基于ANSYS異型號三通管接頭流體分析

邢麗麗 黃芷薇 胡鑫雨

摘要：為分析不同接頭的三通的沖蝕磨損情況，以某公司生產的4種不同接口形狀的液壓三通管接頭為對象，利用有限元分析軟件對4種型號的三通管接頭模型進行沖蝕分析，對比了不同型號的三通管接頭的沖蝕磨損影響，得到最大沖蝕率最小情況下的一種，為后續三通管接頭的選用研究提供參考價值。結果表明，其中D型三通管接頭的最大沖蝕率相較于其他三種型號的較高，A、C、H型這3種三通管接頭的最大沖蝕率無較大區別，其中H型的最大沖蝕率較低，達3.51 × 10-3 kg·m-2·s-1。

關鍵詞：三通管接頭;有限元分析;沖蝕磨損;最大沖蝕率

中圖分類號： U463.4 文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2021）12（a）-0000-00

Fluid Analysis of Anomalous Tee Joint Based on ANSYS

XING Lili ?HUANG Zhiwei ?HU Xinyu

（Institute of Mechanical Structure Strength and Vibration，Yangtze University，Jingzhou，Hubei， 434000）

Abstract：In order to analyze the erosion and wear of the tee of different joints， four types of hydraulic tee joints with different interface shapes produced by a certain company are used as the object， and the four types of tee joint models are eroded using finite element analysis software. Analysis and comparison of the erosion and wear effects of different types of three-way pipe joints are obtained， and the maximum erosion rate is the smallest， which provides reference value for the subsequent selection and research of three-way pipe joints. The results show that the maximum erosion rate of the D-type tee joint is higher than that of the other three types. The maximum erosion rate of thethree-way pipe joints of A， C， and H-type is not much different. Among them， the maximum erosion rate of the model of H-type is relatively low， reaching 3.51 × 10-3 ?kg·m-2·s-1.

KeyWords： Tee joint; Finite element analysis; Erosive wear; Maximum erosion rate

三通接頭在人們生活中應用廣泛，在各個行業如石油化工、海洋、機械工程等都有涉及，主要用在油井固井、壓裂施工作業的管匯上，是各種液壓管路系統重要連接部分[1-2]。在工作過程中，由于液體壓力和流速的影響，三通接頭內部經常受到嚴重的沖蝕磨損影響[3-4]，且隨著液體壓力變大，沖蝕磨損現象愈發嚴重，因此對三通管接頭的性能要求也變高。沖蝕磨損是油氣行業不可避免的退化過程，夾帶的固體顆粒會撞擊管道內表面[5-7]，造成機械磨損，最終導致設備失效，造成經濟損失。因此，研究得到最小沖蝕率的一種接口形狀的三通管接頭，增大裝置壽命，對后續的研究有重要意義，并促進采油事業的發展。

1三通管接頭模型建立

以某公司生產的4種A、C、D、H型的三通管接頭為研究對象，三通管接頭的材料為碳鋼，4種型號的三通管接頭通徑都為20 mm，長為100 mm，高為50 mm，其中A型是一個圓槽形狀接口，C型是一個向外的喇叭口形狀接口，D型是一個向內的喇叭口形狀接口，H型是一個直筒形狀接口，在建模軟件中分別建立A、C、D、H型的三維模型具體見圖1。

2三通管接頭沖蝕分析

利用ANSYS有限元分析軟件對不同型號的三通管接頭進行沖蝕分析，導入建立的流道模型，對不同的模型設置同樣的分析條件。根據現場作業要求，設置工況條件，流體經X軸方向兩入口流進，由Y軸方向出口流出。對不同的流道模型進行網格劃分，由于沖蝕磨損現象在管內的相貫線結構處較為嚴重，故需對管的相貫線結構處和接口處網格細化。根據上述工況條件，對4種模型設定了進出口以及壁面邊界條件。設定兩個進口的邊界條件為速度進口，水流速度為10 m / s，同時設定顆粒的密度為1 500 kg / m3，直徑為325 μm，初速度為10 m / s，從兩個進口進入三通管接頭內，設定出口邊界的邊界類型為outflow，設置質量流量為1 kg/s。壁面條件為wall壁面，顆粒在壁面上的法向及切向反彈系數定義如式（1）及式（2）所示，壁面條件沖擊角函數采用分段性方式進行定義，參數值具體見表1，顆粒的粒徑函數定義為常數1.8×10?9，速度指數定義為常數2.6[8]。

ε_N=0.993-0.0307α+4.75×〖10〗^（-4） α^2-2.61×〖10〗^（-6） α^3 （1）

ε_T=0.998-0.0290α+6.43×〖10〗^（-4） α^2-3.56×〖10〗^（-6） α^3 （2）

將所有條件設置完畢后，進行初始化及計算分析。

3沖蝕結果分析

經分析計算后得到A、C、D、H型的三通管接頭的沖蝕壁面云圖具體見圖2。

從圖2中可以看出D型的最大沖蝕率相較于其他3種型號的較高，沖蝕區域主要分布在進水口附近壁面上，A、C、H型這3種的最大沖蝕率無較大區別，其中H型的最大沖蝕率較低，達3.51×10-3 kg·m-2·s-1，沖蝕區域主要集中在接近出水口壁面上。為解釋這種現象，提取出D型和H型三通管接頭的壁面速度徑線圖具體見圖3。

可以看出顆粒在進入D型三通管接頭后，經過進口后，由于管接口的喇叭形狀，顆粒頻繁與管壁面發生碰撞，導致壁面產生嚴重的沖蝕;對于H型，由于接口處為直筒形狀，顆粒進入之后，發生的碰撞少于前一種情況，對壁面的沖蝕磨損情況較小。

4結語

通過對4種型號的三通管接頭沖蝕分析，由于顆粒在進入D型三通管接頭后與管壁面的頻繁碰撞，對壁面產生的沖蝕磨損較為嚴重，得到相較于A、C、H型這3種三通管接頭，D型三通管接頭的最大沖蝕率較高，在其他3種型號的三通管接頭中H型的最大沖蝕率較低，達3.51×10-3 kg·m-2·s-1，為以后三通管接頭的選擇提供了參考價值。

參考文獻

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