(shè)備的有效性對(duì)施工效率提升具有很大促進(jìn)作用，其測(cè)量精確性是實(shí)現(xiàn)智能挖泥的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)之一。電阻層析掃描成像技術(shù)為解決這一問(wèn)題提供了方案，但傳感器會(huì)受到?jīng)_蝕磨損影響使用壽命，也會(huì)造成安全隱患。本文以顆粒動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)對(duì)傳感器沖蝕磨損特性進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，并和相關(guān)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，在傳感器內(nèi)均存在最大磨損位置點(diǎn)，傳感器材料的硬度值對(duì)最大磨損率影響較大，并呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的趨勢(shì)。通過(guò)顆粒物與管道間碰撞過(guò)程來(lái)進(jìn)行動(dòng)量互換，顆粒物性、流速直接與最大磨損位置和數(shù)值相關(guān)聯(lián)。壁面的最大剪切應(yīng)力與顆粒物的物性相關(guān)，與管道材料及流速關(guān)聯(lián)不大。

關(guān)鍵詞：電阻層析成像技術(shù);內(nèi)襯技術(shù);計(jì)算流體力學(xué);沖蝕磨損;流動(dòng)特性

中圖分類號(hào)：U61 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2020）07-0054-04

1 前言

耙吸、絞吸、斗輪挖泥船施工是通過(guò)管道利用水力完成疏浚土的輸送，濃度測(cè)量設(shè)備的有效性對(duì)施工效率的提升具有很大的促進(jìn)作用，同時(shí)其測(cè)量的精確性是實(shí)現(xiàn)智能挖泥一個(gè)很關(guān)鍵的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。挖泥船水力輸送介質(zhì)為液固兩相流體，液體為海水或淡水，固體為疏浚土，包括淤泥、細(xì)粉沙、中粗砂、黏土、城市建筑垃圾、巖石、珊瑚礁等介質(zhì)及其混合物。

目前，世界范圍內(nèi)挖泥船濃度的測(cè)量以核技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，但其缺點(diǎn)亦非常明顯：測(cè)量區(qū)域與整個(gè)橫截面面積占比小、液固混合越不均勻測(cè)量精度越低、對(duì)體積產(chǎn)量的測(cè)量精度進(jìn)行有效評(píng)估存在很大困難。鑒于以上問(wèn)題，電阻層析掃描成像技術(shù)（ERT）為解決上述問(wèn)題提供了一種解決方案。ERT技術(shù)是一種基于電阻傳感器原理的層析成像技術(shù)，通過(guò)測(cè)量電阻率的分布來(lái)獲得多相介質(zhì)的分布。相對(duì)于核技術(shù)，ERT技術(shù)在測(cè)量液固兩相流體時(shí)具有更大的測(cè)量面積占比、可實(shí)現(xiàn)更快速的測(cè)量、測(cè)量結(jié)果與真實(shí)濃度呈現(xiàn)線性關(guān)系、可實(shí)現(xiàn)可視化測(cè)量及測(cè)量圖像數(shù)字化，直觀觀察管道內(nèi)流態(tài)變化情況及流態(tài)圖像的數(shù)字化，為智能判斷與控制提供基礎(chǔ)。

ERT技術(shù)應(yīng)用于挖泥船施工需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，就是對(duì)傳感器的抗磨損能力分析，此能力直接決定設(shè)備的使用壽命。據(jù)英國(guó)科學(xué)家T.S.Eyre[1]估計(jì)，沖蝕磨損導(dǎo)致的事故數(shù)占工程中磨損破壞總數(shù)的8%，且管道穿孔事故中有80%是由于磨損及沖刷腐蝕造成的。在2000年，中石化茂名煉油廠和齊魯煉油廠[2]的管道事故中，發(fā)生了壁面減薄的現(xiàn)象。因此，研究傳感器內(nèi)沖蝕磨損機(jī)理，對(duì)增加傳感器的使用壽命，提高檢測(cè)效率有重要意義，有利于實(shí)際測(cè)試中的安全與高效，具有重要的實(shí)際作用。

影響傳感器設(shè)備磨損的因素有很多，而研究磨損的學(xué)者們也根據(jù)這些因素提出了許多的磨損方程。磨損的影響因素主要有五種，即顆粒屬性[3-4]，流體屬性[5-7]，壁面材料[8-11]，顆粒沖擊速度[12-13]和沖擊角度。由于磨損預(yù)測(cè)涉及因素種類較多，可用不同的模型來(lái)表述這些因素的相互關(guān)系。在沖蝕磨損數(shù)值模擬中常用到四種模型：即用壁面反射模型[14-17]來(lái)模擬顆粒與壁面之間的交互作用;用湍流模型來(lái)模擬流體的運(yùn)動(dòng);用三種耦合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)顆粒和流體間傳質(zhì);以及用磨損模型來(lái)反映顆粒屬性、流速、沖擊角度等對(duì)磨損的影響。

雖然前人對(duì)ERT測(cè)量液固兩相流濃度的系統(tǒng)組成、成像算法、測(cè)量精度等特性進(jìn)行了大量的研究，得到了許多非常有價(jià)值的結(jié)論，但對(duì)ERT設(shè)備本身抗沖蝕磨損特性的研究依然不夠全面。為了解決ERT測(cè)試過(guò)程中疏浚產(chǎn)物對(duì)ERT設(shè)備的沖蝕磨損，分析不同管材屬性和顆粒物性下的沖蝕磨損特性，本文針對(duì)ERT技術(shù)中的實(shí)際工況對(duì)不同傳感器材料、不同疏浚顆粒物物性及疏浚工程實(shí)際流速對(duì)傳感器沖蝕磨損展開(kāi)研究，得到最大磨損速率和壁面剪切力的規(guī)律，并基于此磨損規(guī)律提出合理的建議，在ERT選材和使用壽命評(píng)估方面具有指導(dǎo)意義。

2 數(shù)學(xué)模型

Navier-Stocks方程是流體的基本方程，該方程用來(lái)描述流體計(jì)算中的壓力、速度和密度等相關(guān)信息的求解。在本文中，描述為連續(xù)方程和動(dòng)量方程。湍流模型是用來(lái)計(jì)算連續(xù)相的模型，能較好地模擬管道中流體的流態(tài)。其中RNG k-ε 模型具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，十分適合求解本文中的流態(tài)，選用該模型能得到較為精確的結(jié)果，在RNG模型中，為消除模型的影響，產(chǎn)生了一個(gè)求解不同湍流粘度的方程。

離散相方程是求解作用于離散相上的力來(lái)計(jì)算流體軌跡的。通過(guò)對(duì)作用于顆粒上的力進(jìn)行積分，軟件ANSYS Fluent 能夠展示各個(gè)顆粒的軌跡，這個(gè)過(guò)程可以用拉格朗日方程來(lái)描述。 ? ? 為虛擬質(zhì)量因子，默認(rèn)值為0.5。

流體通過(guò)阻力和湍流來(lái)影響離散相，顆粒的平均動(dòng)量和平均湍流的減小反過(guò)來(lái)影響流體的流動(dòng)，雙向耦合用于解決這兩個(gè)階段之間的相互作用。當(dāng)顆粒通過(guò)每個(gè)控制單元時(shí)，就會(huì)計(jì)算顆粒和流體間的動(dòng)量交換。流體速度包括兩個(gè)要素，即：平均速度和隨機(jī)波動(dòng)速度。隨機(jī)波動(dòng)速度影響粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。本文中，利用離散隨機(jī)模型（DRW模型）來(lái)考慮顆粒-渦流的相互作用。波動(dòng)速度服從高斯概率分布。雙向湍流耦合使得由于顆粒阻尼和湍流渦流而引起的湍流量變化產(chǎn)生影響。為考慮這種影響， RNG k-ε模型方程應(yīng)包含顆粒源相。

磨損模型用于模擬實(shí)際中管道壁面與顆粒間的碰撞產(chǎn)生磨損的大小，一個(gè)精確的模型得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確。而由于碰撞材料、流體等屬性不同，許多研究學(xué)者都提出過(guò)沖蝕磨損模型，這些模型種類有很多，適應(yīng)范圍較窄，選擇合適的磨損模型尤為重要。而Oka提出的模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分吻合。該模型如下所示

式中，E90是當(dāng)沖擊角為90°時(shí)的參考磨損率，V為顆粒物速度，Vref為參考速度，d為顆粒物粒徑，dref為顆粒物參考粒徑。Hv為材料的維氏硬度; n1和n2為常數(shù); ? ? ? ?為沖擊角的無(wú)量綱函數(shù); ? ? ?為粒子入射角。

3 工況條件及仿真設(shè)置

幾何模型為三段圓管道，中間為傳感器管道，兩端為疏浚管道。管道橫截面直徑為D=0.2m，傳感器長(zhǎng)度為2D，兩端管道長(zhǎng)度均為5D。橫截面網(wǎng)格劃分采用O網(wǎng)格。

本文的工況基于ERT設(shè)備在疏浚工程實(shí)際，選取的進(jìn)口速度為4-6m/s，顆粒物為疏浚工程常見(jiàn)的物質(zhì)，如表1。

湍流模型選擇RNG k-epsilon模型。采用DPM模型和非穩(wěn)態(tài)跟蹤。內(nèi)迭代步驟數(shù)為50步，時(shí)間步長(zhǎng)為0.001s，時(shí)間步數(shù)為1000步。每個(gè)方程的控制單元?dú)埐钚∮?0-4。液相的求解器類型為壓力基，速度為絕對(duì)速度。入口邊界條件設(shè)為“velocity-inlet”，壁面材料為密度為7800 kg/m3的壁面材料。粗糙度值設(shè)置為10μm，粗糙度常數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值是0.5。出口邊界條件設(shè)為“pressure-outlet”。湍流強(qiáng)度設(shè)置為5%（完全湍流）。設(shè)水力直徑與管徑相同，為0.2 m。粒子是球形。顆粒密度不做強(qiáng)調(diào)時(shí)選值為1300 kg/m3。質(zhì)量流量設(shè)定為0.023kg/s。壁面條件為“reflect”，出口是“escape”?！霸谒星闆r下，顆粒均與流體以相同的速度射入管道。壓力是1.01 × 105 Pa，溫度設(shè)置為25℃。

4 討論與分析

4.1模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文選擇的磨損模型，將驗(yàn)證模型的邊界條件設(shè)置成與Ronald E [18]中的邊界條件相同。驗(yàn)證模型的流速分別為15 m/s、23 m/s和27 m/s，流體的連續(xù)相為氣體。固體顆粒為不規(guī)則的石英砂，密度為2650 kg/m3。表2的結(jié)果表明，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，仿真結(jié)果符合要求。因此，驗(yàn)證模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異在可接受范圍內(nèi)，該模型可以獲得精確的磨損形狀。

表2中得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的差距較小，在允許的實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)。而且仿真得到的管道磨損形狀與相關(guān)文獻(xiàn)中的一致，這表明，這種構(gòu)建得到的模型具有足夠的準(zhǔn)確性，能準(zhǔn)確地模擬彎管內(nèi)的磨損，得到具有實(shí)際意義的值，這為本文的計(jì)算結(jié)果提供了根本支持。

4.2 磨損特性

通過(guò)模擬得到的傳感器段云圖可以定性對(duì)其磨損特性分析，如圖1。當(dāng)維氏硬度為0.8GPa時(shí)，傳感器受到磨損的位置較多且無(wú)規(guī)律性，最大磨損率為4.2×10-9Kg/m2/s。壁面有一段位置處于最大剪切應(yīng)力區(qū)域，數(shù)值為0.114Pa。

4.3 傳感器材料對(duì)沖蝕磨損率的影響

傳感器在測(cè)試過(guò)程中存在磨損現(xiàn)象，它不僅與顆粒物的粒徑、濃度、流速有關(guān)，還和傳感器直徑、材料等相關(guān)。將傳感器內(nèi)襯材料轉(zhuǎn)化不同維氏硬度的材料進(jìn)行分析，內(nèi)襯設(shè)計(jì)對(duì)顆粒物與壁面碰撞起著緩沖作用。本文將其視為減小壁面材料硬度。保持進(jìn)口速度為5m/s，進(jìn)口顆粒為常見(jiàn)的淤泥。研究不同管道材料對(duì)管道磨損和強(qiáng)度的影響，如圖2和圖3。在仿真中，發(fā)現(xiàn)在改變維氏硬度時(shí)，最大磨損率均出現(xiàn)一處位置點(diǎn)。當(dāng)維氏硬度為0.8-2.3GPa范圍內(nèi)，由于材料硬度不處在很高數(shù)值，隨著硬度增大，管道壁面與顆粒物的碰撞愈發(fā)激烈，導(dǎo)致最大磨損率逐漸增大;當(dāng)維氏硬度為2.8GPa時(shí)，此時(shí)硬度較大，顆粒物對(duì)管道的碰撞能力有效，使得最大磨損率略微減小。

隨著硬度的變化，壁面最大剪切力基本趨于穩(wěn)定，最大值與最小值相差0.03Pa，波動(dòng)很小。這能說(shuō)明硬度對(duì)壁面最大剪切力的影響特別小，在實(shí)際工程中可以忽略。

4.4 顆粒物物性對(duì)沖蝕磨損率的影響

在維氏硬度為默認(rèn)值1.8GPa，顆粒物進(jìn)口速度5m/s的前提下，對(duì)不同顆粒物對(duì)最大磨損率和壁面強(qiáng)度進(jìn)行了研究。首先值得注意的是，當(dāng)顆粒物為城市建筑垃圾和細(xì)粉沙時(shí)，最大磨損率存在管道的兩處位置點(diǎn);其他的三種顆粒物對(duì)壁面只存有一處最大磨損位置。從圖4可以看出，當(dāng)顆粒物密度較大（顆粒物A、C、E）時(shí)，顆粒物對(duì)管道的磨損很嚴(yán)重，高達(dá)10-5Kg/m2/s數(shù)量級(jí)水平。當(dāng)顆粒物密度較?。w粒物B、D）時(shí)，顆粒物對(duì)管道的磨損在10-9Kg/m2/s數(shù)量級(jí)水平。同時(shí)，比較顆粒物A、C、E也發(fā)現(xiàn)，顆粒物密度對(duì)管道磨損的影響不大。由此得出，顆粒物的粒徑對(duì)最大磨損率影響很顯著，密度對(duì)最大磨損率影響很微弱。

對(duì)不同顆粒物對(duì)壁面最大剪切應(yīng)力做了分析，如圖5。當(dāng)顆粒物為巖石時(shí)，壁面最大剪切應(yīng)力值較大，這可能是因?yàn)閹r石的密度和粒徑值均較大，在它們的雙重影響下，最大剪切應(yīng)力也處于高位數(shù)值。

4.5 進(jìn)口速度對(duì)沖蝕磨損率的影響

在保證顆粒粒徑值默認(rèn)為1×10-5m，顆粒物為淤泥，維氏硬度為默認(rèn)值1.8GPa的工況下，對(duì)不同的顆粒物進(jìn)口速度進(jìn)行了分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)口速度為4.5m/s時(shí)，最大磨損率存在于兩個(gè)不同的位置點(diǎn)，在其他速度工況下，最大磨損率只存在于一個(gè)位置點(diǎn)。如圖6，隨著進(jìn)口速度的增大，最大磨損率呈增大趨勢(shì)再逐步穩(wěn)定。這可能是因?yàn)?，隨著進(jìn)口速度增大，顆粒物與壁面碰撞幾率增多，所以最大磨損率逐漸變大;當(dāng)進(jìn)口速度增大到一定值后，壁面內(nèi)顆粒物處于飽和狀態(tài)，顆粒物與壁面碰撞幾率波動(dòng)不大，對(duì)壁面的影響能力趨于定值，故最大磨損率保持穩(wěn)定。

隨著進(jìn)口速度的增大，壁面最大剪切應(yīng)力處于很小幅度增大后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，如圖7所示。隨著進(jìn)口速度的增大，顆粒物的動(dòng)量也在不斷增加，所以對(duì)壁面的剪切應(yīng)力也在增強(qiáng);當(dāng)速度增大到一定值后，顆粒物與壁面接觸區(qū)域有限，使得顆粒物與壁面動(dòng)量交換有限，故剪切應(yīng)力趨于穩(wěn)定。但從剪切應(yīng)力變化的數(shù)值來(lái)講，隨著進(jìn)口速度的變化，壁面剪切應(yīng)力的變化很微弱。

4.6 傳感器內(nèi)襯技術(shù)的應(yīng)用

結(jié)合工程應(yīng)用需求及數(shù)值模擬結(jié)果，提出兩種內(nèi)襯解決方案：①針對(duì)小型挖泥船，施工介質(zhì)以淤泥、細(xì)粉沙為主的工況條件，傳感器內(nèi)襯采用聚氨酯內(nèi)襯，降低設(shè)備采購(gòu)成本;②針對(duì)中、大型挖泥船，施工介質(zhì)涉及中粗砂、卵石、碎石、巖石、珊瑚礁、黏土等工況條件，傳感器內(nèi)襯采用復(fù)合耐磨陶瓷內(nèi)襯，降低設(shè)備使用成本;自實(shí)船應(yīng)用以來(lái)，取得優(yōu)異的使用效果，歷經(jīng)各種復(fù)雜工況條件的考驗(yàn)，包括巖石、珊瑚礁、城市建筑垃圾、卵石等，如圖8和圖9。

5 結(jié)論

（1）對(duì)于ERT設(shè)備內(nèi)兩相流問(wèn)題，使用DPM和RNG k-epsilon模型能夠很好地模擬內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)。模擬值與實(shí)測(cè)值表現(xiàn)出良好的一致性。

（2）在低位區(qū)間改變碳鋼材料的硬度對(duì)最大磨損率影響較大，在高位區(qū)間硬度對(duì)最大磨損率影響不明顯;管道中的最大磨損率對(duì)顆粒物的密度和粒徑很敏感。在低位區(qū)間的進(jìn)口速度對(duì)最大磨損率的影響也較為明顯。管道與顆粒物之間通過(guò)碰撞來(lái)進(jìn)行動(dòng)量交換出現(xiàn)磨損點(diǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生最大磨損率位置點(diǎn)。碳鋼材料、顆粒物物性及進(jìn)口速度中壁面最大剪切應(yīng)力影響較為明顯的只有顆粒物物性。

（3）特有的內(nèi)襯設(shè)計(jì)對(duì)磨損起到緩沖作用，模擬結(jié)果表明，內(nèi)襯技術(shù)能有效地減小傳感器最大磨損率，確保設(shè)備的使用壽命。

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