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自1947年以来，全球海上油气的勘探和开采逐渐从浅海向中深海(100-500 m)、深海(500-1500 m)甚至极深海(大于1500m)不断发展。在此过程中，管道输送以其运输量大、建设周期短和运输费用小的特点，成为油气输送中一种最为常见的方式。海底油气管道在输送过程中，通常面临低温高压的外部环境、输送距离长和维护费用高等一系列问题。为了解决深水油气开发在流动过程中的一系列安全问题，DeepStar合作组织于1992年，基于墨西哥湾深海油气田生产中遇到的技术挑战，提出了“流动保障(Flow Assurance)”这一概念。流动保障是指“在各种环境条件下、以及整个油气田开发期内，将海洋油气经济、安全地开采出来并输送至处理设施的各种技术措施和策略”。流动保障研究关注的问题包括：管线泄漏、多相流流场特性、天然水合物生成、海底管线保温、蜡质/沥青质析出和流动堵塞等问题。其中，管线泄漏问题是流动保障研究最为关注的重点和难点问题之一。
管线泄漏的原因通常可以归类为：物理损伤、机械损伤、材料疲劳和管线内外表面损伤等。本文仅关注由管道内部流动引起的管线内表面损伤。在油气开采过程中，油气井内除了产出烃类物质外，还会产生固体颗粒和具有腐蚀性的含硫化合物等物质。固体颗粒，尤其是沙粒，会在油气输送过程中不断撞击管壁，从而对管壁材料造成物理侵蚀；含硫化合物则会对管壁造成化学腐蚀。无论是物理侵蚀还是化学腐蚀，都会导致管壁材料受损，管壁厚度逐渐变薄，增大管线发生泄漏的风险，从而对生态环境和人员安全带来巨大的威胁。由于海底管道所处的低温、高压、深水环境会抑制化学反应对管道的腐蚀破坏，因此沙粒侵蚀这种物理破坏模式成为管道损坏的主要因素。目前，世界上大约70%的烃类化合物都贮存在弱固结的储层中，这些储层大多由地质年代较晚且尚未充分固结的岩土构成。当开采这类储层内的石油或天然气时，未充分固结的岩土在开采过程中容易破碎成沙粒从而随油气一同进入管线。在油气运输过程中，管线系统中的诸多联结部件部位，如弯头、阀门和异径接头等，极易发生严重的沙粒侵蚀。研究表明，管线弯管处的沙粒侵蚀程度甚至能达到直管段中的50倍。因此，针对弯管中的沙粒侵蚀问题开展研究，是管线沙粒侵蚀研究的重中之重。
根据管线输送介质的不同，通常可将管道分为气相管道、液相管道和多相流管道。多相流管道中气相与液相同时存在，由于气、液相比例的不同，又可将多相流划分为泡状流、段塞流、涡流和环状流。泡状流中表观气相速度较小而表观液相速度较大，气相主要以小气泡的形式均匀分布在连续的液相之中。随着表观气相速度的增大，泡状流中的小气泡之间不停碰撞并融合成大气泡，部分大气泡继续碰撞并相互融合，最终形成几乎充满整个管道截面的泰勒气泡，此时形成的流型被称为段塞流。段塞流由连续的段塞单元组成，每一个段塞单元主要由泰勒气泡段和液塞段两部分组成。在泰勒气泡段中，泰勒气泡处于管道中心区域并被管壁附近向下流动的液膜包围；在液塞段中，仅有少部分气泡分布在液塞中并随液塞向上运动。随着表观气相速度继续增大，泰勒气泡的上升速度逐渐增大，这使得泰勒气泡与周围液体间的切应力也逐渐增加，最终导致泰勒气泡被撕裂为多个不规则的大气泡。此时，管道内气、液相分布不规律，形成的流型被称为涡流。当表观气相速度增大到一定程度时，管道内部分液相以液滴的形式卷入到管道中心主要由气相组成的气芯区，剩余液相则沿管壁形成向上运动的液膜区，此时形成的流型被称为环状流。在气相及多相流管道中，由于流体输送速度大且粘滞性弱，沙粒更容易穿过流场并撞击在管壁上，因此沙粒侵蚀程度尤为严重。
针对管道沙粒侵蚀问题，国内外学者相继开展了一系列的理论、数值和实验研究。但是，已有研究更侧重于数值模拟和实验研究，在理论研究方面仍存在以下三点空白：(1)环状流弯管最大侵蚀率及侵蚀剖面的预测；(2)概率分析模型的简化及计算效率的提高；(3)气相及多相流弯管中最大侵蚀率的预测。为填补上述研究空白，本文系统开展气相及多相流弯管中沙粒侵蚀的理论模型研究。其研究意义在于，通过建立弯管中沙粒侵蚀程度的高效评估方法，以为管道尺寸确定及设计、以及管道最大允许流量的输送及控制提供科学依据。针对上述三点研究空白，相应开展了四项研究内容：(1)建立环状流弯管中心面最大侵蚀率的机理分析模型；(2)建立概率分析模型，将沙粒侵蚀预测范围从中心面延伸至整个弯管外侧；(3)统一气相及环状流弯管沙粒侵蚀的分析模型，并致力于提升其计算效率；(4)将统一分析模型的适用范围推广至多种多相流流型，建立综合分析模型以预测不同多相流弯管中的最大侵蚀率。以下对这四项研究工作进行逐一介绍。
(1)环状流弯管中心面最大侵蚀率的机理分析模型。环状流流型稳定、易于控制，是多相流输送中一种常见的高效输送流型。本文首先就环状流弯管中的沙粒侵蚀问题开展研究。环状流一般由管道中心含雾化液滴的气芯区和管道壁面上附着的液膜区组成。环状流流场特征对称，最大侵蚀率通常发生在弯管中心面内的外脊线上。本文通过分析沙粒在环状流弯管中心面的运动状态，建立机理分析模型以预测环状流弯管的最大侵蚀率。机理分析模型将侵蚀求解过程分为流场描述、沙粒追踪和侵蚀计算三个步骤。流场描述步骤需获得流场特征参数和流速信息。在环状流管道中，气芯区内流体运动速度较快，通常会在运动过程中将气液交界面处的液体卷入到气芯区中，被卷入的液体在气芯区会破碎成小液滴，随后部分液滴会在沉积作用的影响下重新返回液膜区。通常认为当液滴的雾化过程与沉积过程达到动态平衡后，环状流流动状态稳定，液滴雾化系数为常数。机理分析模型采用加权平均的方法，将气芯区中气相与液滴的混合流体简化为均质流，并运用1/7次方定律描述气芯区中流体的速度分布规律；在液膜区中，机理分析模型采用线性规律描述液相速度的分布规律。沙粒追踪步骤最终需获得沙粒的撞击速度和撞击角度等信息。在追踪沙粒的运动轨迹时，机理分析模型主要考虑拖曳力、附加质量力、压力梯度力和浮力的作用，对沙粒受力状态进行分析，并建立力学平衡方程以描述沙粒在弯管中的运动状态。为求解沙粒的运动状态方程，机理分析模型将沙粒在管道中的变加速曲线运动，分解为大量匀加速直线运动的集合。通过计算，可以得到沙粒在弯管内相邻位置处运动状态间的关系，并结合沙粒初始运动状态可以迭代求解沙粒撞击管壁时的撞击速度和撞击角度。在侵蚀计算步骤中，将沙粒撞击信息(撞击速度和撞击角度)代入侵蚀损伤公式中，得到环状流弯管中的沙粒侵蚀结果。由于Oka公式全面考虑了颗粒属性及靶材材料等对侵蚀结果的影响，本文采用Oka公式作为侵蚀损伤的计算公式。本文采用88组液膜厚度的实验数据，考察机理分析模型中液膜厚度模型的预测结果；采用49组环状流弯管的沙粒侵蚀实验数据，考察机理分析模型对最大侵蚀率的预测结果。结果表明，机理分析模型具有预测环状流弯管中心面上最大侵蚀率的能力。基于机理分析模型，本文考察了表观气相速度、表观液相速度、沙粒粒径、管道直径、弯头曲率和液相粘滞系数等对侵蚀结果的影响。
(2)环状流弯管中沙粒侵蚀剖面的概率分析模型。虽然机理分析模型具有预测环状流弯管处最大侵蚀率的能力，但是无法对环状流弯管的整个侵蚀剖面分布进行预测。本文建立概率分析模型，首次在理论模型中考虑沙粒二次碰撞对环状流弯管侵蚀剖面的影响，对环状流弯管的最大侵蚀率及侵蚀剖面进行预测。概率分析模型的基本思想是：基于单个沙粒造成侵蚀的概率，计算大规模沙粒对弯管造成的整体损伤。概率分析模型对环状流弯管中沙粒的运动规律提出两个假设：一是沙粒的运动轨迹为直线；二是沙粒的入射速度、反射速度及碰撞点法线均处于同一平面。这样，弯头中心线上各点的侵蚀主要有三个来源，即沙粒的一次碰撞、中心面内二次碰撞和中心面外二次碰撞；而弯头中心线外各点的侵蚀只有两个来源，即沙粒的一次碰撞和中心面外二次碰撞。在环状流中，沙粒与管壁发生一次或二次碰撞时，需多次穿越液膜区，沙粒每次穿越液膜时都会造成其撞击速度衰减。概率分析模型对沙粒在液膜中的运动过程进行分析，建立沙粒衰减后速度与其入射液膜时速度之间的关系，从而可根据初始入射速度求出沙粒撞击管壁时的速度，并根据沙粒运动轨迹规律求解其撞击管壁时的角度。基于得到的沙粒撞击信息，分别计算沙粒发生一次和二次碰撞的概率；结合沙粒碰撞概率与侵蚀损伤公式，分别求解弯头中心面上和中心面外各点的侵蚀概率；将弯头上某一位置的侵蚀概率积分求和，最终可获得该位置的侵蚀率。本文采用49组环状流弯管沙粒侵蚀的实验数据，对概率分析模型的最大侵蚀率预测结果进行考察，结果表明，概率分析模型在考虑沙粒的二次碰撞效应后，能够获得更高的预测精度。同时，与其他侵蚀模型的对比结果表明，概率分析模型不仅预测精度最高，且适用范围更广。基于概率分析模型，本文对环状流弯管侵蚀剖面的分布情况进行分析，结果表明，沙粒的二次碰撞对侵蚀剖面的形成，尤其是最大侵蚀率和最严重侵蚀位置的预测均具有显著影响；考虑二次碰撞后，概率分析模型的预测曲线与实测结果更为一致；沙粒的二次碰撞会造成最大侵蚀率增加、最严重侵蚀位置后移，且弯管尾部出现侵蚀现象。本文以概率分析模型为工具，考察表观气相速度、表观液相速度和弯头曲率等参数对侵蚀剖面的影响，结果表明，侵蚀剖面在不同表观气相速度和表观液相速度下形状相似，但在不同弯头曲率下相差较大；在整体上，易受侵蚀的区域随表观气相速度和表观液相速度的增加而扩大，随弯头曲率的增加而缩小。
(3)气相及环状流弯管沙粒侵蚀的显式预测模型。概率分析模型虽然可以预测弯管的侵蚀剖面，但是计算过程复杂，不便于快速求解最大侵蚀率和最严重侵蚀位置。为解决这一问题，本文基于概率分析模型提出侵蚀衰减系数和侵蚀增强系数的计算方法，建立气相和环状流弯管中沙粒侵蚀的显式预测模型。实验中发现，在高速气-固流中加入少许液体会明显减弱弯管处的沙粒侵蚀程度。液相对侵蚀结果的影响分为三个方面：有效输沙率、初始入射速度和沙粒速度衰减。具体而言，第一，在环状流中由于气芯区流速快、沙粒比例高，而液膜区流速慢、沙粒比例小，因此只有气芯区的沙粒能对管壁造成有效侵蚀；第二，由于沙粒通常由液相携带运输，故沙粒的初始入射速度接近于液相速度，而小于气相速度；第三，由于环状流液膜区的存在，沙粒在撞击管壁前会发生速度衰减。综合上述三方面，本文提出侵蚀衰减系数的概念，以描述环状流管道中的沙粒侵蚀相对于气相管道中的衰减程度。气相管道中的基准侵蚀率与侵蚀衰减系数相乘后，与环状流管道中的基准侵蚀率一致，这表明侵蚀衰减系数达到了统一气相及环状流弯管沙粒侵蚀模型的目的。沙粒与管壁间的二次碰撞对于最大侵蚀率和最严重侵蚀位置的预测均有明显影响，但在现有研究中，尚未发现沙粒二次碰撞对侵蚀结果贡献的定量分析。本文设计46组模拟工况，运用概率分析模型分析不同工况下沙粒二次碰撞对侵蚀结果的贡献，并根据分析结果提出反映沙粒二次碰撞对侵蚀结果贡献的侵蚀增强系数。结合气相管道基础侵蚀率、基础侵蚀位置、侵蚀增强系数和侵蚀衰减系数，本文建立了一个显式统一模型，以同时适用于预测气相及环状流弯管的最大侵蚀率和最严重侵蚀位置。概率分析模型与显式统一模型的对比结果表明，对于绝大部分工况，二者具有基本一致的预测结果，这证明显式统一模型达到了统一并简化气相及环状流弯管沙粒侵蚀计算模型的目的。与其他侵蚀模型的对比结果表明，针对气相弯管的最大侵蚀率，显式统一模型与概率分析模型具有一致的预测精度且优于其他模型；针对环状流弯管的最大侵蚀率，显式统一模型的预测精度仅略低于概率分析模型；针对最严重侵蚀位置，显式统一模型的预测精度优于其他侵蚀模型。总体来说，无论在气相管道还是环状流管道，显式统一模型在最大侵蚀率和最严重侵蚀位置方面均表现出优秀的预测能力。
与概率分析模型相比，显式统一模型具有以下三方面优势：一是将复杂的概率模型转化为简洁的显式表达式，更便于理解和应用；二是应用范围更广，能同时适用于预测气相及环状流弯管的最大侵蚀率和最严重侵蚀位置；三是在保证计算精度的前提下，显著提升了计算效率。由于显式统一模型只能预测弯管的最大侵蚀率和最严重侵蚀位置，而概率分析模型还能预测弯管的侵蚀剖面，因此二者并非完全等同。
(4)多相流弯管沙粒侵蚀机理及综合预测模型。本文将显式统一模型的适用范围推广至多种多相流流型，包括泡状流、段塞流、涡流和环状流，建立了一个可预测多相流弯管最大侵蚀率的综合分析模型。随着表观气相速度的增加和表观液相速度的减小，多相流流型逐渐由泡状流转变为环状流。沙粒在不同多相流中的运动及分布规律具有显著差异，这使得建立一个适用于不同多相流的统一的侵蚀分析模型，面临重重困难。本文从有效输沙率、初始入射速度和沙粒撞击速度三方面，对多相流中的沙粒侵蚀机理进行分析。在泡状流中，有效输沙率为1，初始入射速度等于混合速度，沙粒撞击速度可借鉴单相流中沙粒撞击速度的计算方法；在段塞流及涡流中，有效输沙率等于液塞区液相质量与整个段塞单元中液相质量之比，初始入射速度为液塞区中的液相速度，沙粒撞击速度为其穿过液膜后的速度；在环状流中，有效输沙率为气芯区的液相雾化率，初始入射速度为气芯区中的液相速度，沙粒撞击速度为其穿越液膜区后的速度。将有效输沙率、初始入射速度和沙粒撞击速度与侵蚀损伤公式相结合，在不同多相流流型中分别建立沙粒侵蚀模型。为统一各多相流中的沙粒侵蚀模型，提出了适用于不同多相流流型的侵蚀衰减系数和侵蚀增强系数及其计算方法，依据气相弯管中的基础侵蚀率，将不同多相流中的沙粒侵蚀模型整合为适用于多相流弯管沙粒侵蚀预测的综合分析模型。本文将收集到的总共103组多相流沙粒侵蚀实验工况，用于考察综合分析模型的可靠性和预测精度，结果表明，综合分析模型对多相流弯管的最大侵蚀率具有较好的预测能力。为进一步提升综合分析模型的预测精度，本文利用Dean数、Froude数和弯管曲率，建立优化系数以对模型预测结果进行优化。通过对比综合分析模型的预测结果和实验数据，确定优化系数的表达式以及优化模型的函数形式。将综合分析模型与优化模型进行对比可知，后者在泡状流、段塞流和涡流中的预测精度显著提高。将综合分析模型、优化模型与其他模型进行对比，结果表明，综合分析模型已具有优于其他模型的预测能力，而优化模型的预测精度则显著优于其他模型。
综上，本文建立起适用于气相及多相流弯管沙粒侵蚀预测的理论模型。与国际上现有的7种预测模型(Bourgoyne，Parsi et al.，Mazumder et al.，Liu et al.， Salama，Shirazi et al.)及行业规范(DNV)相比，以可收集到的157组气相及多相流弯管的沙粒侵蚀实测数据进行检验，结果表明，在气相及环状流工况下，本文模型的预测精度仅低于Shirazi模型；在涡流和段塞流工况下，本文模型的预测精度要显著高于其他模型；在泡状流工况下，本文模型的预测精度仅低于DNV模型。总体而言，本文模型形式简洁、统一，与其他大多数模型仅适用于特定流型不同，本文模型普遍适用于泡状流、段塞流、涡流、环状流和气相流，且预测精度明显优于其他模型。
本文学术成果均经过国际同行的严格评议，主要成果已发表于颗粒侵蚀领域的国际顶尖期刊《Wear》和《PowderTechnology》。
管线泄漏的原因通常可以归类为：物理损伤、机械损伤、材料疲劳和管线内外表面损伤等。本文仅关注由管道内部流动引起的管线内表面损伤。在油气开采过程中，油气井内除了产出烃类物质外，还会产生固体颗粒和具有腐蚀性的含硫化合物等物质。固体颗粒，尤其是沙粒，会在油气输送过程中不断撞击管壁，从而对管壁材料造成物理侵蚀；含硫化合物则会对管壁造成化学腐蚀。无论是物理侵蚀还是化学腐蚀，都会导致管壁材料受损，管壁厚度逐渐变薄，增大管线发生泄漏的风险，从而对生态环境和人员安全带来巨大的威胁。由于海底管道所处的低温、高压、深水环境会抑制化学反应对管道的腐蚀破坏，因此沙粒侵蚀这种物理破坏模式成为管道损坏的主要因素。目前，世界上大约70%的烃类化合物都贮存在弱固结的储层中，这些储层大多由地质年代较晚且尚未充分固结的岩土构成。当开采这类储层内的石油或天然气时，未充分固结的岩土在开采过程中容易破碎成沙粒从而随油气一同进入管线。在油气运输过程中，管线系统中的诸多联结部件部位，如弯头、阀门和异径接头等，极易发生严重的沙粒侵蚀。研究表明，管线弯管处的沙粒侵蚀程度甚至能达到直管段中的50倍。因此，针对弯管中的沙粒侵蚀问题开展研究，是管线沙粒侵蚀研究的重中之重。
根据管线输送介质的不同，通常可将管道分为气相管道、液相管道和多相流管道。多相流管道中气相与液相同时存在，由于气、液相比例的不同，又可将多相流划分为泡状流、段塞流、涡流和环状流。泡状流中表观气相速度较小而表观液相速度较大，气相主要以小气泡的形式均匀分布在连续的液相之中。随着表观气相速度的增大，泡状流中的小气泡之间不停碰撞并融合成大气泡，部分大气泡继续碰撞并相互融合，最终形成几乎充满整个管道截面的泰勒气泡，此时形成的流型被称为段塞流。段塞流由连续的段塞单元组成，每一个段塞单元主要由泰勒气泡段和液塞段两部分组成。在泰勒气泡段中，泰勒气泡处于管道中心区域并被管壁附近向下流动的液膜包围；在液塞段中，仅有少部分气泡分布在液塞中并随液塞向上运动。随着表观气相速度继续增大，泰勒气泡的上升速度逐渐增大，这使得泰勒气泡与周围液体间的切应力也逐渐增加，最终导致泰勒气泡被撕裂为多个不规则的大气泡。此时，管道内气、液相分布不规律，形成的流型被称为涡流。当表观气相速度增大到一定程度时，管道内部分液相以液滴的形式卷入到管道中心主要由气相组成的气芯区，剩余液相则沿管壁形成向上运动的液膜区，此时形成的流型被称为环状流。在气相及多相流管道中，由于流体输送速度大且粘滞性弱，沙粒更容易穿过流场并撞击在管壁上，因此沙粒侵蚀程度尤为严重。
针对管道沙粒侵蚀问题，国内外学者相继开展了一系列的理论、数值和实验研究。但是，已有研究更侧重于数值模拟和实验研究，在理论研究方面仍存在以下三点空白：(1)环状流弯管最大侵蚀率及侵蚀剖面的预测；(2)概率分析模型的简化及计算效率的提高；(3)气相及多相流弯管中最大侵蚀率的预测。为填补上述研究空白，本文系统开展气相及多相流弯管中沙粒侵蚀的理论模型研究。其研究意义在于，通过建立弯管中沙粒侵蚀程度的高效评估方法，以为管道尺寸确定及设计、以及管道最大允许流量的输送及控制提供科学依据。针对上述三点研究空白，相应开展了四项研究内容：(1)建立环状流弯管中心面最大侵蚀率的机理分析模型；(2)建立概率分析模型，将沙粒侵蚀预测范围从中心面延伸至整个弯管外侧；(3)统一气相及环状流弯管沙粒侵蚀的分析模型，并致力于提升其计算效率；(4)将统一分析模型的适用范围推广至多种多相流流型，建立综合分析模型以预测不同多相流弯管中的最大侵蚀率。以下对这四项研究工作进行逐一介绍。
(1)环状流弯管中心面最大侵蚀率的机理分析模型。环状流流型稳定、易于控制，是多相流输送中一种常见的高效输送流型。本文首先就环状流弯管中的沙粒侵蚀问题开展研究。环状流一般由管道中心含雾化液滴的气芯区和管道壁面上附着的液膜区组成。环状流流场特征对称，最大侵蚀率通常发生在弯管中心面内的外脊线上。本文通过分析沙粒在环状流弯管中心面的运动状态，建立机理分析模型以预测环状流弯管的最大侵蚀率。机理分析模型将侵蚀求解过程分为流场描述、沙粒追踪和侵蚀计算三个步骤。流场描述步骤需获得流场特征参数和流速信息。在环状流管道中，气芯区内流体运动速度较快，通常会在运动过程中将气液交界面处的液体卷入到气芯区中，被卷入的液体在气芯区会破碎成小液滴，随后部分液滴会在沉积作用的影响下重新返回液膜区。通常认为当液滴的雾化过程与沉积过程达到动态平衡后，环状流流动状态稳定，液滴雾化系数为常数。机理分析模型采用加权平均的方法，将气芯区中气相与液滴的混合流体简化为均质流，并运用1/7次方定律描述气芯区中流体的速度分布规律；在液膜区中，机理分析模型采用线性规律描述液相速度的分布规律。沙粒追踪步骤最终需获得沙粒的撞击速度和撞击角度等信息。在追踪沙粒的运动轨迹时，机理分析模型主要考虑拖曳力、附加质量力、压力梯度力和浮力的作用，对沙粒受力状态进行分析，并建立力学平衡方程以描述沙粒在弯管中的运动状态。为求解沙粒的运动状态方程，机理分析模型将沙粒在管道中的变加速曲线运动，分解为大量匀加速直线运动的集合。通过计算，可以得到沙粒在弯管内相邻位置处运动状态间的关系，并结合沙粒初始运动状态可以迭代求解沙粒撞击管壁时的撞击速度和撞击角度。在侵蚀计算步骤中，将沙粒撞击信息(撞击速度和撞击角度)代入侵蚀损伤公式中，得到环状流弯管中的沙粒侵蚀结果。由于Oka公式全面考虑了颗粒属性及靶材材料等对侵蚀结果的影响，本文采用Oka公式作为侵蚀损伤的计算公式。本文采用88组液膜厚度的实验数据，考察机理分析模型中液膜厚度模型的预测结果；采用49组环状流弯管的沙粒侵蚀实验数据，考察机理分析模型对最大侵蚀率的预测结果。结果表明，机理分析模型具有预测环状流弯管中心面上最大侵蚀率的能力。基于机理分析模型，本文考察了表观气相速度、表观液相速度、沙粒粒径、管道直径、弯头曲率和液相粘滞系数等对侵蚀结果的影响。
(2)环状流弯管中沙粒侵蚀剖面的概率分析模型。虽然机理分析模型具有预测环状流弯管处最大侵蚀率的能力，但是无法对环状流弯管的整个侵蚀剖面分布进行预测。本文建立概率分析模型，首次在理论模型中考虑沙粒二次碰撞对环状流弯管侵蚀剖面的影响，对环状流弯管的最大侵蚀率及侵蚀剖面进行预测。概率分析模型的基本思想是：基于单个沙粒造成侵蚀的概率，计算大规模沙粒对弯管造成的整体损伤。概率分析模型对环状流弯管中沙粒的运动规律提出两个假设：一是沙粒的运动轨迹为直线；二是沙粒的入射速度、反射速度及碰撞点法线均处于同一平面。这样，弯头中心线上各点的侵蚀主要有三个来源，即沙粒的一次碰撞、中心面内二次碰撞和中心面外二次碰撞；而弯头中心线外各点的侵蚀只有两个来源，即沙粒的一次碰撞和中心面外二次碰撞。在环状流中，沙粒与管壁发生一次或二次碰撞时，需多次穿越液膜区，沙粒每次穿越液膜时都会造成其撞击速度衰减。概率分析模型对沙粒在液膜中的运动过程进行分析，建立沙粒衰减后速度与其入射液膜时速度之间的关系，从而可根据初始入射速度求出沙粒撞击管壁时的速度，并根据沙粒运动轨迹规律求解其撞击管壁时的角度。基于得到的沙粒撞击信息，分别计算沙粒发生一次和二次碰撞的概率；结合沙粒碰撞概率与侵蚀损伤公式，分别求解弯头中心面上和中心面外各点的侵蚀概率；将弯头上某一位置的侵蚀概率积分求和，最终可获得该位置的侵蚀率。本文采用49组环状流弯管沙粒侵蚀的实验数据，对概率分析模型的最大侵蚀率预测结果进行考察，结果表明，概率分析模型在考虑沙粒的二次碰撞效应后，能够获得更高的预测精度。同时，与其他侵蚀模型的对比结果表明，概率分析模型不仅预测精度最高，且适用范围更广。基于概率分析模型，本文对环状流弯管侵蚀剖面的分布情况进行分析，结果表明，沙粒的二次碰撞对侵蚀剖面的形成，尤其是最大侵蚀率和最严重侵蚀位置的预测均具有显著影响；考虑二次碰撞后，概率分析模型的预测曲线与实测结果更为一致；沙粒的二次碰撞会造成最大侵蚀率增加、最严重侵蚀位置后移，且弯管尾部出现侵蚀现象。本文以概率分析模型为工具，考察表观气相速度、表观液相速度和弯头曲率等参数对侵蚀剖面的影响，结果表明，侵蚀剖面在不同表观气相速度和表观液相速度下形状相似，但在不同弯头曲率下相差较大；在整体上，易受侵蚀的区域随表观气相速度和表观液相速度的增加而扩大，随弯头曲率的增加而缩小。
(3)气相及环状流弯管沙粒侵蚀的显式预测模型。概率分析模型虽然可以预测弯管的侵蚀剖面，但是计算过程复杂，不便于快速求解最大侵蚀率和最严重侵蚀位置。为解决这一问题，本文基于概率分析模型提出侵蚀衰减系数和侵蚀增强系数的计算方法，建立气相和环状流弯管中沙粒侵蚀的显式预测模型。实验中发现，在高速气-固流中加入少许液体会明显减弱弯管处的沙粒侵蚀程度。液相对侵蚀结果的影响分为三个方面：有效输沙率、初始入射速度和沙粒速度衰减。具体而言，第一，在环状流中由于气芯区流速快、沙粒比例高，而液膜区流速慢、沙粒比例小，因此只有气芯区的沙粒能对管壁造成有效侵蚀；第二，由于沙粒通常由液相携带运输，故沙粒的初始入射速度接近于液相速度，而小于气相速度；第三，由于环状流液膜区的存在，沙粒在撞击管壁前会发生速度衰减。综合上述三方面，本文提出侵蚀衰减系数的概念，以描述环状流管道中的沙粒侵蚀相对于气相管道中的衰减程度。气相管道中的基准侵蚀率与侵蚀衰减系数相乘后，与环状流管道中的基准侵蚀率一致，这表明侵蚀衰减系数达到了统一气相及环状流弯管沙粒侵蚀模型的目的。沙粒与管壁间的二次碰撞对于最大侵蚀率和最严重侵蚀位置的预测均有明显影响，但在现有研究中，尚未发现沙粒二次碰撞对侵蚀结果贡献的定量分析。本文设计46组模拟工况，运用概率分析模型分析不同工况下沙粒二次碰撞对侵蚀结果的贡献，并根据分析结果提出反映沙粒二次碰撞对侵蚀结果贡献的侵蚀增强系数。结合气相管道基础侵蚀率、基础侵蚀位置、侵蚀增强系数和侵蚀衰减系数，本文建立了一个显式统一模型，以同时适用于预测气相及环状流弯管的最大侵蚀率和最严重侵蚀位置。概率分析模型与显式统一模型的对比结果表明，对于绝大部分工况，二者具有基本一致的预测结果，这证明显式统一模型达到了统一并简化气相及环状流弯管沙粒侵蚀计算模型的目的。与其他侵蚀模型的对比结果表明，针对气相弯管的最大侵蚀率，显式统一模型与概率分析模型具有一致的预测精度且优于其他模型；针对环状流弯管的最大侵蚀率，显式统一模型的预测精度仅略低于概率分析模型；针对最严重侵蚀位置，显式统一模型的预测精度优于其他侵蚀模型。总体来说，无论在气相管道还是环状流管道，显式统一模型在最大侵蚀率和最严重侵蚀位置方面均表现出优秀的预测能力。
与概率分析模型相比，显式统一模型具有以下三方面优势：一是将复杂的概率模型转化为简洁的显式表达式，更便于理解和应用；二是应用范围更广，能同时适用于预测气相及环状流弯管的最大侵蚀率和最严重侵蚀位置；三是在保证计算精度的前提下，显著提升了计算效率。由于显式统一模型只能预测弯管的最大侵蚀率和最严重侵蚀位置，而概率分析模型还能预测弯管的侵蚀剖面，因此二者并非完全等同。
(4)多相流弯管沙粒侵蚀机理及综合预测模型。本文将显式统一模型的适用范围推广至多种多相流流型，包括泡状流、段塞流、涡流和环状流，建立了一个可预测多相流弯管最大侵蚀率的综合分析模型。随着表观气相速度的增加和表观液相速度的减小，多相流流型逐渐由泡状流转变为环状流。沙粒在不同多相流中的运动及分布规律具有显著差异，这使得建立一个适用于不同多相流的统一的侵蚀分析模型，面临重重困难。本文从有效输沙率、初始入射速度和沙粒撞击速度三方面，对多相流中的沙粒侵蚀机理进行分析。在泡状流中，有效输沙率为1，初始入射速度等于混合速度，沙粒撞击速度可借鉴单相流中沙粒撞击速度的计算方法；在段塞流及涡流中，有效输沙率等于液塞区液相质量与整个段塞单元中液相质量之比，初始入射速度为液塞区中的液相速度，沙粒撞击速度为其穿过液膜后的速度；在环状流中，有效输沙率为气芯区的液相雾化率，初始入射速度为气芯区中的液相速度，沙粒撞击速度为其穿越液膜区后的速度。将有效输沙率、初始入射速度和沙粒撞击速度与侵蚀损伤公式相结合，在不同多相流流型中分别建立沙粒侵蚀模型。为统一各多相流中的沙粒侵蚀模型，提出了适用于不同多相流流型的侵蚀衰减系数和侵蚀增强系数及其计算方法，依据气相弯管中的基础侵蚀率，将不同多相流中的沙粒侵蚀模型整合为适用于多相流弯管沙粒侵蚀预测的综合分析模型。本文将收集到的总共103组多相流沙粒侵蚀实验工况，用于考察综合分析模型的可靠性和预测精度，结果表明，综合分析模型对多相流弯管的最大侵蚀率具有较好的预测能力。为进一步提升综合分析模型的预测精度，本文利用Dean数、Froude数和弯管曲率，建立优化系数以对模型预测结果进行优化。通过对比综合分析模型的预测结果和实验数据，确定优化系数的表达式以及优化模型的函数形式。将综合分析模型与优化模型进行对比可知，后者在泡状流、段塞流和涡流中的预测精度显著提高。将综合分析模型、优化模型与其他模型进行对比，结果表明，综合分析模型已具有优于其他模型的预测能力，而优化模型的预测精度则显著优于其他模型。
综上，本文建立起适用于气相及多相流弯管沙粒侵蚀预测的理论模型。与国际上现有的7种预测模型(Bourgoyne，Parsi et al.，Mazumder et al.，Liu et al.， Salama，Shirazi et al.)及行业规范(DNV)相比，以可收集到的157组气相及多相流弯管的沙粒侵蚀实测数据进行检验，结果表明，在气相及环状流工况下，本文模型的预测精度仅低于Shirazi模型；在涡流和段塞流工况下，本文模型的预测精度要显著高于其他模型；在泡状流工况下，本文模型的预测精度仅低于DNV模型。总体而言，本文模型形式简洁、统一，与其他大多数模型仅适用于特定流型不同，本文模型普遍适用于泡状流、段塞流、涡流、环状流和气相流，且预测精度明显优于其他模型。
本文学术成果均经过国际同行的严格评议，主要成果已发表于颗粒侵蚀领域的国际顶尖期刊《Wear》和《PowderTechnology》。