管道沖刷腐蝕缺陷對(duì)超聲測(cè)量流體速度的影響

王興國(guó), 張路鑫, 黃志誠(chéng), 李吳昊, 范躍農(nóng)

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院, 江西 景德鎮(zhèn) 333403)

1 引 言

氣液兩相流、固液兩相流等多相流在能源、化工、石化、核工業(yè)以及環(huán)境工程等過(guò)程工業(yè)中廣泛存在。如發(fā)生在蒸汽鍋爐、蒸汽發(fā)生器、蒸汽蓄熱器、熱氣輸送等設(shè)備管路中[1～4]。多相流沖刷腐蝕是由流體及其攜帶的顆粒(包括固體粒子、氣泡等)在高溫高壓的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間地沖擊管道內(nèi)壁以及流體介質(zhì)與管壁面發(fā)生的化學(xué)以及電化學(xué)作用共同引起的金屬腐蝕損壞現(xiàn)象[5～8],這種沖刷腐蝕一般又稱(chēng)為磨損腐蝕[9]。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),雖然固液兩相流的沖刷腐蝕性比氣液兩相流的沖刷腐蝕性強(qiáng),但管道經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的氣液兩相流的沖刷腐蝕也會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象,這是一個(gè)非常復(fù)雜且影響因素較多的時(shí)效過(guò)程。Nesic等[10]利用WSS探針在常溫的條件下測(cè)量湍流氣液兩相流產(chǎn)生的壁面剪切應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)氣液兩相流壁面剪切應(yīng)力要遠(yuǎn)低于去除金屬表面保護(hù)性腐蝕產(chǎn)生膜的機(jī)械應(yīng)力。但是在高溫、高壓、高流速的狀態(tài)下,管道壁面的氧化膜容易變薄,對(duì)壁面基體的保護(hù)作用減小,同時(shí)高速液體中含有空泡,空泡內(nèi)含有水汽,其存在時(shí)間非常短暫,氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生沖擊波壓力可高達(dá)40 530 kPa,使金屬保護(hù)膜破壞,并引起塑性變形,在長(zhǎng)時(shí)間的沖擊下最終產(chǎn)生腐蝕。Ball等[11]采用數(shù)值模擬的方法模擬了水中空氣泡的沖擊破裂過(guò)程,在氣泡破裂瞬間產(chǎn)生高速射擊并伴有強(qiáng)烈沖擊波,結(jié)合實(shí)驗(yàn)成功預(yù)測(cè)氣泡潰滅將產(chǎn)生12 000 K的高溫。尤其在壓力管道的彎頭、三通等管件變形處會(huì)遭受到流體的沖刷腐蝕而使壁厚變薄,最終導(dǎo)致穿孔或破裂,引起嚴(yán)重的事故[12,13]。因此迫切需要一種研究測(cè)量管道沖刷腐蝕的有效方法[14]。

超聲多普勒檢測(cè)法(ultrasonic Doppler velocity profiler,UVP)是一種管道內(nèi)流體速度分布測(cè)量的方法之一[15～17]。與其它傳統(tǒng)測(cè)量方法相比,UVP測(cè)量流體具有下3個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)[18]:1) 管道中的缺陷會(huì)影響管內(nèi)液體的流體速度分布,UVP能夠測(cè)量瞬時(shí)流體速度分布[19],因此UVP是測(cè)量管道內(nèi)壁缺陷的潛在方法之一;2) 根據(jù)聲波的傳播特性,UVP方法不僅適用于透明液體,在不透明液體的流速測(cè)量也得到很好的應(yīng)用,如不透明的液態(tài)金屬或化學(xué)液體的流速測(cè)量[20,21];3) UVP測(cè)量時(shí)將超聲換能器設(shè)置在測(cè)量區(qū)域的外部,進(jìn)行非侵入性的流速測(cè)量[22],從而不影響管道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)。因此,UVP方法能夠很好應(yīng)用于實(shí)際工程中流體速度的分布測(cè)量[23,24]。Treenuson等[25]利用UVP方法對(duì)雙彎管后復(fù)雜流體流動(dòng)進(jìn)行了準(zhǔn)確的流量測(cè)量,研究了從徑向測(cè)量線到管道中心的流體速度分布特征,形成了三維聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),以獲得準(zhǔn)確的流體流量。Ihara等[26]研究了極低流速下超聲多普勒流體速度分布,利用相位差法,克服了UVP傳統(tǒng)信號(hào)處理方法中對(duì)低流速無(wú)法精確測(cè)量的限制。Franke等[27]進(jìn)行了UVP方法測(cè)量非定常液態(tài)金屬流動(dòng)的研究。UVP方法還被應(yīng)用于兩相流識(shí)別的研究中,其中,Tsukada等[28]利用UVP方法研究了飽和蒸汽射流的流體速度分布,通過(guò)流體速度分布觀察到蒸汽射流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。Nguyen等[29]利用UVP方法測(cè)量了過(guò)冷水中向上升的蒸汽泡冷凝速度。Wong-saroj等[30]開(kāi)發(fā)一種新的UVP信號(hào)處理方法,該方法可以用于單一超聲換能器同時(shí)獲得兩相流中液體和氣泡的瞬時(shí)分布。這些研究都是通過(guò)UVP方法測(cè)量流體的速度分布分析流體或兩相流的流動(dòng)狀態(tài),以提高管道流體速度的測(cè)量精確或區(qū)分兩相流。然而,一旦管道內(nèi)部出現(xiàn)損傷缺陷,必然導(dǎo)致流體速度分布發(fā)生變化。不同形狀和尺寸的缺陷都將引起流體速度分布的變化。因此,基于UVP的管內(nèi)流體速度分布測(cè)量對(duì)于管壁沖刷腐蝕缺陷的評(píng)價(jià)是一種可行的測(cè)量方法。與傳統(tǒng)檢測(cè)管壁腐蝕方法相比,UVP方法具有測(cè)量流體介質(zhì)不限以及測(cè)量非侵入等特點(diǎn)。在利用UVP方法測(cè)量管壁缺陷時(shí)由于不涉及到腐蝕機(jī)理的研究,所以僅針對(duì)流體速度分布進(jìn)行了單相流的研究。

本文首先通過(guò)流量誤差實(shí)驗(yàn)確定了入射角的大小;然后,利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)數(shù)值模擬的方法得出了不同雷諾數(shù)以及不同缺陷下管道內(nèi)單相流流體狀態(tài);最后,以不同預(yù)制缺陷管壁厚度的有機(jī)玻璃作為實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)象,結(jié)合CFD數(shù)值模擬以及UVP實(shí)驗(yàn),研究了缺陷和流量大小對(duì)渦流狀態(tài)的影響。

2 流體速度分布測(cè)量的UVP測(cè)量方法

2.1 UVP檢測(cè)的基本理論

利用流體內(nèi)部的聲學(xué)反射物質(zhì),UVP測(cè)量方法能夠測(cè)量瞬時(shí)流體速度分布。該方法包含了至少一個(gè)能夠發(fā)射脈沖超聲的換能器,聲波沿著入射方向通過(guò)管壁進(jìn)入到流體內(nèi)部。圖1給出了UVP測(cè)量管道流體速度分布的原理。

圖1 UVP測(cè)量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of UVP measurement

UVP方法利用超聲波多普勒方法測(cè)量管內(nèi)流體的瞬時(shí)流體速度分布,它是一種流體流速線測(cè)量法。從圖1可以看出,超聲換能器發(fā)射中心頻率及入射角分別為f0和θ的脈沖聲波沿著該方向穿過(guò)上管道壁、到達(dá)流體內(nèi)部,由于脈沖波發(fā)射特性,測(cè)量軸線被分為若干個(gè)測(cè)量通道,當(dāng)遇到流體內(nèi)不同通道位置的反射粒子時(shí)一部分反射回來(lái),被換能器接收,由于多普勒原理的作用,此時(shí)返回聲波的頻率將發(fā)生變化,變化量fD即為多普勒頻移。還有一部分繼續(xù)入射,一直到下管道的內(nèi)壁,然后再沿著入射的方向反射回?fù)Q能器,得到測(cè)量軸線上各測(cè)量通道中反射粒子的瞬時(shí)速度,最終將各通道的瞬時(shí)速度整合成瞬時(shí)流體速度分布。不同位置的反射粒子回波方程為[31]:

(1)

式中:d為換能器與散射粒子的距離;c為超聲波在流體中的傳播的速度;t為接收時(shí)間。通過(guò)多普勒原理計(jì)算流速v[32]:

(2)

圖2為UVP方法的測(cè)量窗口,其中測(cè)量窗口長(zhǎng)度L是起始通道中心與結(jié)束通道中心之間的距離,s是2個(gè)相鄰測(cè)量通道中心的距離,N為起始通道到結(jié)束通道之間測(cè)量通道的個(gè)數(shù),N可以設(shè)定為10到2048中的任意整數(shù),可以通過(guò)改變N的大小改變測(cè)量的空間分辨率。

L=N·s

(3)

(4)

Npw1=Nm-NR

(5)

Npw2=Nm

(6)

式中:Npw1為管道內(nèi)起始通道;Npw2為管道內(nèi)結(jié)束通道;Nm為管道內(nèi)中心位置通道;NR為第1通道到中心通道之間的通道個(gè)數(shù)。

圖2 UVP的測(cè)量窗口Fig.2 Measurement window of UVP

測(cè)量通道的通道寬度w為[24]:

(7)

式中:n為脈沖波數(shù);λ0為超聲波波長(zhǎng)。

從式(2)中可知,選擇合適的入射角不但可以減小聲波能量在管壁處的反射量,增大聲波透射到管內(nèi)流體中的能量,而且入射角的大小還直接影響到流速的測(cè)量范圍[33,34]。

2.2 UVP入射角的選擇

為了確定入射角度,搭建了如圖3所示的長(zhǎng)直管道水循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。水槽①是用來(lái)為本系統(tǒng)提供源源不斷的循環(huán)水。采用球閥、旁路系統(tǒng)對(duì)流速進(jìn)行控制。電磁流量計(jì)③經(jīng)過(guò)校核后用來(lái)測(cè)量流體流速。流速調(diào)節(jié)器④最大限度地清除渦流。流體速度分布UVP測(cè)量部分設(shè)置在水箱⑧中。超聲換能器⑦(8 MHz,Japan Probe Co.,Ltd)用于測(cè)量含有缺陷的管壁⑥內(nèi)流體速度分布。超聲換能器⑦連接到UVP測(cè)量裝置⑨(MET-FLOW),該裝置與電腦⑩相連,測(cè)量結(jié)果由電腦記錄并保存。含有缺陷管兩端連接完好管道⑤。泵②是用來(lái)提供水在管道中循環(huán)動(dòng)力的裝置。

圖3 UVP實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 UVP experimental device

如圖4所示,為得到流體速度分布對(duì)應(yīng)的流體流量,可以通過(guò)積分流體速度分布的一半來(lái)獲得流量Q(t)[35]:

(8)

式中:Ri是管道中心到計(jì)算點(diǎn)的距離;vi是計(jì)算點(diǎn)處的速度。

圖4 流量計(jì)算公式中的變量Fig.4 Variable in the equation of flow rate calculation

根據(jù)式(2),當(dāng)以大角度入射時(shí)(一般入射角大于50°時(shí)),測(cè)量速度最大范圍變小。另外,對(duì)于相同直徑內(nèi)壁的管道,入射角度較大時(shí),大角度入射將導(dǎo)致聲波傳播的距離增大,聲衰減也就愈發(fā)的嚴(yán)重,測(cè)量結(jié)果精度變差,所以入射角的選擇不宜過(guò)大。本文實(shí)驗(yàn)設(shè)置的超聲換能器入射角為5°～50°(步長(zhǎng)為5°)。雷諾數(shù)為9 038。具體流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 UVP流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 The experimental parameters from UVP measurement

設(shè)置測(cè)量通道數(shù)為100,通道寬度為0.74 mm,由式(7)可以得到。流體速度分布可由式(8)得到,然后以電磁流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量值與不同入射角流體速度分布獲得的流量結(jié)果相比較,誤差結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同管壁厚度在不同入射角下的UVP測(cè)量流體流量誤差(Re=9 038)Fig.5 UVP measurement error at different incidence angles and different wall thickness (Re= 9 038)

由圖5可知,管道壁厚為5 mm時(shí),以5°入射獲得的流量誤差較大,入射角為10°時(shí)的流量誤差較小,入射角分別為15°、20°、25°和30°時(shí)的流量誤差較分散且較大;當(dāng)入射角為35°時(shí)由于處于第一臨界角附近(第一臨界角根據(jù)Snell定律算得為33.24°),流量誤差繼續(xù)增大。入射角為40°、45°和50°時(shí)流量誤差值較小。1 mm管壁的流量誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)論與5 mm管壁的流量誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)論相似。同時(shí)管道厚度1 mm獲得流量誤差明顯小于厚度5 mm的流量誤差,主要是因?yàn)楹窆鼙谠斐闪溯^大透射系數(shù)范圍變小。在10°附近發(fā)現(xiàn)最小流量誤差小于1%。

對(duì)于不同厚度的管道,入射角的差異對(duì)流量和流體速度分布的結(jié)果有很大的影響。小角度入射對(duì)于厚壁管和薄壁管的流體速度分布的測(cè)量都適用,大角度入射僅適用于薄壁管道流體速度分布的測(cè)量。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合之前說(shuō)明的大角度入射將導(dǎo)致聲波傳播距離變長(zhǎng)、最大測(cè)量速度變小的缺點(diǎn),確定了接下來(lái)UVP測(cè)量選取的入射角為10°。

3 CFD數(shù)值模擬

帶有缺陷的管道內(nèi)流體狀態(tài)十分復(fù)雜,為了更好了解含有缺陷管道內(nèi)的流體狀態(tài)并且與之后的實(shí)驗(yàn)比較分析,采用與實(shí)驗(yàn)測(cè)試段相同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD分析。模擬管道內(nèi)流體為總長(zhǎng)2 000 mm直徑50 mm的圓柱形流體,其中缺陷前流體長(zhǎng)1 500 mm,缺陷后流體長(zhǎng)300 mm,缺陷處做了3 mm和4 mm不同缺陷,其流體為長(zhǎng)200 mm直徑分別為56 mm和58 mm的圓柱形流體。運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS Fluent對(duì)預(yù)制缺陷的管道內(nèi)流體流速進(jìn)行了數(shù)值模擬。

圖6和圖7分別顯示了管道缺陷為3 mm與 4 mm 的管道內(nèi)流體的網(wǎng)格布局。網(wǎng)格的平均尺寸為2.5 mm,位于管壁附近設(shè)置10個(gè)網(wǎng)格的邊界層,其中壁面附近邊界層厚度為0.1 mm,邊界層厚度以1.2倍的增率逐層增大。采用cell cut方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最終3 mm缺陷的管道內(nèi)流體的節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 572 410單元數(shù)為1 554 849;4 mm缺陷的管道內(nèi)流體的節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 445 985單元數(shù)為1 427 420。

圖6 3 mm缺陷管道內(nèi)流體的網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh division of fluid in pipe with 3 mm defect

數(shù)值計(jì)算條件設(shè)置,其中,湍流模型選擇k-epsilon模型;邊界條件設(shè)置,入口為速度邊界,數(shù)值分別為0.42,0.6,0.76 m/s分別對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)為20 750,29 643,37 548,出口為壓力邊界;采用二階離散化方法對(duì)流場(chǎng)、壓力、湍流能量和湍流耗散率進(jìn)行計(jì)算。速度與壓力的耦合方案采用Simple算法。迭代次數(shù)設(shè)置1 500次。

圖7 4 mm缺陷管道內(nèi)流體的網(wǎng)格劃分Fig.7 Mesh division of fluid in pipe with 4 mm defect

圖8和圖9為管道中心平面的流體速度矢量分布,分別在缺陷前、臨界點(diǎn)、缺陷處、缺陷后4個(gè)位置設(shè)置位置1、位置2、位置3、位置4四個(gè)測(cè)量線,提取各位置流體速度分布。

圖8 3 mm缺陷管道內(nèi)流體的速度矢量Fig.8 Fluid velocity vector in pipe with 3 mm defect

圖9 4 mm缺陷管道內(nèi)流體的速度矢量Fig.9 Fluid velocity vector in pipe with 4 mm defect

圖10為3 mm缺陷管壁在不同雷諾數(shù)、不同測(cè)量位置數(shù)值計(jì)算的流體速度分布。由于位置1和位置4位于缺陷前與缺陷后,受缺陷的影響較小,所以流體速度分布非常相似。位置2位于缺陷的臨界點(diǎn)處,這個(gè)位置的流體速度分布受缺陷的影響非常大,從流體速度分布圖中可以看出在管壁附近存在負(fù)方向的速度即出現(xiàn)與整體流速方向相反的渦流。位置3的流體速度分布提前了,這是由于與缺陷前以及缺陷后相比缺陷處的管道直徑變大了。通過(guò)對(duì)比不同雷諾數(shù)下的流體速度分布結(jié)果可以看出,相同位置處顯示了相似的流體速度分布變化趨勢(shì)。同時(shí),隨著雷諾數(shù)的增加,渦流的回流速度也變大了,渦流更明顯。圖11為含有4 mm缺陷管壁在不同雷諾數(shù)、不同測(cè)量位置數(shù)值計(jì)算的流體速度分布結(jié)果,該圖獲得的結(jié)果與圖10的結(jié)論基本相似。圖12對(duì)比了兩種缺陷即3 mm和4 mm缺陷,相同位置2處數(shù)值計(jì)算的流體速度分布形式,表現(xiàn)為渦流隨雷諾數(shù)的增加而愈加明顯。為了更好地說(shuō)明渦流速度的大小,圖13對(duì)比了臨界點(diǎn)處不同雷諾數(shù)、不同缺陷大小渦流中的速度最大值,4 mm缺陷下的渦流明顯大于3 mm缺陷下的渦流。

圖10 3 mm缺陷管道的流體速度分布Fig.10 Fluid velocity distribution in pipe with 3 mm defect

圖11 4 mm缺陷管道的速流體速度分布Fig.11 Fluid velocity distribution in pipe with 4 mm defect

圖12 位置2(缺陷臨界處)管道流體速度分布圖(3 mm和4 mm缺陷)Fig.12 Fluid velocity distribution (3 mm and 4 mm defects)at position 2(defect critical location)

圖13 位置2(缺陷臨界處)不同雷諾數(shù)、不同缺陷大小渦流中的速度最大值Fig.13 The maximum velocity of the vortex in different Reynolds Numbers and different defect sizes at position 2 (defect critical location)

因此,利用數(shù)值計(jì)算得到的位置2和位置3處的流體速度分布能夠獲得管壁缺陷對(duì)流速分布的影響規(guī)律。接下來(lái)通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究管道缺陷大小對(duì)流體速度分布的影響。

4 UVP實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

基于圖3所示的UVP測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在水中加入80 μm的Nylon粒子,具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2所示。圖14給出了UVP測(cè)量管壁的4個(gè)不同位置和管壁缺陷的大小。其中介質(zhì)1和介質(zhì)3是水;介質(zhì)2是有機(jī)玻璃。實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)置超聲換能器的位置來(lái)測(cè)量管壁不同位置的流體速度分布形式。預(yù)制缺陷的尺寸D分別為3 mm和4 mm。測(cè)量流體速度分布的4個(gè)位置如下,位置1為臨界缺陷下游40 mm處;位置2為臨界缺陷位置處;位置3為缺陷處,距離缺陷臨界點(diǎn)25 mm;位置4是缺陷上游位置,即管壁完好處,距離缺陷臨界點(diǎn)90 mm。

表2 UVP測(cè)量實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 UVP testing parameters

圖14 UVP測(cè)量管壁中的4個(gè)不同位置和管壁缺陷的大小Fig.14 Four different positions in the pipeline and the size of the defect in UVP testing

圖15為含有3 mm缺陷管壁在不同雷諾數(shù)、不同測(cè)量位置UVP測(cè)量流體速度分布結(jié)果。由圖可知,位置1和位置4的UVP測(cè)量流體速度分布結(jié)果相似,差異性不大。這主要是因?yàn)閮蓚€(gè)位置的流體速度分布并不受缺陷影響,位置4位于缺陷的上游,位置1位于缺陷的下游,其中,位置1距離缺陷較遠(yuǎn)。由位置2即臨界點(diǎn)處流體速度分布形式表明了缺陷對(duì)該位置的流體速度分布具有較大的影響,靠近臨界缺陷的管壁附近出現(xiàn)了渦流。位置3是缺陷位置,該位置截面直徑大于沒(méi)有缺陷的截面直徑,流體速度分布截面明顯大于沒(méi)有缺陷的位置1和位置4。通過(guò)對(duì)比不同雷諾數(shù)下的UVP流體速度分布結(jié)果可以看出,相同位置處顯示了相似的流體速度分布變化趨勢(shì)。同時(shí),隨著雷諾數(shù)的增加,渦流現(xiàn)象變得更明顯。

圖15 3 mm缺陷管道的流體速度分布Fig.15 Fluid velocity distribution in pipe with 3 mm defect

圖16給出了含有4 mm缺陷管道在不同雷諾數(shù)、不同測(cè)量位置UVP測(cè)量流體速度分布結(jié)果,該圖獲得的結(jié)果與圖14的結(jié)論基本相似。圖17為3 mm和4 mm 2種缺陷,在相同位置2處的UVP測(cè)量流體速度分布形式;圖18為臨界點(diǎn)處不同雷諾數(shù)、不同缺陷大小渦流中速度最大值。

由圖17和圖18可知,渦流隨雷諾數(shù)的增加而明顯增加。在同一雷諾數(shù)下,4 mm缺陷下的渦流明顯大于3 mm缺陷下的渦流,其原因?yàn)椋簻u流的出現(xiàn)是由于流體在經(jīng)過(guò)缺陷的位置時(shí)產(chǎn)生了回流,并且渦流隨缺陷的增大表現(xiàn)的更加顯著。

圖16 4 mm缺陷管道的流體速度分布Fig.16 Fluid velocity distribution in pipe with 4 mm defect

圖17 位置2(缺陷臨界處)管道流體速度分布圖(3 mm和4 mm缺陷)Fig.17 Fluid velocity distribution (3 mm and 4 mm defects) at position 2 (defect critical location)

圖18 位置2(缺陷臨界處)不同雷諾數(shù)、不同缺陷大小渦流中的速度最大值Fig.18 The maximum velocity of the vortex in different Reynolds Numbers and different defect sizes at position 2(defect critical location)

綜上所述,利用UVP測(cè)量位置2和位置3處能夠獲得管壁缺陷對(duì)流體速度分布的影響規(guī)律。其結(jié)論與CFD數(shù)值模擬獲得的結(jié)論相似,CFD數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性?？梢岳迷撘?guī)律進(jìn)一步判斷管壁的損傷程度。

5 結(jié) 論

通過(guò)建立帶有缺陷的管道內(nèi)流體模型,模擬分析了不同雷諾數(shù)以及不同缺陷下管道內(nèi)流體狀態(tài)。首次利用流體速度分布來(lái)測(cè)量管道的內(nèi)部缺陷結(jié)構(gòu),通過(guò)含有不同預(yù)制缺陷大小的有機(jī)玻璃作為管壁實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)象,通過(guò)CFD數(shù)值模擬分析以及UVP實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論:

1) 在入射頻率相同的條件下,對(duì)于不同厚度的管道,入射角的差異對(duì)流量和流體速度分布的結(jié)果有很大的影響。小角度入射對(duì)于厚管和薄管的流體速度分布的測(cè)量都適用,大角度入射僅適用于薄壁管道流體速度分布的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了以10°作為實(shí)驗(yàn)的入射角。

2) 對(duì)比分析了管道內(nèi)缺陷臨界點(diǎn)附近流體速度分布變化可以發(fā)現(xiàn),靠近臨界缺陷的管壁附近會(huì)出現(xiàn)渦流,當(dāng)管壁缺陷尺寸相同時(shí),隨著雷諾數(shù)的增加,渦流現(xiàn)象愈加明顯;在相同雷諾數(shù)下,4 mm缺陷下的渦流明顯大于3 mm缺陷下的渦流。

3) 通過(guò)對(duì)比同一管道缺陷處和非缺陷處流體速度分布的變化,管道缺陷處的流體速度分布截面要大于沒(méi)有缺陷管道處的流體速度分布截面,利用該規(guī)律可以進(jìn)一步判斷管壁的沖刷腐蝕程度。