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：挖泥船濃度測量設備的有效性對施工效率提升具有很大促進作用，其測量精確性是實現(xiàn)智能挖泥的關鍵技術節(jié)點之一。電阻層析掃描成像技術為解決這一問題提供了方案，但傳感器會受到?jīng)_蝕磨損影響使用壽命，也會造成安全隱患。本文以顆粒動力學為基礎對傳感器沖蝕磨損特性進行了CFD數(shù)值模擬，并和相關文獻中的試驗數(shù)據(jù)進行了對比。結(jié)果表明，在傳感器內(nèi)均存在最大磨損位置點，傳感器材料的硬度值對最大磨損率影響較大，并呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的趨勢。通過顆粒物與管道間碰撞過程來進行動量互換，顆粒物性、流速直接與最大磨損位置和數(shù)值相關聯(lián)。壁面的最大剪切應力與顆粒物的物性相關，與管道材料及流速關聯(lián)不大。

關鍵詞：電阻層析成像技術;內(nèi)襯技術;計算流體力學;沖蝕磨損;流動特性

中圖分類號：U61 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）07-0054-04

1 前言

耙吸、絞吸、斗輪挖泥船施工是通過管道利用水力完成疏浚土的輸送，濃度測量設備的有效性對施工效率的提升具有很大的促進作用，同時其測量的精確性是實現(xiàn)智能挖泥一個很關鍵的技術節(jié)點。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)挖泥船濃度的測量以核技術應用最為廣泛，但其缺點亦非常明顯：測量區(qū)域與整個橫截面面積占比小、液固混合越不均勻測量精度越低、對體積產(chǎn)量的測量精度進行有效評估存在很大困難。鑒于以上問題，電阻層析掃描成像技術（ERT）為解決上述問題提供了一種解決方案。ERT技術是一種基于電阻傳感器原理的層析成像技術，通過測量電阻率的分布來獲得多相介質(zhì)的分布。相對于核技術，ERT技術在測量液固兩相流體時具有更大的測量面積占比、可實現(xiàn)更快速的測量、測量結(jié)果與真實濃度呈現(xiàn)線性關系、可實現(xiàn)可視化測量及測量圖像數(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。

ERT技術應用于挖泥船施工需解決的關鍵問題之一，就是對傳感器的抗磨損能力分析，此能力直接決定設備的使用壽命。據(jù)英國科學家T.S.Eyre[1]估計，沖蝕磨損導致的事故數(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)沖蝕磨損機理，對增加傳感器的使用壽命，提高檢測效率有重要意義，有利于實際測試中的安全與高效，具有重要的實際作用。

影響傳感器設備磨損的因素有很多，而研究磨損的學者們也根據(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。由于磨損預測涉及因素種類較多，可用不同的模型來表述這些因素的相互關系。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]來模擬顆粒與壁面之間的交互作用;用湍流模型來模擬流體的運動;用三種耦合的方法來實現(xiàn)顆粒和流體間傳質(zhì);以及用磨損模型來反映顆粒屬性、流速、沖擊角度等對磨損的影響。

雖然前人對ERT測量液固兩相流濃度的系統(tǒng)組成、成像算法、測量精度等特性進行了大量的研究，得到了許多非常有價值的結(jié)論，但對ERT設備本身抗沖蝕磨損特性的研究依然不夠全面。為了解決ERT測試過程中疏浚產(chǎn)物對ERT設備的沖蝕磨損，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ERT技術中的實際工況對不同傳感器材料、不同疏浚顆粒物物性及疏浚工程實際流速對傳感器沖蝕磨損展開研究，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選材和使用壽命評估方面具有指導意義。

2 數(shù)學模型

Navier-Stocks方程是流體的基本方程，該方程用來描述流體計算中的壓力、速度和密度等相關信息的求解。在本文中，描述為連續(xù)方程和動量方程。湍流模型是用來計算連續(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計算流體軌跡的。通過對作用于顆粒上的力進行積分，軟件ANSYS Fluent 能夠展示各個顆粒的軌跡，這個過程可以用拉格朗日方程來描述。 ? ? 為虛擬質(zhì)量因子，默認值為0.5。

流體通過阻力和湍流來影響離散相，顆粒的平均動量和平均湍流的減小反過來影響流體的流動，雙向耦合用于解決這兩個階段之間的相互作用。當顆粒通過每個控制單元時，就會計算顆粒和流體間的動量交換。流體速度包括兩個要素，即：平均速度和隨機波動速度。隨機波動速度影響粒子的運動軌跡。本文中，利用離散隨機模型（DRW模型）來考慮顆粒-渦流的相互作用。波動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模型方程應包含顆粒源相。

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

式中，E90是當沖擊角為90°時的參考磨損率，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); ? ? ? ?為沖擊角的無量綱函數(shù); ? ? ?為粒子入射角。

3 工況條件及仿真設置

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，傳感器長度為2D，兩端管道長度均為5D。橫截面網(wǎng)格劃分采用O網(wǎng)格。

本文的工況基于ERT設備在疏浚工程實際，選取的進口速度為4-6m/s，顆粒物為疏浚工程常見的物質(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，時間步長為0.001s，時間步數(shù)為1000步。每個方程的控制單元殘差小于10-4。液相的求解器類型為壓力基，速度為絕對速度。入口邊界條件設為“velocity-inlet”，壁面材料為密度為7800 kg/m3的壁面材料。粗糙度值設置為10μm，粗糙度常數(shù)設置為默認值是0.5。出口邊界條件設為“pressure-outlet”。湍流強度設置為5%（完全湍流）。設水力直徑與管徑相同，為0.2 m。粒子是球形。顆粒密度不做強調(diào)時選值為1300 kg/m3。質(zhì)量流量設定為0.023kg/s。壁面條件為“reflect”，出口是“escape”。“在所有情況下，顆粒均與流體以相同的速度射入管道。壓力是1.01 × 105 Pa，溫度設置為25℃。

4 討論與分析

4.1模型驗證

為驗證本文選擇的磨損模型，將驗證模型的邊界條件設置成與Ronald E [18]中的邊界條件相同。驗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)與實驗數(shù)據(jù)基本一致，仿真結(jié)果符合要求。因此，驗證模型與實驗數(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)果與實驗值的差距較小，在允許的實驗誤差范圍內(nèi)。而且仿真得到的管道磨損形狀與相關文獻中的一致，這表明，這種構建得到的模型具有足夠的準確性，能準確地模擬彎管內(nèi)的磨損，得到具有實際意義的值，這為本文的計算結(jié)果提供了根本支持。

4.2 磨損特性

通過模擬得到的傳感器段云圖可以定性對其磨損特性分析，如圖1。當維氏硬度為0.8GPa時，傳感器受到磨損的位置較多且無規(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力區(qū)域，數(shù)值為0.114Pa。

4.3 傳感器材料對沖蝕磨損率的影響

傳感器在測試過程中存在磨損現(xiàn)象，它不僅與顆粒物的粒徑、濃度、流速有關，還和傳感器直徑、材料等相關。將傳感器內(nèi)襯材料轉(zhuǎn)化不同維氏硬度的材料進行分析，內(nèi)襯設計對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。保持進口速度為5m/s，進口顆粒為常見的淤泥。研究不同管道材料對管道磨損和強度的影響，如圖2和圖3。在仿真中，發(fā)現(xiàn)在改變維氏硬度時，最大磨損率均出現(xiàn)一處位置點。當維氏硬度為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，導致最大磨損率逐漸增大;當維氏硬度為2.8GPa時，此時硬度較大，顆粒物對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，波動很小。這能說明硬度對壁面最大剪切力的影響特別小，在實際工程中可以忽略。

4.4 顆粒物物性對沖蝕磨損率的影響

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

對不同顆粒物對壁面最大剪切應力做了分析，如圖5。當顆粒物為巖石時，壁面最大剪切應力值較大，這可能是因為巖石的密度和粒徑值均較大，在它們的雙重影響下，最大剪切應力也處于高位數(shù)值。

4.5 進口速度對沖蝕磨損率的影響

在保證顆粒粒徑值默認為1×10-5m，顆粒物為淤泥，維氏硬度為默認值1.8GPa的工況下，對不同的顆粒物進口速度進行了分析。可以發(fā)現(xiàn)，當進口速度為4.5m/s時，最大磨損率存在于兩個不同的位置點，在其他速度工況下，最大磨損率只存在于一個位置點。如圖6，隨著進口速度的增大，最大磨損率呈增大趨勢再逐步穩(wěn)定。這可能是因為，隨著進口速度增大，顆粒物與壁面碰撞幾率增多，所以最大磨損率逐漸變大;當進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不大，對壁面的影響能力趨于定值，故最大磨損率保持穩(wěn)定。

隨著進口速度的增大，壁面最大剪切應力處于很小幅度增大后穩(wěn)定的變化趨勢，如圖7所示。隨著進口速度的增大，顆粒物的動量也在不斷增加，所以對壁面的剪切應力也在增強;當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量交換有限，故剪切應力趨于穩(wěn)定。但從剪切應力變化的數(shù)值來講，隨著進口速度的變化，壁面剪切應力的變化很微弱。

4.6 傳感器內(nèi)襯技術的應用

結(jié)合工程應用需求及數(shù)值模擬結(jié)果，提出兩種內(nèi)襯解決方案：①針對小型挖泥船，施工介質(zhì)以淤泥、細粉沙為主的工況條件，傳感器內(nèi)襯采用聚氨酯內(nèi)襯，降低設備采購成本;②針對中、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)襯采用復合耐磨陶瓷內(nèi)襯，降低設備使用成本;自實船應用以來，取得優(yōu)異的使用效果，歷經(jīng)各種復雜工況條件的考驗，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）對于ERT設備內(nèi)兩相流問題，使用DPM和RNG k-epsilon模型能夠很好地模擬內(nèi)部流動狀態(tài)。模擬值與實測值表現(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最大磨損率影響較大，在高位區(qū)間硬度對最大磨損率影響不明顯;管道中的最大磨損率對顆粒物的密度和粒徑很敏感。在低位區(qū)間的進口速度對最大磨損率的影響也較為明顯。管道與顆粒物之間通過碰撞來進行動量交換出現(xiàn)磨損點，進而產(chǎn)生最大磨損率位置點。碳鋼材料、顆粒物物性及進口速度中壁面最大剪切應力影響較為明顯的只有顆粒物物性。

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

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