大回轉(zhuǎn)角彎管氣固兩相沖蝕模擬

摘 要：管線系統(tǒng)是運輸行業(yè)的重要組成部分，失效形式多種多樣，成因較多，尤其是內(nèi)部介質(zhì)流動造成的沖蝕磨損占有很大比例，而管道的拐角彎頭處又是常見的失效部位，在眾多的拐角結(jié)構(gòu)中大回轉(zhuǎn)角沖蝕更為復(fù)雜，若為多相流作用，則大回轉(zhuǎn)角彎頭沖蝕失效尤為突出，文章目的就是模擬這種復(fù)雜情況下大回轉(zhuǎn)角彎頭的沖蝕機理與規(guī)律。

關(guān)鍵詞：大回轉(zhuǎn)角；彎管；氣固兩相；沖蝕失效

引言

管道沖蝕廣泛發(fā)生在離心風(fēng)機管道、海洋石油運輸，天然氣管道的內(nèi)壁面上，沖蝕損耗是造成管道破壞的重要形式[1，2]，沖蝕損耗用管道內(nèi)表面材料損耗來表征，查閱相關(guān)材料，鍋爐事故中，有相當(dāng)一部分發(fā)生在管道上，而管道失效則有三分之一為沖蝕磨損；各種泵體部件如葉片、管道的損毀約一半為沖蝕失效；彎頭磨損較之直管線路要高出五十余倍[3]。可見對管道沖蝕的研究有可觀的經(jīng)濟(jì)意義，各領(lǐng)域?qū)W者對于氣固兩相、液固兩相流的沖蝕研究已有近十年以上的實驗經(jīng)驗，內(nèi)容涵蓋了能源、化工、機械、水利水電、土木工程等各領(lǐng)域的管路、線路，但是對象多為線路的沖蝕機理，或常見的直角彎頭，但是實際生產(chǎn)中彎頭形式多種多樣如管線繞過障礙物時的大回轉(zhuǎn)角較之其他彎頭優(yōu)先失效，造成經(jīng)濟(jì)損失，所以有必要針對特定形式的彎頭重點研究，為管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。

1 氣固兩相流場控制方程及沖蝕模型

1.1 離散相模型（DPM模型）

多相場中對粒子間的相互作用一般不予考慮[4]，并由Lagrange方程求解粒子跡線。因粒子濃度小、空氣流速高、兩相間濃度差較為明顯，忽略粒子所受作用力[5]。進(jìn)而可以寫出離散相粒子運動方程：

（1.1）

式中：f為連續(xù)相值，P為和離散相值；x為位置坐標(biāo)；u為速度；t為時間；？籽為密度i為坐標(biāo)軸分量；F為離散相粒子的拖曳力；D為離散相粒子直徑；CD為拖曳系數(shù)，按公式1.2計算：

（1.2a）

（1.2b）

1.2 沖蝕計算模型

管材和沖蝕粒子不同，沖蝕模型結(jié)構(gòu)不一，一般取決于沖蝕速度和沖蝕角[6，7]。文章應(yīng)用美國塔爾薩大學(xué)E/CRC中心的沖蝕模型[8]：

（1.3a）

（1.3b）

（1.3c）

式中：ER為靶材的磨損率；C為靶材常數(shù)；HB為靶材布氏硬度；Fp為沖蝕粒子形狀因數(shù)，n為流場的速度指數(shù)；Vp為離散相粒子沖蝕速率；f（？茲）為沖擊角度函數(shù)，按公式（1.3c）；PR為靶材沖蝕率；■p為離散相粒子質(zhì)量流率；？籽w為靶材密度；Ac為網(wǎng)格單元面積；？茲為離散相粒子沖擊角弧度數(shù)；？茲0，a，b，w，x，y，z為由靶材確定的經(jīng)驗常數(shù)。

2 計算模型與恢復(fù)方程

2.1 計算模型

20攝氏度下，以空氣為連續(xù)相，密度1.205kg/m3，以FLUENT提供的wood作為離散相顆粒，密度1500 kg/m3；管材為普通碳鋼。大轉(zhuǎn)角彎頭如圖1所示，具體尺寸已標(biāo)出，求解域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格形式如圖1右側(cè)所示。

2.2 壁面碰撞恢復(fù)方程

在沖蝕發(fā)生的過程中必然存在能量的轉(zhuǎn)換，一般用速度分量的變化來描述，并將碰撞前后速度分量的比值定義為恢復(fù)系數(shù)，該比值主要取決于靶材與顆粒的物理屬性，常見形式有stochastic恢復(fù)系數(shù)方程以及Forder[1-3]恢復(fù)系數(shù)方程[7]，文章應(yīng)用的是前者，其后者形式如公式（1.4）：

（1.4）

式中：T和N分別代表切向和法向方向。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 流場分析

流場基本方程的求解是其他仿真結(jié)果的先決條件，彎頭沖蝕一般都依賴于流場的分布情況。圖2及圖3分別給出了速度分布情況以及離散相粒子軌跡情況，根據(jù)這兩個結(jié)果大致可以知道，大回轉(zhuǎn)角彎頭沖蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域可能有三處圖2的A、B及圖3的C，這三處明顯的特征是速度分布較為集中或者粒子濃度較為密集，進(jìn)而可知彎頭幾何機構(gòu)的變化影響了速度分布與粒子濃度，間接影響沖蝕率。

圖2 速度分布云圖 圖3 流場跡線圖

3.2 沖蝕率分析

圖4給出的是沖蝕率云圖，是文章最想獲得的仿真結(jié)果，可從該云圖上清晰地看到危險區(qū)域與大小，可以看到，管路彎頭較大時，內(nèi)壁面磨損較為嚴(yán)重的區(qū)域為流體進(jìn)入彎頭1/2出靠前的位置，以及該位置對應(yīng)的外測內(nèi)壁面，次之區(qū)域為出流管道外側(cè)的內(nèi)壁面，設(shè)計管線大彎頭使用壽命時應(yīng)以這些位置作為參考，圖4是在流速1m/s、粒徑0.001的結(jié)果。

4 結(jié)束語

（1）文章通過美國塔爾薩大學(xué)沖蝕研究中心提供的沖蝕模型對大回轉(zhuǎn)角彎管進(jìn)行沖蝕模擬，確定大回轉(zhuǎn)角彎頭危險區(qū)域與位置，為設(shè)計人員對該機構(gòu)的壽命設(shè)計提供了參考。（2）進(jìn)一步探究了流體速度、離散相粒子粒徑對大彎頭管線的綜合影響，使用時應(yīng)盡量避免有危害直徑的粒子射入并根據(jù)實際情況控制流速，延長使用壽命。

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作者簡介：黃金磊（1989-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，碩士研究生，研究方向：可再生能源與風(fēng)力發(fā)電。