基于流固耦合的彎管優化設計

安連想

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅蘭州 730060）

0 引言

雖然現代工業有了快速發展，技術水平有了較大提升，但是沖蝕磨損問題始終存在，例如流體管道彎頭等。特別是液固兩相流的沖蝕失效現象更為嚴重，直接影響管道使用壽命，通過對管道流體流動情況實施仿真分析，能夠模擬出不同條件下管道內流體流動特性，從而明確沖蝕最嚴重區域，找到沖蝕規律，進而對管道進行優化設計，提升使用壽命。

1 彎管流固耦合分析

1.1 彎管的物性設置

本文主要以304 不銹鋼彎管（管徑Φ133×3.5 mm）作為案例進行分析，在進行沖蝕分析時做出如下假設。

（1）彎管架構勻稱，內部各位置力學參數無差異。

（2）固相與水相介質物性參數伴隨溫度變動而變動的幅度有限。

（3）流體流進彎管前已發展到要求形態。

（4）彎管橫向設立，較少受重力作用。

（5）石英砂密度為2600 kg/m3，在流體中融合勻稱。

彎管的工況介質物性參數見表1。

1.2 彎管流固耦合分析

（1）等效應變分析。通過ANSYS 軟件對該彎管在不同流速（0.5 m/s、1 m/s、3 m/s、5 m/s、7 m/s、9 m/s）下進行等效應變，以及隨速度變化情況進行觀察。

結果顯示（圖1），不同流速下等效應變分布大體上一致（依次為2.359 0×10-6m，9.233 6×10-6m，7.612 2×10-6m，2.034 0×10-6m，6.300 6×10-6m），但是在彎管段以及彎管段和下游直管接觸位置變化較大，而彎管上游直管部分變化較小。

（2）等效應力剖析。利用ANSYS 工具對此彎管在各種流動速度（9 m/s、7 m/s、5 m/s、1 m/s、0.5 m/s）下等效應力和伴隨流速所發生的變動狀況加以剖析。

可以知道，流動速度不一樣情況下，等效應力分布大多相同（具體是1.256 500 MPa、0.774 630 MPa、0.405 520 MPa、0.151 740 MPa、1.839 8×10-2MPa、4.702 3×10-3MPa）。然而在彎管段和彎管段及下游直管相接地點出現很大變動，而彎管上端直管出現小程度變化。整體而言，彎管等效應力與流動速度間體現為拋物線遞增形態。

表1 彎管的工況介質物性參數

圖1 不同流速下彎管等效應變情況

（3）總位移剖析。利用工具ANSYS 對此彎管在各種流動速度（9 m/s、7 m/s、5 m/s、1 m/s、0.5 m/s）位置移動情況和伴隨速度出現的變動狀況加以剖析。

從結果可知，不同流速下總位移分布大體上一致（依次為1.414 5×10-8m、5.564 0×10-8m、4.884 2×10-8m、1.350 4×10-8m、2.638 1×10-8m、4.351 5×10-8m）。但是在彎管段以及彎管段和下游直管接觸位置變化較大，而彎管上游直管部分變化較小。

1.3 分析結果

綜上所述，彎管在不同流速下的等效應變、等效應力以及總位移分布大體上一致，但是在彎管段以及彎管段和下游直管接觸位置變化較大，而彎管上游直管部分變化較小?？偟膩碚f，等效應變、等效應力以及總位移和流速之間表現出拋物線遞增關系。

2 彎管優化設計

2.1 優化分析

通過分析可知，隨著流速增加，沖蝕增加的程度也越來越大，但是隨著彎管直徑的下降沖蝕率會有非常大的下降。為了降低彎管受到的沖蝕程度，在符合實際應用情況下要降低管內物質的流動速度，同時要盡可能增大彎管的曲率半徑、降低管徑，能夠有效緩解彎管所受到的沖蝕破壞。另外，可以采取增加盲通管、增加擋板等方式對彎管結構進行優化設計。

2.2 增加盲通管

從彎管結構自身因素考慮，可以在彎管彎頭流速變化較快的區域設置盲通管（選擇彎管直徑為Φ108 mm），對其實施沖蝕分析，所得結果如圖2 所示。從圖2 中可知，雖然增加了盲通管，但是對于沖蝕較為嚴重的區域（彎管以及彎管下游管道緊連區域），沖蝕效果沒有明顯改善。在盲通管端部出現流動旋渦，顆粒出現堆積情況，造成此處嚴重沖蝕。總的來說，采用設置盲通管的方式進行彎管結構優化，無法實現降低最大沖蝕的目的。但是盲通管裝卸相對方便，并且不用對磨損的彎管進行整體更換，能夠有效降低維修成本，因此設置盲通管能夠起到對彎管段的有效保護。

圖2 添加盲通管后的分析結果

2.3 改變彎管方向角

選擇直徑為Φ108 的彎管，將其彎曲半徑設置為r=5DN、流速設置為v=5 m/s。逐一改變彎管的方向角（分別為30°、45°、50°、55°、60°、65°）對其進行沖蝕模擬，能夠得到模擬效果。根據模擬效果得知，伴隨彎管方向角度的增大，最大沖蝕率表現出先下降，后升高，然后再下降的態勢（得到的最大充實率依次為1.87×10-5kg/（m2·s）、1.53×10-5kg/（m2·s）、1.51×10-5kg/（m2·s）、1.34×10-5kg/（m2·s）、3.38×10-5kg/（m2·s）、2.19×10-5kg/（m2·s）、2.44×10-5kg/（m2·s）、2.24×10-5kg/（m2·s））。彎管方向角為50°時，最大沖蝕率達到最小數值，彎管方向角為60°時，其數值達到最高。為此可把彎管方向角管控在50°左右，可將沖蝕影響大幅減小。

2.4 添加擋板

在流固耦合下彎管所發生的沖蝕磨損并非造成彎管整體破壞，而是局部磨損較為嚴重。尤其是彎管區域接近彎管下游直管段位置更為嚴重。可以考慮在磨損較為嚴重的區域（彎頭50°～80°）設置可拆式擋板，相當于對該位置進行管壁加厚，能夠增強對沖蝕的抵抗能力，延長彎管使用壽命。此外，采用法蘭連接彎管的方式，并不用更換整個彎管段，能夠大大節省成本。

2.5 優化結果

（1）采取盲通管的方式進行彎管優化設計無法明顯降低最大沖蝕率，但是能夠避免對磨損彎管進行整體更換，能夠有效降低維護成本，對于彎管的保護具有相應作用。

（2）將彎管方向角控制在50°左右能夠有效降低最大沖蝕率，大大提升彎管使用壽命。

（3）在局部磨損較為嚴重的位置（彎頭50°～80°）設置可拆卸式擋板，相當于增加管壁厚度，能夠延長彎管壽命，即使擋板發生沖蝕刺穿也便于更換。

（4）可以綜合采用上述優化措施，能夠進一步提升彎管使用壽命。

3 結束語

本文主要以304 不銹鋼彎管為例，進行彎管流固耦合分析，在此基礎上提出彎管優化設計措施，為彎管的工業設計提供一定參考作用。