《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：An Eco-friendly Crystal Scales Removal Technique of Fluid Transmission Pipes with Various Flow Types and Void Fractions Using Ultrasonic Guided Waves
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摘要我们提出了一种绿色、连续的流程强化策略，利用泄漏式超声导波来原位去除气液管道中的结晶水垢。该策略采用三维有限元框架，将水平集两相流模型与超声导波传播相结合，根据声压阈值确定管道内壁的“有效空化区域”。通过22.24 kHz的锆钛酸铅换能器进行的空气-水实验验证了这一方法，其除
摘要 我们提出了一种绿色、连续的流程强化策略，利用泄漏式超声导波来原位去除气液管道中的结晶水垢。该策略采用三维有限元框架，将水平集两相流模型与超声导波传播相结合，根据声压阈值确定管道内壁的“有效空化区域”。通过22.24 kHz的锆钛酸铅换能器进行的空气-水实验验证了这一方法，其除垢效果通过扫描电子显微镜和能量色散光谱仪对碳酸钙减少量的分析来量化。模拟结果表明，在气泡流、塞流和分层流中，管道内壁的声压均超过空化阈值。关键的是，气泡分数的增加会扩大空化范围并提升气泡流中的除垢效果，而在塞流和分层流中则会降低空化范围和效率。模拟得到的有效空化区域与实际测量的水垢去除量高度吻合，这为建立将流体动力学条件与清洁效果联系起来的预测性设计变量提供了依据。这些与流动状态相关的趋势为管道的持续维护指出了可行的操作范围：在气泡流中，注入气泡可提升清洁效果，而在塞流和分层流中则应避免过高的气泡分数。在当前实验室条件下，超声导波处理在保持气液流动的情况下进行了30分钟，证明了连续流除垢的可行性。
引言 管道输送是石油、化工、水利和能源等诸多领域中常用的流体传输方式，而气液两相流也是其中典型的研究内容。管道因其低成本、高容量和高可靠性而具有竞争优势[1]。气液两相流通常含有各种离子、有机物质、细菌、硫化氢和二氧化碳[2]。这些成分会在管道内壁发生化学、物理或生物反应[3]，经过长期使用后会形成一系列附着物，即污垢或水垢[4]。如果缺乏足够的检查或未能及时清除水垢，就有可能引发严重事故，如堵塞、变形，甚至管道爆炸[5]。因此，无需停止生产就能实现管道除垢的方法具有重要的商业和工业价值。
目前，传统的管道除垢技术包括高压水射流、机械或化学除垢、管道清洗剂以及超声波除垢方法[12,13]，但这些方法都存在一定的局限性。高压水射流虽然能耗高，但可靠性较低[7]；机械除垢需要停机，且在除垢过程中容易损坏管道；化学除垢虽然能有效去除水垢，但可能需要大量试剂，还可能造成意外污染。还有一种机械管道清洗方法，是通过向管道内注入高压气体来推动清洗工具移动，但这种方法难以穿过管道弯头，操作也较为复杂[10,11]。而传统超声波除垢则存在换能器定位的限制，当需要处理较长距离的管道时，就必须频繁移动换能器。
为了对各类常见的除垢方法进行对比，表1总结了它们的操作特点以及现有的定量性能数据。与高压水射流、机械清管和化学清洗不同，所提出的超声导波方法能够在气液流动条件下持续运行较长时间，因为它不需要中断流动或添加额外的化学除垢剂。更重要的是，本研究不仅证明了该方法的除垢效果，还建立了气泡分数、有效空化区域与基于EDS的碳酸钙去除效果之间的流动状态依赖关系。本研究测得的碳酸钙去除率在29.3%到86.3%之间。
与传统超声清洗（体波清洗）相比，沿管道壁传播的超声导波能够覆盖更大的范围，从而去除更多面积的水垢。先前的研究已经证明了超声导波除垢的可行性[[14], [15], [16], [17], [18]]，其原理主要是利用波传播过程中的空化效应。Qu Z等人研究了选择合适的激励频率以在不损害管道的情况下有效去除水垢的原理[14]，而Li S等人发现，超声换能器阵列的对称激励模式能够比单个换能器更均匀地去除水垢[15,16]。P.M. Jordan等人[17]对气液两相流中声音的线性和非线性传播进行了详细推导，更高阶的非线性解则是通过数值模拟得出的。研究结果表明，波的频率、两相的分布以及气泡分数都会对声音的衰减、散射和等效波数产生很大影响。
考虑到管道内的流体特性，研究人员还研究了水流速度对除垢过程的影响，结果发现水流速度越低，除垢效果越好，其中静止状态下的除垢效果最佳[18]。Flody等人[19]研究了气体对两相流中声波传播的影响，考虑了声波的反射、折射和散射现象。Ruffa[20]通过实验获得了与气泡相关的参数的更准确估计，同时还对具有周期性均匀气泡分布的气泡流中的声波传播进行了三维有限元分析。在Ruffa的研究中，他考虑了相速度、介质衰减系数以及是否有气泡存在等因素，从而得到了这种理想状态下的声波衰减和声速。
根据以往的研究，数值模拟现已被广泛用于解决气液两相流中的声波传播问题。本文采用三维有限元方法对圆柱形管道中的声场进行了模拟，以确定不同气泡分数下气液两相流的影响。研究了三种不同气泡分数下的流动状况，最后通过实验验证，评估了三种流动条件下不同气泡分数下超声导波管道除垢的效果。
章节节选 超声导波 超声导波存在于固体介质内部，通常受介质边界限制并沿着边界传播[21]。超声导波总是在管道、板材和棒材等规则形状的介质中传播。人们已经研究了超声导波的传播特性和边界条件，这些特性通常用应力 和位移 来描述。图1展示了一个圆柱形管道的示意图。该管道在z轴方向上对称，内径为r i r o
这些
两相流体与超声导波的建模 研究采用了多相流模型来模拟气液两相之间的界面，同时选用水平集方法来描述两相流的运动。在最低实验水流速度下，雷诺数约为5725，表明在当前的实验条件下流动为湍流状态，因此采用了标准的k–ε湍流模型来描述管道内的湍流现象。
实际上，超声导波的大部分能量都是沿着管道壁传播的，
实验装置 实验装置包括两相介质供应系统、实验管道、控制与测量系统以及除垢装置。两相介质供应系统负责将水和气体引入系统，这两种介质最初分别储存在不同的容器中，随后被泵入管道中。
管道系统由不锈钢管和阀门组成。此外，还有一段由亚克力制成的透明管道，便于高速摄像机观察和记录流动情况。另外还有两个独立的
实验结果 经过30分钟的除垢实验后，使用扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱仪对管道样本进行了检测。为了研究换能器轴向距离和管道周向位置对管道壁的影响，从每根管道上采集了8个样本，每个样本的面积为大约3平方毫米。其中4个样本采集在换能器下游30厘米处，另外4个样本则采集在60厘米处。在每一个轴向位置上，
结论 本文研究了在不同类型的气液两相流流动条件下，气泡分数对超声导波除垢过程的影响。通过对每种流动类型进行有限元模拟，得到了不同气泡分数下管道内气液两相流的体积比例和压力分布，以及超声导波作用下的绝对总声压分布。最后，将带有水垢的管道与气液流动系统相连，
CRediT作者贡献说明 Wenxuan Zhu： 撰写——初稿、资源获取、项目管理、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理、概念构建。Ruoyan Chen： 可视化处理、结果验证、软件应用。Chuanxian Chen： 软件应用。Yunkun Fu： 软件应用。Liqun Wu： 结果验证。Youpeng Yan： 实验研究。Yang An： 项目管理。Wuliang Yin： 方法设计。Zhigang Qu： 撰写——审稿与编辑、资金筹集。
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