基于CFD的不同流向彎頭沖蝕過程的數值模擬

胡 敏,陳文斌,廖飛龍,程鏡潔

(1.川慶鉆探工程公司安全環保質量監督檢測研究院,四川 廣漢 618300; 2.中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦磨溪凈化廠，四川 遂寧 629000)

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基于CFD的不同流向彎頭沖蝕過程的數值模擬

胡 敏1,陳文斌1,廖飛龍1,程鏡潔2

(1.川慶鉆探工程公司安全環保質量監督檢測研究院,四川 廣漢 618300; 2.中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦磨溪凈化廠，四川 遂寧 629000)

彎頭作為改變介質流向的管件，在管路系統中承受著較大的沖擊以及突變的壓力，因此沖蝕成為彎頭失效的主要原因。利用計算流體動力學CFD軟件對四種不同流向以及水平放置彎頭的沖蝕過程進行了模擬仿真，對比分析了五種情況下彎頭的沖蝕率和沖蝕面積。結果表明：(1)彎頭的外弧面處存在著最大壓力值，含砂氣攜帶著砂粒在該區域大量聚集，且在彎頭外弧面區域極易發生沖蝕磨損；(2)當彎頭中介質流向從上往下時，彎頭平均沖蝕率是1.2763 kg/(m2·s)，最大沖蝕率是14.69 kg/(m2·s)，相對介質流向從下往上的情況均是最大的；(3)當彎頭是水平放置的時候，其沖蝕面積達到了0.046 11 m2比其他4種情況都大。

CFD 彎頭 沖蝕

在管路系統中，彎頭是改變介質方向的管件。當介質經過彎頭時，其速度、壓力會發生非常大的變化，導致流體的流動不穩定[1]。彎頭因沖蝕磨損減薄[2]導致失效而引發的管道事故比例越來越高[3-4]。因此如何準確地發現彎頭存在的缺陷[5]是近幾年來亟待解決的問題之一。該文以新疆某含砂氣井井口的彎頭為例，基于ANSYS-CFX軟件具有針對性地對幾種不同流向彎頭的沖蝕過程進行了模擬仿真。通過分析總結仿真結果，對不同流向彎頭的安裝與檢測工作提供一定的理論指導。

1 數學模型

1.1 多相流分析

多相流分析中，各相之間在宏觀尺度上混合，該混合尺度遠小于網格尺度，但是遠大于分子尺度[6]。所有的相占有同一空間體積，在控制體內假設每一相占有的體積大小用變量體積分數來表示；每一相有自己的流場參數，各相通過相間的能量傳輸、動量傳輸、質量傳輸模型耦合。每一相具有各自的質量、動量、能量傳輸方程。

(1)質量連續方程為：

(2)動量傳輸方程為：

=rα(B-

式中:rα為α相的體積分數;ρα為α相的物理密度;Uα和Uβ分別為α相和β相的速度;μα為α相的剪切粘性系數。

連續相和離散相之間的相互作用力是通過相間速度差、連續相的屬性及相間界面積進行計算，作用在顆粒/分散相上的力包括曳力和非曳力。其中曳力通過無量綱曳力系數與顆粒雷諾數相關。

CD=f(Rε)

在CFX軟件中：

1.2 Finnie腐蝕模型

壁面的磨損腐蝕主要是由于流體介質中的顆粒碰撞侵蝕作用引起。關于顆粒、顆粒的碰撞和壁面的屬性存在著比較復雜的函數關系。幾乎對于所有金屬來說，磨損腐蝕程度隨著顆粒的入侵角和速度變化而變化，其函數關系是：

Finnie磨損腐蝕模型[7]將磨損速率和入侵顆粒的動能聯系起來，取n的值為2，即：

式中：

2 含砂氣沖蝕彎頭的數值模擬分析及結果

2.1 建立CFD模型

選用最常用的90°彎頭作為研究對象。以新疆某含砂氣井井口的彎頭為例，彎頭公稱直徑為114 mm，彎頭壁厚為8 mm。設置速度為入口邊界條件，出口的邊界條件為壓力。由于湍流運動中流體質點的運動情況十分復雜[8]，因此借助實驗數據用經驗公式近似地表達，使用One Seventh Power Law,其表達為：U=Wmax(1-r/Rmax)1/7，通過插入Expression函數的方法來設置。圖1(a)和圖1(b)分別是彎頭的結構模型和流體模型。

圖1 彎頭的結構模型和流體模型

通過設置介質的重力加速度來實現四種流向以及水平放置彎頭沖蝕過程的模擬仿真。四種不同的流向分別是：橫向—向上、橫向—向下、向下—橫向、向下—橫向，見圖2。

2.2 仿真結果與分析

2.2.1 流場特性分析

通過對仿真結果進行分析對比，發現四種流向的彎頭和水平放置彎頭的流場特性基本是一致的，因此這里選取了彎頭介質流向為下-橫向的仿真結果作為代表，來討論彎頭壓力場的分布規律和砂粒的運動軌跡。

圖2 四種流向的彎頭

(1)壓力場

圖3為彎頭壓力的分布云圖。由圖3可見彎頭的外弧面壓力達到最大值，沿著彎頭徑向逐漸降低，至彎頭內弧面時壓力達到了最小值。從數值上看在彎頭內弧面處出現了負壓。當管道內介質通過彎頭到達外弧面的位置時，介質的流向發生改變，因此在外弧面位置會產生最大的壓力值。

圖3 彎頭壓力場分布云圖

(2)砂粒的運動軌跡

圖4為砂粒相在管道中的運動軌跡。顆粒進入彎頭之前，是做直線運動，進入彎頭后，砂粒以一定的動量沖擊彎頭的內壁面，由圖4可以看到砂粒主要是與彎頭的外弧面發生碰撞。相對于外弧面內弧面區域基本上沒有砂粒。在這一過程中，砂粒以不同的角度與外弧內壁面發生碰撞，并且在該區域聚集了大量的砂粒，因此彎頭的外弧面區域是極易發生沖蝕的地方。

圖4 砂粒相的粒子運動軌跡

2.2.2 沖蝕特性分析

這里分別對4種流向的彎頭以及水平放置彎頭的沖蝕特性進行討論分析，見圖5。

圖5 彎頭的沖蝕云圖

(1)沖蝕率

從CFX-Post中提取的4種介質流向及水平放置彎頭的平均沖蝕率和最大沖蝕率值見表1。通過表1可以看出，彎頭內介質流向是從上往下(橫向-向下、向下-橫向)的平均沖蝕率和最大沖蝕率比介質流是向從下往上(橫向-向上、向上-橫向)的大。其中彎頭介質流向為向下-橫向平均沖蝕率和最大沖蝕率是最大的，其次是水平放置的彎頭。這是由于砂粒受重力作用從而影響到砂粒沖擊管壁的速度，當介質是從上往下的，重力作用使砂粒的沖擊速度增大，同理，當介質是從下往上的，重力作用使砂粒的沖擊速度減小。

(2)沖蝕面積

通過CFX-Post中創建Iso-Clip面來提取彎頭上受到沖蝕的區域見圖6。

通過彎頭的沖蝕區域云圖來看，彎頭的沖蝕區域是以外弧面中心向彎頭的兩頰面擴散開的。利用后處理中的Function Calculator模塊來計算出沖蝕區域的面積，計算結果見圖7。

表1 不同流向彎頭的平均沖蝕率和最大沖蝕率

圖6 沖蝕區域面積

從圖7可以直觀地看到當彎頭水平放置時，沖蝕的面積是最大的，其次是彎頭介質流向為橫向-向上。當彎頭是水平放置和介質流向為橫向-向上這兩種情況時，砂粒因重力影響，增大了砂粒與彎頭內壁的接觸面積從而使沖蝕面積增加。

圖7 沖蝕面積對比

3 結 論

(1)通過分析仿真結果得到彎頭的外弧面處存在著最大壓力值，含砂氣攜帶著砂粒在該區域大量聚集，并且在彎頭外弧面區域極易發生沖蝕磨損。

(2)彎頭介質流向是從上往下(橫向-向下、向下-橫向)的平均沖蝕率和最大沖蝕率均比介質流是向從下往上(橫向-向上、向上-橫向)的大。

(3)當彎頭是水平放置和彎頭介質流向為橫向-向上時，彎頭壁面的沖蝕面積是最大的。

[1] 魏秀芝.氣力輸送顆粒在輸送管彎頭中的運動及磨損[J].黑龍江石油化工,1996(2)：36-39.

[2] 曾涌捷.天然氣管道彎頭沖蝕失效機理研究[J].石油與化工設備,2011,14(2):44-46.

[3] 高福慶.管道檢測的必要性[J].管道技術與設備，1998(1):40-42.

[4] 郎需慶，趙志勇，宮宏，等.油氣管道事故統計分析與安全運行對策[J].安全、健康和環境，2006,6(10)：15-17.

[5] 陳酉江.基于陣列傳感器的管道彎頭沖蝕檢測研究[D].四川：西南石油大學，2014.

[6] 李明高，李明.ANSYS13.0流場分析技術及應用實例[M].北京:機械工業出版社，2012:12-18.

[7] 謝龍漢，趙新宇，張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真[M].北京：電子工業出版社，2012:16-22.

[8] 偶國富.彎管沖蝕失效流固耦合機理及數值模擬[J].機械工程學報，2009,45(11):119-124.

(編輯 王維宗)

Numerical Simulation of Erosion in Elbow of Different Flow Directions Based on CFD

HuMing1,ChenWenbin1,LiaoFeilong1,ChenJingjie2

(1.InstituteofSafety,EnvironmentandQualitySupervisionandInspectionofCNPCChuanqingDrillingEngineeringCompany,Guanghan618300，China; 2.MoxiNaturalGasPurificationPlantofCentralSichuanOil&GasField,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany,Suining629000,China)

The elbow works to change the flow direction of medium.The failure of elbow is mainly caused by the erosion because of the great impingement and sudden change of pressure.The numerical simulation of the erosion process of four medium directions in elbow and horizontal elbow is established by using CFD.The erosion rates of erosion areas of five conditions are analyzed and compared.It is concluded that,(1) the externalsurface of the elbow is subject to easy erosion because of great pressure and accumulation of large amount of gas containing solid particles; (2) when the media in the elbow flows from top to bottom,the average erosion rate is 1.2763 kg/m2.s,and the maximum erosion rate is 14.69 kg/m2·s; (3) when the elbow is in horizontal position,the erosion area is 0.04611 m2,which the largest among the four conditions.

CFD,elbow,erosion

2015-11-17；修改稿收到日期：2016-02-02。

胡敏，高級工程師,1985年畢業于西南石油學院機械系,現在該研究院從事鉆井設備及井控裝備檢測及研究工作。E-mail:liaofeilong880311@qq.com