第３９卷 第２期
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．
２
钟林
钟林１，２
，冯桂弘１，张计春１，魏刚１
（１．西南石油大学机电工程学院，西南石油大学能源装备研究院，四川成都６１０５００；２．南方海洋科学与工程广东省实验室湛江分室，广东湛江５２４０００）
收稿日期：２０２０－０２－０７；修回日期：２０２０－０３－２６；网络出版时间：２０２１－０２－０２
网络出版地址：ｈｔｔｐｓ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１８１４．ＴＨ．２０２１０２０１．１８２６．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：国家重点研发计划项目（２０１９ＹＦＣ０３１２３０５）；南方海洋科学与工程广东省实验室（湛江）科研项目（ＺＪＷ－２０１９－０３）；国家重点
保师附小在线校园研发计划项目（２０１８ＹＦＣ０３１０２０１）；国家自然基金面上项目（５１７７５４６３）
第一作者简介：钟林（１９８５—），男，河南南阳人，实验师，博士（通信作者，ｚｈｏｎｇｌｉｎ８５８２９６＠１６３．ｃｏｍ），主要从事摩擦学理论及应用、钻头与
井下工具、石油天然气装备现代设计理论及方法研究．
第二作者简介：冯桂弘（１９９４—），男，四川南充人，硕士研究生（ｇｕｉ９４８２８＠１６３．ｃｏｍ），主要从事油气装备类冲蚀磨损及防护研究．
摘要：针对排污阀因长期排污工作导致的冲蚀失效问题，采用ＣＦＤ仿真模拟的方法开展关于流
体流速、颗粒粒径、含砂体积比与阀门开度等因素对阀套式排污阀冲蚀磨损性能影响的评价分析．结果表明：阀芯、阀座密封接触壁面间的冲蚀破坏是造成整个排污阀失效的主要原因．在流速１～９ｍ／ｓ、颗粒粒径０．１～０．５ｍｍ、含砂体积比２％～１０％、阀门开度１５％～９０％时，冲蚀磨损率与流
体流速呈指数型正相关，冲蚀磨损区域随流速增加明显扩大．
砂浓度增多加大了颗粒碰撞阀腔壁面的频率，其冲蚀率近似呈线性增长．颗粒粒径变化对排污阀平均冲蚀磨损率影响较小，小颗粒
冲蚀行为下产生的冲蚀破坏相比大颗粒更为均匀一些．
排污阀开度在１５％～３０％过程中，阀冲蚀磨损程度变化剧烈，从６０％开度开始，阀的受损情况趋于平稳．同时，在阀门开度增大的过程中，阀芯最大冲蚀磨损区域从圆周壁面逐步移动到阀芯下端面．研究结果对排污阀的整体耐冲蚀性能评价具有指导意义．关键词：排污阀；冲蚀磨损；数值模拟；排污阀工况；固液两相流
中图分类号：ＴＨ１１７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４－８５３０（２０２１）０２－０１５１－０７
Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８５３０．２０．００４８
钟林，冯桂弘，张计春，等．基于ＣＦＤ数值模拟的排污阀冲蚀磨损影响规律［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０２１，３９（２）：１５１－１５７．
ＺＨＯＮＧＬｉｎ，ＦＥＮＧＧｕｉｈｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＪｉｃｈｕｎ，ｅｔａｌ．ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｌａｗｏｆｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒｏｆｂｌｏｗｄｏｗｎｖａｌｖｅｂａｓｅｄｏｎＣＦＤｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕ ｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＪＤＩＭＥ），２０２１，３９（２）：１５１－１５７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｌａｗｏｆｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒｏｆｂｌｏｗｄｏｗｎｖａｌｖｅｂａｓｅｄｏｎＣＦＤｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ＺＨＯＮＧＬｉｎ１，２
，ＦＥＮＧＧｕｉｈｏｎｇ１，ＺＨＡＮＧＪｉｃｈｕｎ１，ＷＥＩＧａｎｇ
１（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＥｎｅｒｇｙＥｑｕｉｐｍｅｎｔＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ６１０５００，Ｃｈｉｎａ；２．ＺｈａｎｊｉａｎｇＢｒａｎｃｈｏｆＳｏｕｔｈＭａｒｉｎｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ５２４０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄａｔｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｈｅｓｅｗａｇｅｖａｌｖｅｄｕｅｔｏｌｏｎｇ ｔｅｒｍｓｅｗａｇｅｗｏｒｋ．ＴｈｅＣＦＤ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｗ
ｅａｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｌｅｅｖｅ ｔｙｐｅｂｌｏｗｄｏｗｎｖａｌｖｅｂｙｆａｃｔｏｒｓｓｕｃｈａｓｆｌｕｉｄｆｌｏｗｒａｔｅ，ｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ，ｓａｎｄ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏ，ａｎｄｖａｌｖｅｏｐｅｎｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｄａｍａｇｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｖａｌｖｅｃｏｒｅａｎｄｔｈｅｓｅａｔｓｅａｌｉｎｇｃｏｎｔａｃｔｗａｌｌｓｕｒｆａｃｅｉｓ
ｔｈｅｍａｉｎｒｅａｓｏｎｆｏｒｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｈｅｅｎｔｉｒｅｄｒａｉｎｖａｌｖｅ．Ｗｈｅｎｔｈｅｆｌｏｗｒａｔｅｉｓ１－９ｍ／ｓ，ｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅ
ｓｉｚｅｉｓ０．１－０．５ｍｍ，ｔｈｅｓａｎｄ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏｉｓ２％－１０％，ａｎｄｔｈｅｖａｌｖｅｏｐｅｎｉｎｇｒａｎｇｅｉｓ
１５％－９０％，ｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒｒａｔｅｉｓｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｆｌｕｉｄｆｌｏｗｒａｔｅ．Ｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒａｒｅａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．Ｉｎｃｒｅａｓｅｄｓａｎｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎ ｃｙｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｈｉｔｔｉｎｇｔｈｅｖａｌｖｅｃａｖｉｔｙｗａｌｌｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｄｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｒａｔｅｉｎｃｒｅａｓｅｓａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ
ｌｙｌｉｎｅａｒ ｌｙ．Ｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｈａｓｌｉｔｔｌｅｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅａｖｅｒａｇｅｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒｒａｔｅｏｆｔｈｅｓｅｗａｇｅｖａｌｖｅ．Ｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｄａｍａｇｅｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｓｍａｌｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｓｍｏｒｅｕｎｉｆｏｒｍｔｈａｎｔｈａｔｏｆｌａｒｇｅｐａｒ ｔｉｃｌｅｓ．Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｏｐｅｎｉｎｇｏｆｔｈｅｂｌｏｗｄｏｗｎｖａｌｖｅｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ１５％ｔｏ３０％，ｔｈｅｄｅｇｒｅｅｏｆｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒｏｆｔｈｅｖａｌｖｅｃｈａｎｇｅｓｄｒａｓｔｉｃａｌｌｙ．Ｆｒｏｍ６０％ｏｆｔｈｅｏｐｅｎｉｎｇ，ｔｈｅｄａｍａｇｅｏｆｔｈｅｖａｌｖｅｔｅｎｄｓｔｏｂｅｓｔａｂｌｅ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｖａｌｖｅｏｐｅｎｉｎｇ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒａｒｅａｏｆｔｈｅｖａｌｖｅｃｏｒｅｇｒａｄｕａｌｌｙｍｏｖｅｓｆｒｏｍｔｈｅｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌｗａｌｌｓｕｒｆａｃｅｔｏｔｈｅｌｏｗｅｒｅｎｄｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｖａｌｖｅｃｏｒｅ．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｐｒｏｖｉｄｅｓｓｏｍｅｇｕｉｄａｎｃｅｓｆｏｒｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｅｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｂｌｏｗ ｄｏｗｎｖａｌｖｅｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｌｏｗｄｏｗｎｖａｌｖｅ；ｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｂｌｏｗｄｏｗｎｖａｌｖｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；
ｓｏｌｉｄ－ｌｉｑｕｉｄｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗ
排污阀是进行排污作业的主要设备之一，其广泛应用于石油化工领域。排污的目的是清除管道内部的污水与固相杂质，保证整个系统的正常运行。但是由于长期频繁的排污操作，管道内的固相杂质颗粒在高速流动的流体带动下不断对排污设备进行冲击、切削作用，使得排污阀内部主要部件的壁面材料被固相颗粒冲蚀磨损掉，最终造成设备损坏。作为排污系统的关键部件之一，排污阀抗冲蚀磨损性能的好坏将直接影响整个排污作业的正常进行［１－３］。因此，开展影响排污阀冲蚀磨损失效相关因素方面的研究具有极大意义。近年来，相关研究人员针对该类阀门的冲蚀磨损现象做了一定的研究．卿勇等［４］在排污阀的类型结构、操作维护等方面分析了故障原因，认为固相颗粒对阀套式排污阀节流件处的冲蚀是影响阀门受损的重要因素．刘良果等［５］从操作方式与结构原理方面对输气站分离器阀套式排污阀内漏的相关问题进行了分析，认为阀芯的冲蚀导致了阀芯壁面与阀座内壁之间的硬密封的破坏，因此造成了阀门内漏．为了更加全面地评估排污阀的耐冲蚀性能，预测其冲蚀磨损分布，文中采用ＣＦＤ仿真模拟的手段对其冲蚀磨损现象进行分析，研究不同因素对阀门内部组件磨损的影响．
１ 数学模型
１．１ 湍流模型
湍流是一种复杂的非定常三维随机流体运动，也是工程技术领域中十分常见的流动现象．根据对其雷诺数的计算，判别流体在排污阀的流动为湍流，因此，在数值模拟中采用ｋ－ε湍流模型，该模型有湍流脉动动能ｋ和扩散率ε组成，适用范围较广、精度较高，适合完全湍流的流动过程模拟［６－７］．模型
的运输方程如下
湍流动能方程（ｋ方程）
（ρｋ）
ｔ
＋
（ρｋｕｉ）
ｘｉ
＝
ｘｊ
μ＋
μｔ
δｋ
() ｋ ｘｊ
[]＋Ｇｋ＋Ｇｂ－
ρε－ＹＭ＋Ｓｋ，（１）
耗散方程（ε方程）
（ρε）
ｔ
＋
（ρεｕｉ）
ｘｊ
＝
ｘｊ
μ＋
μｔ
δ
ε
() ｘｊ
[]＋Ｃ１ε
ε
ｋ
（Ｇ
ｋ
＋Ｇ
３ε
韩城市象山中学Ｇ
ｂ
）－Ｃ
２ε
ρ
ε２
ｋ
＋Ｓ
ｃ
，（２）
式中：Ｃ
１ε
，Ｃ
２ε
，Ｃ
３ε
为经验常数，Ｃ
喂自己影子吃饭的人１ε
＝１．４４，Ｃ
２ε
＝
１．９２，Ｃ
３ε
＝０．０９；δ
ｋ
，δ
ε
为湍动能ｋ和耗散率ε对应
的普朗特数，δ
ｋ
＝１，δ
ε
＝１．３；Ｓ
ｋ
，Ｓ
ε
为用户定义源项，
由具体情况而定；μ
ｔ
为湍流涡黏系数，μ
ｔ
＝ρｃ
μ
ｋ２／ε；
Ｇ
ｂ
什么叫亚太地区为由浮力而引起的湍动能ｋ的产生项；Ｙ
Ｍ
为由
可压湍流中脉动扩张项；Ｇ
ｋ
为由速度梯度引起的应
力源项；Ｇ
ｋ
＝－ρｕ′
ｉ
ｕ′
ｊ
（ ｕ
ｊ
／ ｘ
ｉ
），经过模化后，得到
Ｇ
ｋ
＝μ
ｔ
Ｓ２，其中，Ｓ＝２Ｓ
ｉｊ
Ｓ
槡ｉｊ，Ｓｉｊ＝
ｕｊ
ｘ
ｉ
＋
ｕｉ
ｘ
ｊ
()．
１．２ 冲蚀模型
选用Ｆｌｕｅｎｔ软件中的ＤＰＭ离散相模型［８］模拟流场运动，使用的冲蚀模型为Ｆｌｕｅｎｔ软件自带冲蚀模型，其冲蚀速率定义为
Ｒ
ｅｒｏｓｉｏｎ
甘氨胆酸＝∑Ｎｐａｒｔｉｃｌｅ
ｐ＝１
ｍ
ｐ
Ｃ（ｄ
ｐ
）ｆ（α）ｖｂ（ｖ）
Ａ
ｆａｃ
，（３）
式中：ｍ
ｐ
为颗粒质量流量；Ｃ（ｄ
ｐ
）为颗粒粒径函数；α为颗粒路径与壁面间冲击角；ｆ（α）为冲击角函数，其用分段线性方式表述，当α为０°，２０°，３０°，４５°和９０°时，ｆ（α）分别为０，０．８，１．０，０．５和０．４；ｖ为颗粒相
１５２
对速度；ｂ（ｖ）为颗粒相对速度函数；Ａｆａｃｅ
为壁面面积．２ 物理模型、网格划分与边界条件设置
以排污阀为研究对象，首先通过ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件建立排污阀阀腔三维模型，然后经过布尔运算建立其流体域模型．
排污阀结构与内部流道模型分别如图１，２所示，其主要几何参数：入口流道直径Ｄ１＝８０ｍｍ，阀芯直径Ｄ２＝
６２ｍｍ
．图１ 排污阀结构简图
Ｆｉｇ．１ Ｂｌｏｗｄｏｗｎｖａｌｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａ
ｍ
图２ 排污阀内流场模型半剖图Ｆｉｇ．２ Ｈａｌｆ ｓｅｃｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｍｏｄｅｌｉｎ
ｔｈｅｂｌｏｗｄｏｗｎｖａｌｖｅ
采用非结构化网格对排污阀内流道进行网格划分，首先选取网格数量分别为８２６８４，１２５５０７，
２１１２７２，３７７４３３，在入口速度ｖ＝５ｍ／ｓ情况下进行数值计算．取出口最大流速为观测值，其结果分别为１４．３４，１５．４３，１４．９８，１４．７５ｍ／ｓ．由于后两者的相对误差小于２％，因此，考虑到计算精度与节省计算资源，选用网格数量为２１１２７２进行模拟．
设置连续相为清水，其密度１０００ｋｇ／ｍ３
，动力
黏度１．００３×１０－３Ｐａ·ｓ；流体排量为２．１１ｍ３／ｍｉｎ；颗
粒密度为２６００ｋｇ／ｍ３
，平均粒径大小为０．１ｍｍ．
入口边界设置为速度入口；出口边界设置为自
由流出；水力直径Ｄ＝４Ａ／Ｌ＝０．０８ｍ；雷诺数Ｒｅ＝ρｖｄ／μ
＝５．６×１０５
，Ｒｅ＞４０００，为完全湍流；湍流强度Ｉ＝０．１６（Ｒｅ）－１／８
＝３％；壁面恢复系数根据文献［９］的金属壁面撞击试验，其切向和法向壁面恢复系数为
ｅｔ＝
０．９９８－０．０２９θ＋６．４３×１０－４θ２
－３．５６×１０－６θ３
，
（４）
ｅｎ＝
０．９９３－０．０３０７θ＋４．７５×１０－４θ２
－２．６１×１０－６θ３
，
（５）
式中：Ｑ为颗粒对壁面的入射角．
３ 计算结果分析
排污阀冲蚀后各部件表面形貌如图３所示，通过模拟可得：①排污阀３
个组件阀芯、阀套、阀座都存在不同程度的材料磨损，阀芯受到的磨损现象最为明显，主要表现为阀芯下端端面的磨损量很大，圆周壁面的磨损程度较小．②阀套上受损最为严重的部位分布于其圆周壁面，而各个过流孔内壁的磨损较小，这是由于各过流孔面与流体运动方向一致，固相颗粒在随流体轨迹的运动下对过流孔壁面的冲击较少．③由于高速运动的流体从阀芯底部边缘经过阀座上端流出，其携带的固相颗粒对阀座上端的撞击、切削作用会使其上端边缘产生材料磨
损，导致阀座与阀芯不能正常密封，造成阀门内漏
．
图３ 阀芯、阀套和阀座的冲蚀磨损云图
Ｆｉｇ．３ Ｅｒｏｓｉｏｎｃｌｏｕｄｃｈａｒｔｏｆｖａｌｖｅｃｏｒｅ，ｖａｌｖｅｓｌｅｅｖｅ
ａｎｄｖａｌｖｅｓｅａｔ
４ 影响因素分析
为了更深入地研究排污阀冲蚀磨损规律，文中基于单一变量原则，分析携砂液流速、颗粒粒径、含砂体积比与阀门开度对排污阀冲蚀磨损的影响．４．１ 流速对排污阀冲蚀磨损的影响
藏羌锅庄粒子速度是影响阀门冲蚀磨损程度的关键因素之一．因此，为了更具体地进行分析研究，取颗粒
粒径ｄ＝０．１ｍｍ，固相颗粒密度ρ＝２６００ｋｇ／ｍ３
，含砂体积比为２％，在３种阀门开度Ｋ为３０％，６０％，９０％情况下，开展１～９ｍ／ｓ入口流速对排污阀冲蚀磨损的影响研究．
根据图４可得，在３种不同阀门开度下，随着流速的上升，无论是最大冲蚀率Ｗｍ还是平均冲蚀率Ｗａ，其数值上都呈指数型增长．在流速为３ｍ／ｓ之前，流速的增大对冲蚀率增幅影响较小，这主要是因为该情况产生的曳力较小，对颗粒携带性不够，加上重力的影响下，固相颗粒动能不足，产生的惯性力驱动颗
１５３
粒撞击壁面的力度不够，因此冲蚀率变化较慢．而在流速３ｍ／ｓ之后，由于流体湍动能增大，颗粒流动的活跃性增强，高动能的颗粒对壁面冲击程度和碰撞频率大大上升，所以造成的冲蚀量远超低流速条件下的冲蚀损伤．此外，在３０％开度下，随着流速的增大，其冲蚀率的增幅程度较６０％，９０％开度条件下更大，这是由于低开度下，阀的节流面积更小，导致阀芯、阀座间相同时间内流体速度暴增，在本是高流速入口下的颗粒，在该区域以更高动能加剧了对壁
面的冲蚀，导致了排污阀的磨损现象严重［
１０］
．图５为６０％开度，排污阀阀芯、阀座在不同速度下的冲蚀磨损云图．
由云图可知，在低流速到高流速的转化过程中，阀芯冲蚀部位逐渐从下端面向上部延升，阀套冲蚀部位逐渐从圆周壁面向过流孔壁面扩散．阀芯下端面是整个阀门受损最严重的部位，这是因为该部位对流体的运动方向正向阻挡，颗粒流在惯性力的作用下对该壁面产生垂直撞击，能量消耗最大，产生的破坏远超其余部位，因此冲蚀程度
最为严重．
图４ 流速对排污阀冲蚀磨损的影响
Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｆｌｏｗｒａｔｅｏｎｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒｏｆ
ｂｌｏｗｄｏｗｎｖａｌｖ
ｅ
图５ 流速对排污阀冲蚀磨损的影响云图
Ｆｉｇ．５ Ｃｌｏｕｄｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｏｎｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒｏｆｂｌｏｗｄｏｗｎｖａｌｖｅ
４．２ 含砂体积比对排污阀冲蚀磨损的影响
固相颗粒对材料的冲蚀磨损并非是单因素作用的结果，除颗粒速度的作用，携砂液中的含砂体积比φ也是影响其排污阀冲蚀磨损的重要因素之
一．因此，取颗粒粒径ｄ＝０．１ｍｍ，固相颗粒密度ρ
＝２６００ｋｇ／ｍ３
，阀门开度６０％，在入口流速为１，３，
５ｍ／ｓ情况下，研究在２％～１０％含砂体积比条件下该因素对排污阀冲蚀磨损的影响．
图６为冲蚀磨损率随含砂体积比的变化规律．观察可知，随着固相颗粒浓度的增加，３种入口流速条
件下的排污阀最大冲蚀率和平均冲蚀率都近似呈线性增长，其增长幅度小于前文４．１节条件下的指数型增长．因此，含砂体积比对排污阀冲蚀率的影响要弱于速度对其的影响．分析其冲蚀机理：在粒子冲蚀磨损过程中，虽然砂粒浓度的增加会导致颗粒间的相互碰撞造成动能的衰减，但颗粒的增多也会
图６ 含砂体积比对排污阀冲蚀磨损的影响
Ｆｉｇ．６ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓａｎｄ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏｏｎ
ｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎａｎｄｗｅａｒｏｆｂｌｏｗｄｏｗｎｖａｌｖｅ
１５４
加大碰撞阀腔壁面的概率，造成阀门冲蚀磨损加剧，根据模拟结果可知后者对壁面的冲蚀损伤占主要地位．同时，低流速流体对颗粒的曳力作用权重较大，随着含砂比的增加，颗粒流对壁面的冲击动能和冲击次数对冲蚀率的增幅程度并没有高流速条件下高，因此低流速下不同含砂比对壁面造成的破
坏较小．
图７为入口流体速度为５ｍ／ｓ条件下，排污阀阀芯、阀套冲蚀损伤云图．根据观察可知，在低含砂
比增长到高含砂比过程中，阀芯、阀套的冲蚀范围几乎没有变化，只是局部位置受到的冲蚀行为加剧，导致冲蚀量上升
．
图７ 含砂体积比对排污阀冲蚀磨损的影响云图
Ｆｉｇ．７ Ｃｌｏｕｄｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓａｎｄ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏｏｎｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒｏｆｂｌｏｗｄｏｗｎｖａｌｖｅ
４．３ 阀门开度对排污阀冲蚀磨损的影响
取颗粒粒径ｄ＝０．１ｍｍ，固相颗粒密度ρ＝２６００
ｋｇ／ｍ３，入口流速为５ｍ／ｓ，在含砂比２％，６％，１０％情况下，模拟在１５％～９０％开度的排污阀冲蚀受损情况．图８为阀门开度对排污阀冲蚀的损伤曲线，由图可知，随着排污阀开度增大，３种不同砂比情况下的阀门最大冲蚀率和平均冲蚀率均下降．在开度１５％～３０％过程中，阀的冲蚀率下降最为剧烈，这是由于在低开度情况下，阀门节流较大，流体过流面变窄，压力下降过快，造成了颗粒速度的急剧上升，对窄壁面的冲击加剧．从６０％开度开始，随着阀芯、阀座间的过流面积增大到一定程度，压力下降相对平缓，颗粒流在该区域运动的动能增幅有限．因此，阀的受损情况趋于平稳．结合现场工况条件，在进行排污过程中，应将排污阀开度控制在４５％左右．图９为含砂比６
％条件下，排污阀阀芯、阀套冲蚀损伤云图．图８ 阀门开度对排污阀冲蚀磨损的影响
Ｆｉｇ．８ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖａｌｖｅｏｐｅｎｉｎｇｏｎｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒ
ｏｆｂｌｏｗｄｏｗｎｖａｌｖ
ｅ
图９ 阀门开度对排污阀冲蚀磨损的影响云图
Ｆｉｇ．９ Ｃｌｏｕｄｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖａｌｖｅｏｐｅｎｉｎｇｏｎｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒｏｆｂｌｏｗｄｏｗｎｖａｌｖｅ
由图９可知，在阀门开度逐渐增大的过程的中，阀芯、阀套的磨损范围逐渐收缩．阀芯磨损最严重的
１５５
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