含雜質管道沖刷腐蝕數值模擬

孟悅 趙賽妮 王鵬 徐錦濤（中國民航大學機場學院，天津 300300）

1 數值模擬

1.1 模型的建立

本文研究的對象分為不同尺寸和形狀的彎管，幾何尺寸如下：

1)兩種直管段的幾何尺寸均為L1=L2=1m，r1=r2=r3=0.1m，R3=1m，彎管角度30°。

2)兩種直管段的幾何尺寸均為L1=L2=1m，r1=r2=r3=0.1m，R3=0.5m彎管角度90°。

3)兩種直管段的幾何尺寸均為L1=L2=1m，r1=r2=r3=0.2m，R3=0.5m，彎管角度90°。

4)兩種直管段的幾何尺寸均為L1=L2=4m，r1=r2=r3=0.1m，R3=0.5m，彎管角度90°。

1.2 網格劃分

使用網格劃分對所有模型進行結構體劃分，保證模型的網格分布均勻，并對網格進行細化處理。

1.3 湍流模型設置

基于管徑的高雷諾數要求采用含壁函數的湍流模型。湍流模型采用的是k-ω（spf）增強壁面函數的湍流模型進行數值模擬，由于對于強流線曲率的流動，采用此模型進行計算是能夠得到較為精準的模擬結果。

1.4 邊界條件和起始條件

進行數值模擬時，流場分析時假定流場穩定，計算時各參數不隨時間進行變化，在該模擬過程中，流體為不可壓縮流體，流體的密度，粘度等物理因素不隨時間進行變化，在該過程中，不涉及傳熱問題，流場視為等溫場。在設置入口條件時，入口邊界處設定為充分發展的流動，保證管道內置材料的充分穩定流動。

2 結果分析

模型結果分析模型采用以下三種不同的沖蝕模型來計算管道彎頭表面的沖蝕磨損率，分別為：Finnie、DNV 和E∕CRC。這些沖蝕模型可以內置在專用“沖蝕”的節點中，并且可以在同一組的邊界壁上使用以上多個沖蝕模型來分析解決管道的沖蝕磨損率。除以上三個計算模型外，本報告中還采用管道彎頭處的速度流線分析，管道彎頭處的壓力等值線分析，管道內的粒子軌跡對模型進行更完整的沖蝕磨損分析。

圖1 Finnie模型、DNV模型沖蝕磨損圖

2.1 管道彎頭處的速度流線分析

根據管道彎頭處的速度流線圖分析可得出：在管內介質流速為4.5m∕s 的條件下時，角度為30°的彎管內的液體流速大致分布于4m∕s到2.5m∕s之間，當彎管角度增加至90°時，彎管內的液體流速升至4m∕s 之上，尤其是在通過彎頭之后的管段內，工質流動速度明顯大于30°彎管的流動速度且管內上方流速大于下方流速。當擴大管道直徑后，管內流速明顯降低，管內平均流速在2m∕s至3m∕s，當通過90度彎管后，后端管道內的流速有降低，均在1m∕s至2m∕s之間。適當增加管長之后，管道內的工質流速又有明顯的上升。

2.2 管道彎頭處的壓力等值線

通過壓力分析圖可以得出管道的主要壓力分布于彎管處，當彎管角度較小時，彎管所受到的壓力較小于彎管角度較大時產生的壓力。當管道的管徑相同時，較長管徑在彎管處所承受的壓力大于較短管徑。當管道長度相同但管直徑不相同時，較大的管徑在彎管處承受的壓力要小于較細管徑。

2.3 管道內粒子軌跡分析

顆粒密集程度表示管內的粒子的分布數量，當管子的直徑越細，能夠通過管子的粒子數量則越少。粒子入射的銳角大部分都集中在89度，彎管的角度對其影響較小。

2.4 Finnie模型計算的管壁上的沖蝕磨損率

由上圖1 可知，半徑和直管段長度都會影響沖蝕速率。同樣是用Finnie 模型計算，流速為4.5m∕s，當管徑為0.1m，直管段長為1m 時，彎管上端所受沖蝕最嚴重，為9e-9kg∕(m2×s)，當管徑增加到0.2m 時，沖蝕最嚴重的區域是彎管段的下部分，最高速度為7e-8kg∕(m2×s)。當把直管段長度延長到4m 時，沖蝕主要集中在入口附近，速度最高可達1.2e-7kg∕(m2×s)，而彎管處幾乎不受到沖蝕。

2.5 DNV模型計算的管壁上的沖蝕速率

為了減小仿真誤差，在同樣的參數下用DNV 模型進行研究，結果如圖所示，與Finnie 模型相比，各管道所受沖蝕最嚴重的部位并沒有發生顯著變化，但速度有差異。模型2的最大沖蝕速率降為 3e-9kg∕(m2×s)，模型 3 的最大沖蝕速率也降低了，為6e-8kg∕(m2×s)，直管段長度為 4m 時，最大沖蝕速率為 1e-7kg∕(m2×s)左右，其他地方的速度幾乎為零。

2.6 E/CRC模型計算的管壁上的沖蝕速率

在4.5m∕s的速度下，再采用E∕CRC模型研究各模型的沖蝕情況。與以上兩個模型相比，示意圖基本相同但得到數據偏大。模型2 所示管道所受沖蝕最大速率為1.4e-9kg∕(m2×s)，集中在彎管段的上半部分。模型3 管道彎管下部分受到最高2.5e-8kg∕(m2×s)的沖蝕。模型4受到沖蝕最嚴重的部分在入口的內側，最高沖蝕速率為4.5e-8kg∕(m2×s)。

3 結語

3.1 當速度為4.5m∕s，直管段長度不變，彎管角度90°，半徑增大，流速明顯降低，壓力減小，受沖蝕最嚴重的位置會下移，最大沖蝕速率會增大。

3.2 同樣是速度為4.5m∕s，彎管角度90°，半徑為0.1m，當直管段長度增加時，工質的流速會上升，壓力增大，靠近入口的內側處會受到最嚴重的沖蝕。