基于DPM固液兩相流仿真的單向閥沖蝕特性研究

基金項(xiàng)目：重慶市技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用發(fā)展專項(xiàng)面上項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：cstc2020jscx?msxm0411）資助的課題。

作者簡(jiǎn)介：張進(jìn)杰（1987-），副教授，從事往復(fù)機(jī)械故障監(jiān)測(cè)診斷的研究。

通訊作者：王瑤（1992-），講師，從事往復(fù)機(jī)械故障監(jiān)測(cè)診斷的研究，wyaobeijing@163.com。

引用本文：張進(jìn)杰，張慧斌，陳平偉，等.基于DPM固液兩相流仿真的單向閥沖蝕特性研究[J].化工機(jī)械，2024，51（2）：229-236.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202402010

摘 要 基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD?DPM），結(jié)合k?ε湍流模型，建立了一種顆粒-流場(chǎng)雙向耦合沖蝕磨損模型，以單向閥為研究對(duì)象，分析閥芯開度、顆粒粒徑和濃度對(duì)過流部件壁面的沖蝕磨損影響。結(jié)果表明：閥隙是顆粒運(yùn)動(dòng)的高速區(qū)，磨損嚴(yán)重部位是閥芯底角和閥座錐面，且閥座錐面處磨損相對(duì)嚴(yán)重;隨閥芯開度的增大，顆粒在閥隙內(nèi)速度降低，對(duì)過流壁面磨損量減少;閥芯沖蝕速率隨粒徑增大而減小，閥座沖蝕速率隨粒徑增大而增大，當(dāng)粒徑為0.5 mm時(shí)，閥座最大沖蝕速率和平均沖蝕速率接近極大值;閥芯與閥座沖蝕速率與顆粒濃度呈正相關(guān)，閥座處磨損面積隨濃度增大而增大。

關(guān)鍵詞 往復(fù)隔膜泵 單向閥 固液兩相 沖蝕磨損 DPM

中圖分類號(hào) TQ051.21" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2024）02?0229?08

往復(fù)隔膜泵是一種液體輸送的重要設(shè)備，其綜合了往復(fù)柱塞泵壓力高、堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，并具有連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率高、運(yùn)行成本低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在輸送高磨蝕固-液兩相介質(zhì)方面作用突出，被廣泛應(yīng)用于化工、礦山、冶金等領(lǐng)域。單向閥是控制往復(fù)隔膜泵進(jìn)、出料的核心部件，也是泵的關(guān)鍵易損件，其主要包括閥錐、閥芯、彈簧等部件。長(zhǎng)期受高磨蝕性固-液兩相介質(zhì)的持續(xù)沖刷作用，單向閥閥錐、閥芯元件極易發(fā)生磨損、斷裂、泄漏故障;同時(shí)由于輸送料漿中常出現(xiàn)大顆粒固體，因此單向閥還存在卡塞、關(guān)閉不嚴(yán)等故障[1，2]。

目前，針對(duì)往復(fù)隔膜泵故障機(jī)理與監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)的研究較少，惡劣工況下的單向閥失效原理與特征還不清晰。故障機(jī)理研究方面，殷鑫利用PIV技術(shù)對(duì)不同錐角在不同升距下的閥隙流量進(jìn)行了測(cè)量，并分析了閥隙流速對(duì)泵閥沖蝕磨損的影響[3];莫麗等通過數(shù)值仿真研究了泵閥沖次和凡爾膠皮對(duì)閥隙速度的影響規(guī)律，分析了沖蝕磨損機(jī)理，但未涉及固相顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)閥芯的沖蝕作用[4];魏秀業(yè)等利用CFD技術(shù)分析了軸向柱塞泵內(nèi)的流動(dòng)物理特性，結(jié)果表明，流體速度與沖蝕損傷面積密切相關(guān)[5];李千登等通過CFD方法分析了不同流型閥的抗沖蝕能力，并探究了流體壓力和顆粒流動(dòng)速度對(duì)閥芯沖蝕速率的影

響[6]。

與往復(fù)壓縮機(jī)、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)等往復(fù)機(jī)械的閥門不同，往復(fù)隔膜泵單向閥長(zhǎng)期工作在高壓、強(qiáng)磨蝕性流體環(huán)境中，并伴隨強(qiáng)烈的落座沖擊作用。受輸送礦物顆粒大小、漿體流變特性等因素影響，往復(fù)隔膜泵單向閥故障具有突發(fā)性、并發(fā)性、多源性和不確定性的特點(diǎn)。而現(xiàn)有機(jī)理研究對(duì)固液兩相流特性，特別是固體顆粒大小、濃度等參數(shù)對(duì)閥芯、閥座沖蝕的影響關(guān)注較少。研究固液兩相介質(zhì)與變工況運(yùn)行條件下單向閥故障機(jī)理對(duì)往復(fù)隔膜泵實(shí)際故障監(jiān)測(cè)診斷具有重要意義，可進(jìn)一步與動(dòng)力學(xué)分析研究結(jié)合提取有效的故障劣化特征。

沖蝕磨損計(jì)算要追蹤每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，最常見的是采用離散相模型進(jìn)行數(shù)值模擬[7]。SHI B C和WEI J J利用歐拉-歐拉模型研究了固液兩相流離心泵中顆粒體積分?jǐn)?shù)分別為10%、20%、30%時(shí)與清水工況下的流動(dòng)特性，并進(jìn)行了對(duì)比，得出了顆粒分布軌跡[8]。趙健等建立了DPM鉆頭內(nèi)流道沖蝕仿真模型，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性[9]。胡錦程等基于DPM方法研究了壓裂泵工作中閥隙流場(chǎng)與沖蝕磨損規(guī)律，探究了泵閥結(jié)構(gòu)對(duì)沖蝕速率的影響規(guī)律[10]。王佳琪等通過DPM方法研究了不同開度V型球閥的固液兩相流流場(chǎng)特性，得到了顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡和液相流場(chǎng)分布規(guī)律[11]。

筆者以往復(fù)隔膜泵單向閥為研究對(duì)象，構(gòu)建固-液雙向耦合沖蝕模型，采用數(shù)值模擬仿真方法對(duì)兩相流介質(zhì)條件下的隔膜泵單向閥沖蝕磨損情況進(jìn)行分析，獲得閥體易磨損部位，以及開度、粒徑及濃度等參數(shù)對(duì)泵閥內(nèi)流道沖蝕磨損的影響規(guī)律，為掌握泵閥過流部件磨損區(qū)域、實(shí)際故障溯源提供依據(jù)。

1 仿真模型構(gòu)建

1.1 三維仿真模型

以KJ200?260型往復(fù)隔膜泵錐形彈簧排出閥為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該往復(fù)隔膜泵的關(guān)鍵性能參數(shù)如下：

額定流量Q 480 m3/h

最大壓力p 10 MPa

泵速n 44 r/min

活塞行程S 520 mm

活塞直徑D 400 mm

電機(jī)功率P 1 600 kW

閥座孔徑D 260 mm

彈簧剛度k 14.496 N/mm

計(jì)算時(shí)，忽略螺栓、連接件及導(dǎo)向板等對(duì)實(shí)際仿真影響較小的零部件，且模型具有對(duì)稱性，故利用SolidWorks對(duì)泵閥流體域進(jìn)行對(duì)稱建模，在SCDM中進(jìn)行幾何模型前處理，運(yùn)用Fluent Meshing對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分并對(duì)閥隙部分進(jìn)行局部網(wǎng)格加密以提高計(jì)算精度，其中壁面設(shè)置5層邊界層網(wǎng)格。為保證計(jì)算精度，以計(jì)算揚(yáng)程變化量小于1%為準(zhǔn)則對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為24 787 370，網(wǎng)格質(zhì)量為0.2，如圖2所示。

1.2 控制方程

往復(fù)泵在輸送含砂水流過程中，砂礫的沖蝕作用對(duì)泵閥流道造成磨損。應(yīng)用數(shù)值模擬方法分析固體顆粒對(duì)過流部件的沖蝕特性，對(duì)于液相選用RNG k?ε湍流模型，在拉格朗日坐標(biāo)系中求解離散相運(yùn)動(dòng)軌跡，由于在此固液兩相流中，溫度和熱量轉(zhuǎn)換可忽略，故不考慮能量方程，主要考慮連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程，在不可壓縮流體下二者的表達(dá)式如下：

=0（1）

（ρu）+（ρu）=-+μ+ρf（2）

其中，u、u分別為x、y方向的速度;ρ為流體密度;p為流體微元上的壓力;μ為流體動(dòng)力粘度;f為外源力項(xiàng)。

1.3 沖蝕模型

壁面磨損速率通過Discrete Phase分析法求解，選取顆粒與液相雙向耦合Erosion模型，流體作用于顆粒的阻曳力可表達(dá)為：

F=C··（3）

C=a++（4）

其中，F(xiàn)為粒子阻力;C為阻力系數(shù);d為顆粒直徑;u和u分別為流體和顆粒速度;a、a、a為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);Re為雷諾數(shù)。

沖蝕速率R定義為：

R=（5）

其中，N為顆粒數(shù)目;M為顆粒質(zhì)量流率;C（d）為顆粒粒徑函數(shù);f（α）為沖擊角函數(shù);b（v）為顆粒相對(duì)速度函數(shù);A為壁面面積。

1.4 計(jì)算域邊界條件與初值條件

為研究顆粒對(duì)泵閥的沖蝕作用，做出如下假設(shè)：顆粒為潔凈圓滑球形，液體不可壓縮，均無相變;顆粒在流體中均勻分布，流體定常流動(dòng)。液態(tài)水為液相，石英砂為固相，介質(zhì)參數(shù)見表1。

入口設(shè)置為速度入口，出口為自由流動(dòng)且顆粒逃逸。壁面采用反射條件且無相對(duì)滑移，顆粒法向反射與切向反射表達(dá)式為：

ε=0.993-0.0307α+4.75×10α-2.61×10α（6）

ε=0.998-0.029α+6.43×10α-3.56×10α（7）

其中，ε和ε分別表示法向和切向顆粒反射系數(shù);α為顆粒入射角度。

沖擊角函數(shù)f（α）為分段式函數(shù)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。顆粒直徑函數(shù)為1.8×10-9，顆粒入射速度指數(shù)為2.6。壓力-速度采用SIMPIE耦合方式，其他參數(shù)采用二階差分格式離散。

2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述模型的正確性，在清水介質(zhì)下，利用模型對(duì)單向閥性能進(jìn)行模擬，分析液相流場(chǎng)分布規(guī)律。閥芯在20%、60%、100%開度下的泵閥壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布如圖3所示，可以看出，從泵閥進(jìn)口到出口，壓力逐漸降低;隨開度的增大，泵閥內(nèi)壓力梯度降低，出口端壓力升高。閥隙內(nèi)速度出現(xiàn)最大值，且隨著閥芯開度的增大，閥隙最大速度減小，這與文獻(xiàn)[12，13]研究往復(fù)泵與鉆井泵泵閥流場(chǎng)分布的結(jié)果吻合較好，從而驗(yàn)證了本文模型的正確性。

3 結(jié)果計(jì)算與討論

在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)沖蝕磨損部位、閥芯開度、顆粒粒徑和顆粒濃度對(duì)沖擊特性的影響進(jìn)行研究。實(shí)際仿真過程中完成了不同參數(shù)設(shè)置對(duì)沖蝕磨損規(guī)律的影響分析，但考慮到篇幅有限，具體分析過程中僅選擇具有代表性的仿真結(jié)果進(jìn)行說明。

3.1 閥隙過流部件磨損分析

設(shè)置閥芯開度20%、粒徑0.4 mm、顆粒濃度

60 kg/m3。圖4為閥隙內(nèi)閥芯和閥座沖蝕速率分布云圖，可以看出，閥芯處磨損集中在閥芯結(jié)構(gòu)突變位置，即閥芯底角區(qū)域，錐面和頭部平面幾乎未發(fā)生磨損。閥座處磨損主要發(fā)生在閥座錐面，且進(jìn)口位置磨損速率低于出口位置，閥座的最大磨損速率高于閥芯。

圖5是閥芯和閥座的壁面剪切力分布圖，可以看出，閥芯頭部底角是閥頭表面受剪切力最大的地方，因?yàn)殚y芯底角是閥隙入口部分，顆粒運(yùn)動(dòng)速度激增，動(dòng)能與沖擊力增大，顆粒運(yùn)動(dòng)的方向會(huì)對(duì)閥芯底角產(chǎn)生切削作用，在顆粒的連續(xù)沖擊作用下最易發(fā)生磨損。閥座錐面所受的剪切力最大，最大剪切力低于閥芯底角的，但閥座錐面的最大磨損速率要高于閥芯底角，這是因?yàn)槌w粒高速沿閥座錐面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生切削外，運(yùn)動(dòng)到閥芯頭部的顆粒反彈至閥座產(chǎn)生擠壓作用，導(dǎo)致顆粒對(duì)閥座的沖擊頻率更高。

3.2 閥芯開度對(duì)泵閥沖蝕速率的影響

不同閥芯開度下閥隙處的速度分布如圖6所示。當(dāng)流體流經(jīng)閥隙時(shí)，過流域面積減小，流體速度迅速增大，閥芯頭部底角和錐面始終處于高速區(qū)，閥座錐面流體高速區(qū)隨閥芯開度增大向出口位置偏移。

設(shè)置粒徑為0.4 mm，濃度為40 kg/m3。閥芯開度對(duì)最大速度和最大沖蝕速率的影響如圖7所示，可以看出，閥芯開度由20%增大到40%的過程中，閥芯和閥座最大沖蝕速率迅速減小且閥座最大沖蝕速率比閥芯大;閥芯開度由40%增大到100%的過程中，閥芯最大沖蝕速率超過閥座。其原因是隨著閥芯開度的增大，閥隙流體域擴(kuò)大，閥隙內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)最大速度減小，反彈的顆粒動(dòng)能減小，對(duì)閥座錐面的沖擊減弱，且單位體積內(nèi)顆粒數(shù)目減少，對(duì)閥座的沖擊次數(shù)減少，閥芯底角始終處于流體運(yùn)動(dòng)高速區(qū)，閥座入口處隨開度增大成為低速區(qū)，閥座錐面的磨損區(qū)域相比閥座錐面出口處集中。

3.3 顆粒粒徑對(duì)泵閥沖蝕速率的影響

圖8為不同固相顆粒粒徑下閥芯與閥座密封面的沖蝕速率云圖。由圖8a可以看出，閥芯底角磨損區(qū)域在粒徑0.1 mm時(shí)，沖蝕速率最大，隨著粒徑的增大，最大沖蝕速率減小，但磨損范圍擴(kuò)大，粒徑0.5、1.0 mm時(shí)的磨損狀況與之相似。由圖8b可以看出，粒徑0.1 mm時(shí)，閥座沖蝕速率最小，隨著粒徑增大，閥座磨損加劇。閥座錐面磨損分布在整個(gè)區(qū)域，入口處磨損小于其他區(qū)域，原因：一是閥隙內(nèi)通流區(qū)域小，顆粒粒徑較大，顆粒沖擊頻率高;二是閥隙內(nèi)顆粒速度大于閥隙入口處。

當(dāng)閥芯開度為20%，濃度為40 kg/m3時(shí)，圖9為不同粒徑對(duì)閥芯與閥座密封面沖蝕速率的影響。可以看出，粒徑在0.5 mm以下時(shí)，閥芯與閥座沖蝕速率變化呈相反趨勢(shì)，閥芯磨損隨粒徑增大而減小，并且閥座磨損隨粒徑增大而增大;粒徑大于0.5 mm后，沖蝕速率趨勢(shì)穩(wěn)定。粒徑由0.1 mm增大到1.2 mm的過程中，顆粒最大速度減小了33%;由式（5）可知，沖蝕速率與速度成正相關(guān)，即隨粒徑的增大顆粒最大速度減小，降低對(duì)壁面的磨損。同時(shí)，粒徑增大會(huì)增加顆粒的沖擊力與慣性，引起磨損率的增大。但由于閥芯磨損區(qū)域發(fā)生在閥芯底角，磨損區(qū)域狹窄，因此當(dāng)粒徑小于0.5 mm時(shí)，速度減小相對(duì)于慣性增大占主導(dǎo)作用，所以閥芯處的最大磨損速率和平均磨損速率都隨粒徑增大而減小。當(dāng)粒徑大于0.5 mm時(shí)，兩方面影響達(dá)到平衡，閥芯處最大沖蝕速率趨于穩(wěn)定。當(dāng)粒徑小于0.5 mm時(shí)，閥座錐面沖蝕速率隨粒徑增大迅速增加，這是因?yàn)榱Ｗ拥膭?dòng)能隨粒徑增大而增大，顆粒慣性增加，沖擊力增加，導(dǎo)致沖蝕速率顯著增加。由于尺寸效應(yīng)，粒徑的增大會(huì)增加顆粒的作用面積，同時(shí)在顆粒濃度一定時(shí)，直徑的增加會(huì)減小顆粒的數(shù)目，降低沖擊壁面次數(shù)。當(dāng)粒徑大于0.5 mm時(shí)，沖擊次數(shù)的降低與沖擊力的增大達(dá)到平衡，最大沖蝕速率和平均沖蝕速率趨于穩(wěn)定。

3.4 顆粒濃度對(duì)泵閥沖蝕速率的影響

圖10為不同顆粒濃度下閥芯與閥座壁面沖蝕速率分布云圖。在濃度為20 kg/m3時(shí)，閥芯底角和閥座錐面的沖蝕速率較小，在顆粒平均粒徑不變濃度提升的情況下，閥芯與閥座的磨損量加劇。閥座磨損區(qū)域隨顆粒濃度的升高擴(kuò)大到充滿整個(gè)錐面，其原因是隨著顆粒濃度的提升，單位體積內(nèi)粒子數(shù)目增多引起間距縮小，顆粒間相互作用加劇，導(dǎo)致顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡紊亂范圍擴(kuò)大，撞擊閥座表面區(qū)域擴(kuò)大。

當(dāng)閥芯開度為20%時(shí)，圖11為不同顆粒濃度下，閥芯與閥座的沖蝕速率與最大速度曲線。可以看出，由于顆粒質(zhì)量均勻，顆粒最大速度幾乎不變，濃度由20 kg/m3增大到310 kg/m3的過程中，顆粒最大速度變化了2%。當(dāng)濃度小于220 kg/m3時(shí)，閥座平均沖蝕速率與濃度近似成正比關(guān)系，在C區(qū)域（顆粒濃度小于120 kg/m3），顆粒體積分?jǐn)?shù)為4.5%，閥座處最大沖蝕速率隨濃度的升高增速較快，在D區(qū)域隨濃度的升高增速較緩。這是因?yàn)轭w粒濃度的升高，會(huì)導(dǎo)致單位面積在單位時(shí)間內(nèi)沖擊部件表面的顆粒數(shù)量增加，表面磨損加劇，對(duì)最大磨損速率影響顯著;當(dāng)濃度增大到

120 kg/m3后，由于顆粒數(shù)目增加導(dǎo)致間距減小，顆粒間的碰撞干擾會(huì)使沖擊同一區(qū)域的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡突變，影響相同位置的磨損，故最大沖蝕速率的增長(zhǎng)衰減。閥座處的平均沖蝕速率總體上

大于閥芯處的，這是因?yàn)殚y座不僅受到顆粒的碰撞沖擊，還受到部分顆粒的摩擦切削作用。

3.5 多種因素耦合對(duì)泵閥沖蝕速率的影響

上述仿真僅獲得了單一參數(shù)變化對(duì)部件沖蝕特性的影響規(guī)律。應(yīng)指出，實(shí)際工況下不同因素存在耦合特點(diǎn)，故筆者進(jìn)一步對(duì)多種因素耦合對(duì)泵閥沖蝕速率的影響進(jìn)行研究。圖12為閥芯在20%開度下，顆粒粒徑在0.1～1.2 mm，濃度在0～

310 kg/m3范圍內(nèi)，閥芯與閥座處沖蝕速率分布圖。由圖12可見，閥座的磨損程度總體上大于閥芯。粒徑在0.1～0.5 mm、0.6～1.2 mm范圍內(nèi)時(shí)，閥芯平均沖蝕速率分別平均減小40%、27%，閥座平均沖蝕速率分別為原來的56倍、7.6%，與前文單變量分析結(jié)果吻合。閥芯和閥座處平均沖蝕速率隨濃度增加近似于線性變化，與式（5）質(zhì)量流率對(duì)沖蝕速率的影響一致。

4 結(jié)論

4.1 泵閥的磨損嚴(yán)重區(qū)域分布在閥芯底角和閥座錐面，閥座錐面進(jìn)口處磨損較小，在出口處出現(xiàn)磨損峰值。閥座錐面的磨損是由于顆粒的高頻次高速?zèng)_擊和沿閥座錐面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生切削共同作用的結(jié)果。

4.2 閥芯底角的磨損是由于顆粒的切削作用，閥芯開度的增大對(duì)過流部件沖蝕速率的影響呈指數(shù)級(jí)下降。

4.3 隨顆粒粒徑的增加，顆粒最大速度減小，閥芯底角處磨損減弱，閥座錐面處磨損加劇。閥座磨損情況總體上較閥芯處嚴(yán)重。

4.4 顆粒濃度的升高對(duì)顆粒最大速度幾乎無影響，閥芯和閥座處的磨損量加劇，閥芯處磨損部位未發(fā)生明顯改變，閥座處磨損區(qū)域面積增大。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張人會(huì)，孫鵬程，符義紅.往復(fù)泵泵閥流場(chǎng)與閥芯運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)耦合特性[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2021，39（3）：217-223.

[2] CHENG Q， LIU Y， WANG Z， et al.Dynamic failure analysis of static seals under pressure fluctuation in an ultrahigh?pressure water piston pump[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part C：Journal of Mechanical Engineering Science，2022，236（8）：3950-3959.

[3] 殷鑫.鉆井泵閥閥隙流場(chǎng)PIV實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2010.

[4] 莫麗，王曉兵，王軍，等.基于CFD壓裂泵泵閥結(jié)構(gòu)沖蝕流場(chǎng)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2018，30（2）：629-635.

[5] 魏秀業(yè)，逯子榮，王海燕.基于CFD的軸向柱塞泵流動(dòng)特性的仿真研究[J].液壓與氣動(dòng)，2013（9）：63-67.

[6] 李千登，管志川，樊朝斌，等.高壓液固兩相流節(jié)流閥耐沖蝕特性研究[J].石油機(jī)械，2022，50（2）：89-94;101.

[7] 吳普.離心泵固液兩相流特性及顆粒沖擊與磨損機(jī)制關(guān)聯(lián)性研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2021.

[8] SHI B C，WEI J J.Numerical Simulation of 3D Solid?Liquid Turbulent Flow in a Low Specific Speed Centrifugal Pump：Flow Field Analysis[J].Advances in Mechanical Engineering，2014，2014（6）.DOI：10.1155/

2014/814108.

[9] 趙健，張貴才，徐依吉，等.固液兩相流粒子沖蝕鉆頭內(nèi)流道磨損[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，

49（5）：1228-1236.

[10] 胡錦程，李蓉，李登，等.壓裂泵泵閥沖蝕磨損的數(shù)值模擬[J].表面技術(shù)，2022，51（8）：225-232.

[11] 王佳琪，何世權(quán)，李力，等.基于DPM模型V型球閥固液兩相流沖蝕研究[J].流體機(jī)械，2021，49（11）：81-85.

[12] 孫鵬程.往復(fù)泵泵閥流場(chǎng)與閥芯運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)耦合分析[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2019.

[13] 彭樹權(quán)，張欽，鄭禮成，等.鉆井泵液力端泵閥閥隙流場(chǎng)特性分析[J].煤礦機(jī)械，2016，37（7）：89-91.

（收稿日期：2023-04-10，修回日期：2024-03-07）

Study on Erosion Characteristics of One?way Valve Based on

DPM Solid?Liquid Flow Simulation

ZHAGN Jin?jie1， ZHANG Hui?bin1， CHEN Ping?wei2， WANG Yao1

（1. Beijing Key Laboratory of Health Monitoring Control and Fault Self?recovery for High?end Machinery，

Beijing University of Chemical Technology; 2. Chongqing Pump Industry Co.， Ltd.）

Abstract" "Based on computational fluid dynamics（CFD?DPM） and k?ε turbulence model， a particle?flow two?way coupled erosive wear model was established， which having a check valve taken as the object of research to analyze the influence of spool opening， particle size and concentration on the wall’s erosive wear of the flow?parts. The results show that， the valve clearance is the high?speed zone of particle movement， and the serious wear parts are the bottom angle of the valve core and the cone surface of the valve seat， and the wear at the cone surface of the valve seat is relatively serious. With the increase of the spool opening， the velocity of the particles in the valve clearance decreases， and the wear on the flow wall decreases. The erosion rate of the valve core decreases with the increase of the particle size， and the erosion rate of the valve seat increases with the increase of the particle size. When the particle size is 0.5 mm， the maximum erosion rate and the average erosion rate of the valve seat become close to the maximum value. The erosion rate of the valve core and valve seat is positively correlated with the particle concentration， and the wear area at the valve seat increases with the increase of the concentration.

Key words" " reciprocating diaphragm pump， one?way valve， solid?liquid two?phase， erosion wear， DPM