冲刷腐蚀广泛存在于能源、化工、石化、核工业以及环境工程等过程工业装备中,例如,冷凝器、流化床燃烧器和水轮机等。但由于缺少对冲刷腐蚀缺陷的检测而导致的事故时有发生,因此,对管道内冲刷腐蚀缺陷的检测显得尤为重要。超声多普勒检测法(Ultrasonic Doppler Velocity Profiler,以下简称UVP)是应用于管道内壁腐蚀缺陷新型检测方法,具有检测管壁材料适用性广、检测管内流体不限和非侵入测量不影响生产等优点,但对UVP应用于流量的测量以及管道内壁冲刷腐蚀的研究还很少。针对UVP现实检测中的问题,本文主要做了以下研究:首先,基于声波的波动方程,利用超声波在各介质分界面上的位移和应力连续的边界条件,再通过声波在水—管壁—水三层介质中传播的物理模型建立了含有频厚积(检测频率与管壁厚度的乘积)、透射系数、入射角等参量的数学模型。通过数值仿真超声波不同入射角下的声波透射系数的变化,发现如下规律:第一、入射角在40°到60°区域内透射系数较大;除第一临界角33.24°附近的区域外(第一临界角根据Snell定律算得),其它区域的透射系数与频厚积呈周期性变化。第二、随着管壁厚度的增加,较大透射系数范围在逐渐减小,声波更难透射进入较大厚度的管壁;与之相比,较薄厚度的管壁更容易使声波穿透,也更容易获得最佳入射角。其次,设计搭建了用于UVP水循环的实验装置,通过UVP流量误差实验确定最终的最佳入射角,同时得到如下规律:管道壁厚为5 mm时,以5°入射获得的流量误差较大;入射角为10°时的流量误差较小;分别以15°、20°、25°和30°入射时,流量误差较分散且较大;当入射角为35°时由于处于第一临界角附近(第一临界角根据Snell定律算得为33.24°),流量误差继续增大;而入射角为40°、45°和50°时流量误差值较小。1mm管壁的流量误差实验结论与上述5mm管壁的流量误差实验结论近似;同时管道厚度1 mm获得流量误差明显小于厚度5 mm的流量误差,主要是因为厚管壁造成了较大透射系数范围变小。在入射角为10°附近发现最小流量误差小于1%;结合数值模拟与UVP流量误差实验,最终确定了后续实验的最佳入射角为10°。然后,研究了不同周角下的流量值,其中主要针对圆周方向多个圆周角度的流量误差值进行了分析,得到如下结论:不同圆周角度下的流量误差值相差较大且单个速度分布获得的流量误差值均较大;而对圆周方向多个测量位置的流量值进行插值计算后获得的流量精度明显提高。该方法为用UVP法对管道流量精确测量提供了理论依据。最后,通过CFD数值模拟与UVP实验分析了不同雷诺数以及不同缺陷下管道内流体状态,得到如下结论:第一,对比分析了管道内缺陷临界点附近流体速度分布变化可以发现,靠近临界缺陷的管壁附近会出现涡流,当管壁缺陷尺寸相同时,随着雷诺数的增加,涡流现象愈加明显;在相同雷诺数下,缺陷变大时涡流也会变大。第二,通过对比同一管道缺陷处和非缺陷处流体速度分布的变化,管道缺陷处的流体速度分布截面要大于没有缺陷管道处的流体速度分布截面,利用该规律可以进一步判断管壁的受冲刷腐蚀程度。这些结论为流体管道内壁冲刷腐蚀缺陷的UVP测量提供了理论依据。