含沙固液兩相流動對變徑管道沖蝕磨損影響

＊段文博 馬帥 王潔 萬永剛 張立平

（1.齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院物理教研室 黑龍江 161000 2.中國電力工程顧問集團(tuán)公司東北電力設(shè)計(jì)院有限公司 吉林 130000）

引言

出于減小管道沖蝕磨損及提高部件使用壽命的目的，眾多國內(nèi)外學(xué)者對管道的沖蝕現(xiàn)象進(jìn)行了研究，并總結(jié)出了大量的沖蝕磨損理論與數(shù)學(xué)模型。

Zhang等采用數(shù)值計(jì)算方法分析了管道的沖蝕情況，結(jié)果表明數(shù)值計(jì)算方法與實(shí)驗(yàn)方法分析出的沖蝕情況吻合度較好，可以采用數(shù)值計(jì)算模擬管道的沖蝕磨損。

王凱等對含有沙粒的液固兩相流、等直徑彎管進(jìn)行了分析，研究了管道中不同位置的沖蝕磨損率。

劉寒秋等利用數(shù)值模擬方法研究了海洋工程作業(yè)中的冰水混合物對直角彎管的磨損，并給出了減小管道沖蝕磨損的相關(guān)建議。

孫強(qiáng)等利用CFD的動網(wǎng)格技術(shù)，研究了不同振動工況下水平及豎直圓管轉(zhuǎn)角處的沖蝕磨損特性，并預(yù)測了管道壽命變化情況。

可以看到，在管道的沖蝕磨損研究領(lǐng)域研究方向主要集中在等直徑管道方面，而對于變直徑管道的沖蝕磨損研究相對較少。鑒于此，本文以變徑管作為研究對象，以常見的沙粒與水分別作為固相及液相，同時(shí)加入重力的影響，分析液相速度及沙粒粒徑對變徑管道的沖蝕磨損影響規(guī)律，以期為變徑管道的設(shè)計(jì)、防護(hù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考。

1.沖蝕磨損方程

固體顆粒對管道的沖蝕磨損，可利用離散相（DPM）沖蝕磨損方程進(jìn)行計(jì)算。沖蝕磨損方程如式（1）所示：

式中，Rerosion表示顆粒沖擊管道壁面的磨損速率，kg/（m2·s）；NParticle為離散相碰撞數(shù)目；mp為離散相的質(zhì)量流量，kg/s；C（dp）為顆粒的粒徑函數(shù)，取為1.8×10-9；v為固體顆粒的相對速度，m/s；b（v）為顆粒的相對速度函數(shù)，取為2.6；Aface為壁面面積，m2；f（a）為侵入角函數(shù)。

2.幾何模型與計(jì)算條件

本文變徑管道的幾何模型如圖1所示，分為上游段A，變徑段B及下游段C。網(wǎng)格劃分采用O型網(wǎng)格。以面射流的方式在管道入口釋放固體顆粒。選擇密度為1000kg/m3的液態(tài)水為連續(xù)相，密度為1500kg/m3的沙粒為離散相。采用SIMPLE算法對壓力速度進(jìn)行耦合求解，初始化流場，開始計(jì)算。

圖1 變徑管道幾何模型

3.結(jié)果與討論

(1)顆粒直徑對管道沖蝕磨損的影響

經(jīng)計(jì)算得出，隨著顆粒尺寸的增大，管道的沖蝕磨損率也在不斷增大。因大尺寸的固體沙粒質(zhì)量較大，受到的慣性力也較強(qiáng)，所以大尺寸顆粒將具有更大的動能，當(dāng)顆粒與管道發(fā)生摩擦撞擊時(shí)，具有更大動能的大尺寸固體顆粒對管道壁面的破壞程度將會比小尺寸顆粒嚴(yán)重的多，這就造成了管道的沖蝕率隨著顆粒直徑增大而增大。

圖2 不同顆粒尺寸管道壁面的沖蝕磨損云圖

圖2為兩種不同顆粒尺寸條件下管道壁面的沖蝕磨損云圖。從云圖可見，管道的沖蝕磨損主要集中在變徑段B處，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，變徑段下部（重力方向）的磨損程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道上部的磨損情況，同時(shí)沖蝕磨損率隨著顆粒直徑的增大而繼續(xù)增大。

(2)水流速度對管道沖蝕磨損的影響

給定相關(guān)參數(shù)，通過逐漸增大管道進(jìn)口處的水流速度，得出水流速度與管道最大沖蝕磨損率的關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看到，水流速度與管道的最大沖蝕率成反比趨勢，這不同于前文的顆粒直徑與沖蝕磨損率的關(guān)系。在低速水流條件下，管道的沖蝕磨損率要明顯大于高速水流條件下的沖蝕磨損率。而因重力的影響，變徑段B處底部的磨損同樣也會大于頂部。

圖3 不同水流速度與最大沖蝕磨損率的關(guān)系曲線

(3)最大沖蝕部位與防護(hù)

因變徑管幾何結(jié)構(gòu)的原因，管道內(nèi)的最大沖蝕磨損部位都出現(xiàn)在變徑段B處，而變徑段B處沖蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)榈撞浚ㄖ亓Ψ较颍Ｒ虼耍艿赖姆雷o(hù)，應(yīng)注意減小變徑段B處的沖蝕磨損。可以采用諸如增大管道的水流速度及減小顆粒的大小等方法來對變徑段進(jìn)行防護(hù)。

4.結(jié)論

變徑管道的最大沖蝕磨損率與顆粒直徑及水流速度的關(guān)系如下：顆粒直徑與管道的最大沖蝕磨損率成正比關(guān)系，而水流速度與最大沖蝕磨損率成反比關(guān)系。對于本文研究的液固兩相流變徑管道，因管道結(jié)構(gòu)與液體流動的特點(diǎn)，最大沖蝕磨損部位均發(fā)生在變徑段B處，因存在重力的作用，變徑段B處磨損最嚴(yán)重的位置則出現(xiàn)在底部（重力方向）。