含颗粒两相流对壁面的冲蚀破坏浅析
在多数高速介质流动中，冲蚀和空蚀问题相较于腐蚀问题破坏更加迅速，对设备及管路的安全运行影响更为明显。因此，对于多相流流动介质对壁面的冲蚀问题，多年以来一直作为结构设计和工艺选型的主要考虑因素之一。
冲蚀与空蚀
颗粒撞击对金属表面的冲蚀作用不仅存在于宏观几何层面，而且存在于微观结构中。宏观层面上颗粒撞击在金属表面形成粗糙磨损层，随着撞击次数增加，表面金属不断被剥离形成新的金属结构，例如直管壁新鲜金属层，缩颈管段直冲面弧面层，弯管曲面的凹陷层。对于复杂结构经受长时间液固两相流冲蚀工况，颗粒的撞击形式和介质环境对冲蚀结果的影响最为显著，其中直管壁容易产生金属壁面均匀减薄，而变截面、变径等特殊结构则容易产生复杂的弧面减薄效果。宏观冲蚀磨损是由单一的颗粒撞击行为累加形成，每一次的颗粒与壁面的碰撞过程，都会造成壁面微观几何结构的变化。
很多研究以颗粒碰撞物理特性为出发点，探讨颗粒与金属表面的接触行为、金属表面变形行为、颗粒破裂行为等，如图1所示的单颗粒撞击后的金属表面形貌。
图1 不同形状颗粒撞击金属表面形成的撞击坑
图1（a）为圆形颗粒的小角度撞击壁面形成的撞击坑；
图1（b）为圆形颗粒竖直挤压金属表面形成的挤压坑；
图1（c）为尖锐颗粒挤压金属表面形成的挤压坑。
对于塑性金属而言，单颗粒撞击会在金属表面形成类似陨石坑的撞击坑，其几何剖面如图2所示，颗粒与壁面的挤压过程分为水平切削过程（图2（a））和竖直挤压过程（图2（b）），其中V1为撞击坑体积，V2为突唇体积。
图2 单颗粒小角度撞击坑示意图
受颗粒撞击水平切削分量作用，材料划痕端部形成突唇（体积V2），通常该隆起部分不会受一次撞击便剥离表面，而是在颗粒反复撞击后，由减薄到最终的被剥离。在颗粒垂直速度分量作用的挤压过程中，几何压痕形貌通常为对称结构，在凹痕两边同样形成突唇（距凹痕底部高度h1）。不同形状的颗粒撞击产生的材料突唇形状会存在差异，对于接近圆形的颗粒撞击，突唇高度较小而径向宽度较大，完全由金属材料的塑性变形产生。而对于尖锐颗粒撞击，划痕端部突唇高度较高，甚至发生材料蜷曲，而划痕两侧挤压唇高度较小。
影响金属壁面撞击磨损程度的影响因素主要包括：颗粒运动特性、颗粒材料特性以及靶材表面特性，具体分类如表1所示。
表1 影响颗粒撞击冲蚀速率的主要因素
颗粒材料特性
颗粒运动特性
靶材表面特性
硬度
撞击角度
硬度
球度
撞击速度
粗糙度
表面粗糙度
撞击频率
撞击位置
其中，颗粒材料特性包括颗粒硬度、球度及表面粗糙度。颗粒硬度会影响颗粒撞击过程中的颗粒破损程度和靶材变形量，颗粒球度（表面锋利程度）会影响颗粒与壁面接触时的压应力和最终撞击坑形状，颗粒表面粗糙度会影响颗粒与壁面接触过程中的摩擦力。颗粒运动特性在冲蚀计算中起关键作用，其主要包括撞击速度与角度、撞击频率和撞击位置。其中颗粒撞击速度和角度共同决定了接触过程中压应力和切应力的大小，撞击频率影响总冲蚀量，撞击位置决定了计算模型的选取。除了颗粒特性的影响，靶材表面特性对冲蚀磨损也有影响，其中材料硬度的影响最大，直接决定了壁面抗冲蚀能力，是计算冲蚀速率的重要参数。
Meng等人总结了冲蚀预测模型中参数的出现次数，其中出现最多的是颗粒密度（particle density）、颗粒体积（particle size）、颗粒撞击速度（particle velocity）、靶材表面硬度（target hardness）和颗粒撞击角度（particle angle）。其中，颗粒密度与体积都是颗粒基本参数,颗粒撞击速度与角度是颗粒碰撞参数,靶材表面硬度是材料表面特性参数。如果以颗粒撞击能量为研究重点，那么前四个重要参数都会影响撞击能量大小，因此碰撞过程中的能量大小是影响冲蚀速率的决定性因素之一。旋转式实验装置
研究颗粒冲蚀以及冲蚀腐蚀共同作用的常用实验方法包括：旋转电极法、喷射实验法和管流实验法。其中旋转电极法主要由密闭腔、旋转轴及电机、加热加压装置、电极测试系统组成，如图3所示为可视旋转电极冲蚀腐蚀测试系统。该类装置利用中心主轴旋转带动底端试样转动，使试样暴露面与介质之间产生相对运动，从而使颗粒迎面撞击试样表面产生冲蚀作用。该类装置一般分为可视常压或低压系统和密闭高压系统两种，在常压下可用玻璃或亚克力材质制作外壳，在高压时采用不锈钢或哈氏合金制作反应釜。
图3 旋转圆盘冲蚀腐蚀实验装置
旋转电极法测试材料冲蚀腐蚀速率具有速度可调、环境密闭、电极加装方便、可加压、可观察等优点。同时还具有可以调节冲蚀速度和角度，可以进行腐蚀气体密闭加压控制，占用空间小，测试简单的特点。但是不足之处在于其颗粒撞击速度受电机转速限制，而且对于某一特定加压环境，转速过快会搅动产生气泡，或使溶解气体析出，影响测试效果。此外，转速过快还会使颗粒旋转，受离心作用而堆积于壁面，从而减小颗粒冲蚀作用。而且旋转加持试样调节角度具有局限性，小角度（<30°）很难实现。
目前国内采用的旋转电极测试系统及特点主要包括：
1 | 中科院金属所郑玉贵团队于上世纪90年代研制出高速液固两相旋转测试系统，试样旋转最大线速度可达18m·s-1，可进行温度调节，采用三电极测量腐蚀速率； |
2 | 郑州大学材料学院在现有旋转试验机基础上进行改进，得到一款PID自动调节转速的试验机构，该机构使用槽轮转盘旋转加速颗粒，之后将其甩出撞击试样，颗粒撞击速度由装盘转速调节，颗粒撞击角度由夹具调节； |
3 | 浙江理工大学偶国富团队研制了高压反应釜内的冲蚀实验装置，采用密闭罐作为外层腔体，内部旋转轴带动试样夹具冲蚀，其原理与常用旋转实验装置相同，但可密闭升温加压，可做腐蚀性气体环境下的冲蚀腐蚀实验。 |
以上几种旋转式冲蚀实验装置是目前使用的典型测量平台，其不断发展过程中克服了转速问题、角度问题、密闭问题等关键制约因素，但是旋转式装置仍具有一些缺点，例如：一般只能测试小型简单试件，或某一表面的冲蚀速率，而不能进行特殊结构的不同面的冲蚀测量；旋转速度依然不能达到某些工况要求值；不能使用气体携砂，否则颗粒受离心力作用聚集于四周壁面；转轴和试样夹具磨损严重。因此，为了克服以上问题，很多机构研制出射流实验系统，以解决高速冲蚀问题。
射流式实验装置
典型的射流式实验装置如图4所示，其结构主要包括：泵或压缩机、主管路、流量计、颗粒储罐、喂料器、实验腔、试样夹具，主要利用液体或气体在喷嘴缩颈段的节流效应，产生高速射流冲击试样表面，达到冲蚀目的。如图4（b）所示，通过改变试样与喷嘴的角度达到变角度的目的，通过改变泵送排量，或更换喷嘴直径，达到调节射流速度的目的。
（a）射流装置全貌
（b）试样加持全貌
图4 射流式实验装置图
目前常见射流装置及其特点如下：
1 | 北京科技大学研发的射流式冲蚀试验系统采用双速双盘测速装置增加了速度测量精度。供料系统采用重力与振动相结合的方式，减少了仅依靠重力添加颗粒的阻塞问题。 |
2 | 昆明理工大学研制了一台淹没射流装置，其特点是采用颗粒预混方法，提前将颗粒加入储罐中并不断搅拌，这样可以控制颗粒浓度并且保持较长的冲蚀时间，而管道加颗粒受到储罐溶剂的额限制，实验周期较短。同时该装置采用淹没射流，使试样浸没在液体中，减少气泡的产生。 |
3 | 西安石油大学于2011年研制了第一代射流实验装置，采用淹没射流，罐内加颗粒的方式。同时通过添加储水槽，制成导电池，进行三电极电化学腐蚀测量，可以比较冲蚀与腐蚀速率大小。 |
根据以上射流装置的特点可以看出射流介质可以为液体，也可以为气体。颗粒添加方式有两种：管内添加和罐内添加，颗粒撞击角度调节依然为夹具调节方式。射流实验装置的优点是可以进行气固或液固的高速冲蚀实验，颗粒浓度调节精准，而且可以变化颗粒撞击角。但其不足之处在于只能测量较小且简单的试样，不能测量复杂结构，装置管路通常不密闭，实际撞击角与调节量差异明显。根据Gnanavelu的研究，在喷嘴角度90°时的颗粒实际撞击角度在40°～60°区间，这是由于液体液体在靠近壁面处使颗粒转向。由此，部分机构研制出管流式冲蚀实验装置，以解决射流装置的部分缺点。
管流式实验装置
典型的管流式冲蚀腐蚀实验装置如图5，俄亥俄大学搭建的管流式装置为密闭式多相流测试装置。该装置管道为法兰连接，其中包含突缩段、突扩段、弯管段等试验段。外层采用有机玻璃材质，内层试样为环形试样，实验后处理可以测量环形试样内壁的冲蚀速率。同时两个试样安装导线，形成对电极，可以在线测量电化学腐蚀速率，在其研究中实验测量了各管段的冲蚀速率、腐蚀速率以及协同破坏速率。该系统具有密闭结构，可以通氮除氧，测量冲蚀速率，也可以通入CO2等腐蚀性气体，测量腐蚀速率，目前该装置的总体设计还处在国际较高水平。
（a）管流实验段全貌
（b）装置示意图
图5 俄亥俄大学管流式实验装置
此外，塔尔萨大学也搭建了一套气液固三相实验系统，如图6所示，该装置具有两相及三相混合实验能力，能够管内加压、加热，管路换热降温，颗粒管路添加及分离等功能，具备了全面的多相流冲蚀腐蚀功能。此外，目前研究管路多相流冲蚀腐蚀的机构还包括英国利兹大学，加拿大卡尔加里大学，美国俄赫拉荷马大学，国内中科院金属所，西安交通大学多相流国家重点实验室，北京科技大学腐蚀国家重点实验室，中石油管材研究院。这些机构都具备管流式多相流实验条件，只是侧重研究的多相流动介质有所差异。
（a）多相流实验流程图
（b）弯管实验实物图
图6 塔尔萨大学三相冲蚀与腐蚀装置图
颗粒冲蚀数值计算通常伴随着颗粒的追踪与流场流动计算、颗粒相互碰撞计算以及颗粒与壁面碰撞计算。依靠多相流数值计算方法，结合半经验冲蚀模型，可以进行特殊结构壁面的冲蚀损伤分析。颗粒冲蚀计算方法一般包括：流体流动计算，相间作用力计算（欧拉—拉格朗日模型）或体积分数计算（欧拉—欧拉模型），第二相运动计算，第二相与壁面撞击参数计算，以及材料冲蚀速率计算等多个步骤。其中流体流动计算、相间作用计算和第二相运动计算为冲蚀计算提供必要参数，在最新的商业计算软件中已经考虑了壁面材料特性以及粗糙度的影响。根据这一数值计算步骤，从1990年至今，很多研究预测了弯管、突缩或突扩管以及复杂几何结构的壁面冲蚀速率，其中较为代表性的研究如表2所示。
表2 代表性的冲蚀数值研究汇总表
研究人员 | 结构 | 研究方法 | 主要结论 |
Edwards | 弯管
| 欧拉-拉格朗日方法, Alhert冲蚀模型，CFX | 数值计算结果与实验值吻合较好，改进弯管结构有效的减小了冲蚀速率 |
Wang | 弯管 | 欧拉-拉格朗日方法, Alhert冲蚀模型，code | 得出气固两相流中，弯管曲率半径越大，冲蚀速率越小 |
Fan | 弯管 | 欧拉-拉格朗日方法, Alhert冲蚀模型，code | 结果显示弯管内表面冲蚀速率是直管3倍 |
Chen | 弯管 | 欧拉-拉格朗日方法, Alhert冲蚀模型，CFX | 改进弯管结构，增加滞留区后，有效减小了壁面冲蚀速率 |
Zhang | 弯管 | 欧拉-拉格朗日方法，Oka模型，FLUENT | 气固流中颗粒速度远小于气体流速，长期冲蚀时小颗粒冲蚀速率大于大颗粒 |
Njobuenwu | 弯管 | 欧拉-拉格朗日方法，5种模型，FLUENT | 5种模型模拟结果与实验结果吻合较好，但是精度依赖实验确定的系数 |
Pereira | 弯管 | 欧拉-拉格朗日方法，Oka和Zhang模型，FLUENT | 颗粒撞击恢复系数、摩擦系数与粗糙度在冲蚀计算中十分重要 |
McLaury | 三通 | 理论计算，API 14E模型，code | API模型适用于高流速颗粒冲蚀计算，而不适用于低流速计算 |
Habib | 突缩管 | 欧拉-拉格朗日方法，Wallace模型，code | 突缩面越靠近中心冲蚀越严重，通过在边缘增加台肩可以较少冲蚀 |
Wong | 管槽 | 欧拉-拉格朗日方法，Chen模型，CFX | 直冲台肩面的冲蚀速率最大，凹槽形成滞留区致使底部冲蚀速率较小 |
Mazur | 阀门 | 欧拉-拉格朗日方法，FLUENT模型，FLUENT | 采用最常规冲蚀算法进行结构改进，使用寿命提高100% |
Song | 泵 | 欧拉-拉格朗日方法，Alhert模型，CFX | 得出射流泵缩颈喉管部位冲蚀损伤最严重 |
以上冲蚀数值计算均采用欧拉—拉格朗日的离散颗粒模型（Discrete Phase Model—DPM），原因是离散相模型是基于牛顿第二定理，来计算颗粒在流体中的运动，可以得到任意时刻和位置颗粒的运动参数。在DPM模型中颗粒运动过程受到的合力决定颗粒的运动方向与速度大小，颗粒坐标为拉格朗日坐标，而流体运动则是在欧拉坐标下完成的，通过联立求解液体连续方程和动量方程（有时包括能量方程），可以得到流体流动参数。以Fluent软件为例，其采用的冲蚀数值计算模型为：
该模型为经验模型，考虑了颗粒撞击速度、角度、被撞单元面积以及颗粒质量的影响。该模型类似于Edward和Haugen的公式，优点是利用软件自带多相流计算模型直接得到颗粒撞击参数和冲蚀速率，但是这些公式中的部分参数必须由实验测得，而且考虑的影响因素较少，对于高浓度颗粒两相流的冲蚀预测很不准确。Chen等人利用CFD理论及实验对比，进行了弯管实验研究，得到碳钢角度函数：
由于DPM模型的颗粒计算量具有一定限制，对于颗粒浓度较高的多相流动冲蚀计算而言，欧拉—欧拉方法可以满足高浓度颗粒计算的需要。但是欧拉方法将颗粒拟流体化，依靠各相所占压力值和体积分数进行相分布计算，该方法可以计算出的局部的颗粒浓度，但是不能计算出具体的颗粒运动参数和冲蚀速率。因此针对离散相模型难以解决高浓度颗粒冲蚀计算问题，近几年部分研究使用离散元与有限元相结合的方法（DEM-CFD coupling method）进行高浓度颗粒冲蚀计算。在离散元颗粒计算中通常包括硬球模型和软球模型，其中硬球模型将碰撞颗粒当做刚体，通过碰撞过程的动量传递计算颗粒下一步的速度和位置。软球模型将颗粒碰撞体系当做弹簧滑块体系，轴向撞击过程视作弹簧挤压与释放过程，切向运动视作摩擦滑移过程，碰撞既考虑动量传递，也考虑剪切滑移与扭转。相比较硬球模型的计算简单，计算量小的优势，软球模型对于颗粒破碎与连续碰撞问题有较大优势，而且软球模型的计算精度一般优于硬球模型。Chen利用DEM-CFD耦合算法，计算了不同弯管的壁面冲蚀速率，采用k-ε湍流模型计算气相的流动，在FLUENT中完成。采用DEM软球模型计算颗粒间以及颗粒与壁面间的碰撞，取得了与实验值较为吻合的结果，计算在EDEM中完成。Zhao同样利用DEM-CFD耦合算法，成功计算了高浓度颗粒流化床孔板的冲蚀速率。
冲蚀问题对于某些工业介质流动过程是不可避免的，但是可以通过改变施工参数，优选壁面材料，改进结构设计等方法减缓冲蚀破坏。此外，通过理论、实验或模拟计算冲蚀速率，可以有效地得到具体部位的材料损失量，从而预测设备的使用寿命，减少突发性安全事故。
颗粒冲蚀破坏作为一个较为常规的研究方向，起步较早，研究方法众多。但是部分关键技术应用效果不理想，其中制约因素包括：（1）冲蚀影响因素众多，部分因素会随着时间变化而改变，例如：多数材料在颗粒不断撞击过程中硬度会发生变化，而多数计算模型没有考虑参数的时变性；（2）在颗粒不断撞击下，塑性靶材流失速率呈现非线性，而脆性靶材流失具有突然性，理论公式无法还原某一时刻的冲蚀速率，只能得到平均值；（3）由于数值计算的准确性建立在系统的材料冲蚀实验的基础上，因此对于某一材料结构的冲蚀预测需要前期实验支持，增加了整体工作量。如果脱离实验获取的参数支撑，数值计算的精度有时达不到要求。
通过近20年的冲蚀文献调研发现，进行理论建模的研究越来越少，更多的研究偏向于工程应用过程的数值解。这些研究使更多的工程冲蚀预测得以实现，在计算精度要求不严苛的条件下，可以预测特殊结构（叶片、弯管、三通、孔洞等）的冲蚀速率，为推动工业设计提供借鉴，为保证生产安全提供保障。作为该领域的研究新人，以上论述不足之处请批评指正，欢迎越来越多的学者投入到该领域的研究中，推动研究分支的发展。
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