帶障礙90°方形彎管氣固兩相流沖蝕失效分析

孫志強(qiáng)，李方淼

（長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)研究所，湖北荊州 434000）

0 引言

在電站鍋爐布置排氣管道時(shí)，排氣線路上會(huì)遇到某些障礙物，所以管道形狀就需要適應(yīng)環(huán)境變化產(chǎn)生一些凸起。在輸氣管道中常含砂粒、水泥等固體物質(zhì)，對(duì)管道彎頭處沖蝕磨損非常嚴(yán)重，并且沖蝕是輸氣管道失效的主要因素[1-2]。黃坤、鄧平等[3]利用仿真軟件優(yōu)化管內(nèi)流場(chǎng)，改善彎管內(nèi)沖蝕磨損情況。崔鉞等[4]利用CO2和氣固兩相沖蝕作用研究了管道失效情況。孫曉陽(yáng)等[5]研究了顆粒間碰撞對(duì)彎管內(nèi)沖蝕磨損的影響。楊德成等[6-7]對(duì)攜砂氣固兩相流對(duì)管道沖蝕影響進(jìn)行了分析。上述研究對(duì)排氣管道遇有障礙的情況研究較少。本文針對(duì)帶障礙的方形彎管研究了不同入口流速、不同顆粒粒徑、不同顆粒質(zhì)量流量、不同顆粒形狀對(duì)管道彎頭處沖蝕速率影響規(guī)律。

1 沖蝕模型

1.1 氣相方程

輸氣管道內(nèi)為氣固兩相流，氣體作為連續(xù)相，其相控制方程如下：式中： ρ為氣相密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；vi、vj為氣體速度分量，m/s；xi，xj為空間坐標(biāo)，i≠j；p為壓力，Pa；τij為應(yīng)力張量； ρgi為重力張量，N；Sk為固體相對(duì)連續(xù)相的用戶定義相。

1.2 固相方程

固相為離散相，離散相在流體中的運(yùn)動(dòng)通過(guò)牛頓第二定律來(lái)確定。固體顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力方程如下：

式中：vp為顆粒速度；vi為氣相速度； ρv為顆粒密度；dv為顆粒直徑； μ為氣體黏度；Re為相對(duì)雷諾數(shù)；CD為拖曳力系數(shù)，gy為y軸方向的重力加速度；Fx為x軸方向的其他作用力，包括虛擬質(zhì)量里、壓力梯度等；a1，a2，a3為系數(shù)，取值見參考文獻(xiàn)[8]。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 輸氣管道計(jì)算模型

為方便計(jì)算，對(duì)輸氣管道模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，90°方形截面彎管結(jié)構(gòu)如圖1所示。方形彎管入口管徑寬度為A，障礙處距入口距離為B，出口管徑長(zhǎng)度為D，彎管半徑為R。

圖1 90°方形帶障礙彎管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

物理模型導(dǎo)入Ansys workbench中，插入網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格方法，采用六面體網(wǎng)格劃分模型。文中邊界條件設(shè)置如下：對(duì)于連續(xù)相的氣體CO2，進(jìn)口邊界條件定義為速度進(jìn)口，出口邊界條件定義為壓力出口（一個(gè)大氣壓下），湍流強(qiáng)度為5%，采用RNG k-ε湍流模型和壁面函數(shù)法。對(duì)于離散相顆粒，DPM模型進(jìn)口和出口處采用逃逸條件，避免采用反彈系數(shù)方式。

法向反彈系數(shù)為：

切向反彈系數(shù)為：

控制單因素變量，設(shè)置模擬參數(shù)如表1所示。

表1 模擬參數(shù)取值

3 彎管沖蝕模擬結(jié)果

3.1 不同流速對(duì)彎管沖蝕的影響

不同的流體速度是影響管道彎頭處沖蝕速率的重要因素，因此選取表1中入口流速數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，得到圖2所示的流速與最大沖蝕速率的關(guān)系。結(jié)合圖2關(guān)系曲線和圖3管道沖蝕云圖可以看出，在其他影響因素保持不變的情況下，管道彎頭的最大沖蝕速率隨流體速度的增加而增大，且最大沖蝕速率發(fā)生在管道彎頭處。一方面當(dāng)流體流速增大時(shí)流體的湍流強(qiáng)度變大，固體顆粒與管壁碰撞的次數(shù)增多，另一方面流體流速增大時(shí)。固體顆粒與管壁的相對(duì)速度變大，間接導(dǎo)致顆粒的動(dòng)能增加，故而綜合兩方面的共同作用，彎管的沖蝕速率會(huì)隨流體流速的增大一直增加。

圖2 不同流速與最大沖蝕速率關(guān)系曲線

圖3 不同流速下彎管沖蝕云圖

3.2 不同顆粒粒徑對(duì)彎管沖蝕的影響

圖4 不同顆粒粒徑與最大沖蝕速率關(guān)系曲線

顆粒粒徑的大小也會(huì)對(duì)彎管沖蝕速率產(chǎn)生相應(yīng)的影響。選擇不同顆粒粒徑的取值進(jìn)行模擬，其結(jié)果如圖4所示。由圖可知，當(dāng)顆粒粒徑在60 μm，80μm，100μm時(shí)，最大沖蝕速率呈下降趨勢(shì)。圖5所示為彎管沖蝕云圖，可以看出最大沖蝕率發(fā)生在障礙處，當(dāng)顆粒粒徑超過(guò)100μm時(shí)，最大沖蝕速率發(fā)生在彎管處。主要原因在于當(dāng)顆粒質(zhì)量流量一定時(shí)，粒子直徑較小，粒子數(shù)目變多，障礙處根部產(chǎn)生顆粒漩渦，沖擊彎管壁面的頻率增大故而最大沖蝕速率在障礙處產(chǎn)生；當(dāng)顆粒粒徑達(dá)到一定程度時(shí)，隨著粒子直徑增大，粒子質(zhì)量也隨之增大，與管壁碰撞產(chǎn)生的能量變大，從而使得管壁沖蝕加劇。

圖5 不同顆粒粒徑下彎管沖蝕云圖

3.3 不同顆粒質(zhì)量流量對(duì)彎管沖蝕的影響

圖6 不同顆粒質(zhì)量流量與沖蝕速率的關(guān)系曲線

在其他參數(shù)保持不變的情況下，改變顆粒質(zhì)量流量，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，隨著顆粒質(zhì)量流量的增加，彎管處最大沖蝕速率曲線呈上升趨勢(shì)。其他條件不變的情況下，說(shuō)明顆粒質(zhì)量流量的增加，會(huì)加強(qiáng)對(duì)彎管處的沖蝕磨損。主要原因在于固體顆粒數(shù)目增加，使得顆粒在彎管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)與彎管處的壁面碰撞次數(shù)增加，故最大沖蝕率隨質(zhì)量流量的增大呈明顯上升趨勢(shì)。如圖7所示，彎管處最大沖蝕率位置不變。

圖7 不同顆粒質(zhì)量流量下彎管沖蝕云圖

3.4 不同形狀系數(shù)對(duì)彎管沖蝕的影響

結(jié)合圖8所示的關(guān)系曲線和圖9所示的彎管沖云圖可以看出，彎管處的最大沖蝕速率會(huì)隨著顆粒形狀系數(shù)的增大而呈下降趨勢(shì)。主要原因在于顆粒形狀系數(shù)越接近1時(shí)，顆粒的形狀越趨近于圓形，所以當(dāng)顆粒形狀系數(shù)較小時(shí)，顆粒形狀較尖銳，對(duì)彎管處的沖蝕磨損會(huì)加大。

圖8 不同形狀系數(shù)與最大沖蝕速率關(guān)系曲線

圖9 不同形狀系數(shù)下彎管沖蝕云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)帶障礙彎管的沖蝕失效進(jìn)行了參數(shù)化分析，發(fā)現(xiàn)2種參數(shù)的增加會(huì)對(duì)管道的沖蝕有顯著影響。

（1）帶障礙輸氣管道在大部分情況下沖蝕最嚴(yán)重的部位發(fā)生在彎管處，一定范圍內(nèi)，彎管處的沖蝕磨損會(huì)隨流體入口流速、顆粒質(zhì)量流量的增大而增大。

（2）隨著顆粒粒徑的增大，管道內(nèi)最大沖蝕速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且在顆粒粒徑在60～100μm范圍時(shí)，最大沖蝕速率發(fā)生在障礙處。

（3）隨著顆粒形狀系數(shù)由小及大趨近于1時(shí)，管道的最大沖蝕速率隨之減小。

（4）上述研究結(jié)果表明，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況需要，調(diào)整流體參數(shù)，控制顆粒質(zhì)量流量和粒徑大小以減輕對(duì)輸氣管道的沖蝕作用。