基于CFD的彎管抗沖蝕結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

摘 要：【目的】針對水力壓裂高壓管匯含砂壓裂液沖蝕問題，分析彎管沖蝕影響因素并提出優(yōu)化手段減少彎管受沖蝕程度。【方法】運(yùn)用FLUENT軟件，基于DPM模型、Realizable k-ε湍流模型，根據(jù)實際工況條件對90°彎管進(jìn)行沖蝕仿真分析。【結(jié)果】結(jié)果表明，新型彎管結(jié)構(gòu)可以有效降低彎管沖蝕磨損程度。在相同工況下，優(yōu)化后最大沖蝕速率為1.861×10-5 kg/（m2·s），相較于優(yōu)化前減少了41.6%。【結(jié)論】經(jīng)過分析可知，改變彎管形狀、增加彎管處管徑可有效減少彎管受沖蝕程度。

關(guān)鍵詞：水力壓裂；高壓管匯；數(shù)值模擬；沖蝕磨損

中圖分類號：TH117.1" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）20-0047-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.20.009

An Optimization Study on the Anti-Erosion Structure of Elbow Based on CFD

Abstract： [Purposes] Aiming at the problem of erosion of sand-bearing fracturing fluid in hydraulic fractured high pressure pipe sink， the influencing factors of elbow erosion are analyzed and the optimization method is put forward to reduce the degree of erosion of elbow. [Methods] Using FLUENT software， based on DPM model and Realizable k-ε turbulence model， the erosion simulation analysis of 90 ° elbow is carried out according to the actual working conditions. [Findings] The results show that the new type of elbow structure can effectively reduce elbow erosion wear， and the maximum erosion rate is 1.86×10-5 kg/（m2·s） under the same working condition， which is 41.6 % lower than that before optimization. [Conclusions] Through analysis， it can be seen that changing the shape or increasing the diameter of the elbow can effectively reduce the erosion degree of the elbow.

Keywords： hydraulic fracturing; high pressure pipe sink; numerical simulation; erosion wear

0 引言

在水力壓裂作業(yè)中，大排量含砂壓裂液會沖擊壓裂高壓管匯，產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕磨損，可能導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)和人員安全事故發(fā)生。根據(jù)調(diào)研，在高壓管匯構(gòu)件中彎管相較于直管更容易發(fā)生沖蝕磨損，沖蝕磨損程度比直管嚴(yán)重約50倍［1］。因此，對于預(yù)測含砂壓裂液對彎管的沖蝕磨損，并通過有效的工程手段減少沖蝕行為引起的設(shè)備失效的研究十分有必要。

近年來，對于沖蝕行為的研究已成為國內(nèi)外同行的研究熱點(diǎn)。Hong等［2］基于CFD-DPM方法預(yù)測了頁巖氣液兩相流中的固體顆粒對90°彎頭、直角管和盲三通的沖蝕磨損，發(fā)現(xiàn)在相同工況下，管壁沖蝕磨損程度隨著流體流速的增加而加劇，且盲三通比90°彎頭和直角管具有更好的抗沖刷性能。Peng等［3］基于CFD數(shù)值模擬方法研究了流體流速、顆粒大小和管道管徑等因素對彎管沖蝕速率的影響，并采用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，得出液固兩相流彎管沖蝕磨損中，流速、管徑、顆粒質(zhì)量流量對沖蝕程度的影響較大的結(jié)論。Sedrez等［4］采用CFD數(shù)值模擬方法并結(jié)合試驗探究了3種配置的兩個串聯(lián)彎頭的沖蝕速率，并分析了重力方向和彎頭方位對沖蝕率的影響，得出不同配置的彎頭串聯(lián)和重力方向?qū)_蝕速率影響較大，且負(fù)X軸重力方向沖蝕速率最大。Krishna等［5］采用CFD-DEM方法，結(jié)合試驗對稠密顆粒漿體通過90°彎管進(jìn)行了不同流動條件下的數(shù)值模擬，探究了不同流動和幾何條件下的沖蝕磨損特性，得出了當(dāng)漿體以較高的固體射流濃度和接近沉積（或臨界）的速度輸送時侵蝕減少的結(jié)論。

本研究采用CFD-DPM方法，分析壓裂工況彎管壓裂液沖蝕影響規(guī)律，并給出優(yōu)化結(jié)構(gòu)，為優(yōu)化壓裂管匯系統(tǒng)彎管抗沖蝕磨損研究提供新的思路。

1 理論模型

1.1 湍流模型

本研究將壓裂液假設(shè)為不可壓縮流體，流場呈連續(xù)湍流狀態(tài)。由于Realizable k-ε湍流模型可以增強(qiáng)邊界層性能，且?guī)u旋修正，故本研究選用該模型進(jìn)行數(shù)值模擬，其表達(dá)式見式（1）至式（3）［6］。

以上式中：σk為湍動能k對應(yīng)的Prandtl數(shù)；σε為湍動耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)；μt為黏度系數(shù)；η 為應(yīng)變參數(shù)；Gk和Gb分別為速度梯度和升力產(chǎn)生的湍動能產(chǎn)生項；Prt為Prandtl數(shù)，取 0.85；Cμ、C1、C2、C3為經(jīng)驗值。

1.2 離散相模型

根據(jù)本研究的工況，采用DPM離散相模型，其運(yùn)動方程可描述為式（4）［7］。

式中：up與u分別為離散相和連續(xù)相的速率；Fd 為粒子的單位曳力；Fother為其他作用力，如浮力、附加質(zhì)量力等；ρp與ρ分別為離散相和連續(xù)相的密度。

1.3 沖蝕模型

計算沖蝕問題時需引入適合的沖蝕模型，根據(jù)本研究工況選用Zhang等［8］的沖蝕模型，并通過UDF編入FLUENT程序，該模型表達(dá)式見式（5）和式（6）。

[ER=C（BH）-0.59FsvnpF（α）] （5）

[F（α）=5.40α-10.11α2+10.93α3-][6.33α4+1.42α5] （6）

式中：C、n為經(jīng)驗常數(shù)，此時取2.17×10-7和2.41；BH為材料的布氏硬度，此時BH=120；Fs為顆粒的形狀系數(shù)，取 0.2；vp為粒子的速度；F（[δ]） 是沖擊角函數(shù)。

2 幾何模型建立與邊界條件設(shè)定

2.1 模型建立

本研究選用壓裂作業(yè)中常用彎管進(jìn)行分析，并通過SolidWorks軟件建立90°彎管三維模型。

彎管結(jié)構(gòu)參數(shù)以及網(wǎng)格劃分如圖1所示。彎管內(nèi)徑D為47.8 mm，曲率半徑R為1.5D。為保證管道內(nèi)流體充分流動，設(shè)定彎管入口段長度為8D，出口段為3D。將三維模型導(dǎo)入Fluent mesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以入口流速為7 m/s的工況下彎管壓降作為評判標(biāo)準(zhǔn)驗證網(wǎng)格無關(guān)性，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于51萬時，壓降趨于穩(wěn)定。故最終確定本研究網(wǎng)格數(shù)目以51萬為基準(zhǔn)。

2.2 邊界條件設(shè)定

本研究在模擬過程中，采用SIMPLE算法，湍動能和動量采用二階迎風(fēng)模式。設(shè)定連續(xù)相為水，離散相為砂粒支撐劑，并假設(shè)離散相顆粒為均勻球形。在連續(xù)相邊界條件設(shè)定中，設(shè)置壓裂液入口為速度入口，出口為壓力出口。在離散相設(shè)定中設(shè)置壁面為反射（Reflect）。相關(guān)物性參數(shù)見表1。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)流場分析

根據(jù)實際工況，設(shè)定流體和顆粒入口的流速為7 m/s，顆粒粒徑為400 μm，顆粒質(zhì)量流量為0.35 kg/s為固定條件，仿真可得彎管的壓力與速度云圖如圖2所示。

由圖2（a）可知，彎管入口處外壁面壓力高于內(nèi)壁面，這是因為流體在離心力作用下向彎管出口處流動，在入口處外壁面產(chǎn)生壓能，導(dǎo)致此處產(chǎn)生帶狀區(qū)，最大壓力為1.59×104 Pa，且在入口處內(nèi)壁面產(chǎn)生一小塊低壓區(qū)。同時由于此處存在壓能導(dǎo)致速度比內(nèi)壁面小，與圖2（b）所示相符合，液體在彎管入口處內(nèi)壁面處產(chǎn)生一個高流速區(qū)，最大流速為9.42 m/s。

3.2 彎管沖蝕情況分布

在固定工況下彎管沖蝕磨損分布如圖3所示。由圖3可知，彎管主要沖蝕區(qū)域為入口處彎頭外表面Zone1和出口處彎頭內(nèi)表面Zone2。沖蝕程度嚴(yán)重區(qū)域為Zone1，其中，最大沖蝕速率為3.191×10-5 kg/（m2·s）。這是因為顆粒從入口處進(jìn)入，與入口處彎頭外表面發(fā)生碰撞并反彈后與彎管出口處內(nèi)表面發(fā)生碰撞導(dǎo)致的。

4 彎管抗沖蝕優(yōu)化

4.1 彎管優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型建立

結(jié)合以上研究可知，顆粒首先與彎管入口處外表面碰撞造成塊狀沖蝕區(qū)，考慮在此處進(jìn)行優(yōu)化。通過增加彎管入口處管徑，并與直管通過放樣連接，建立優(yōu)化后彎管三維模型并進(jìn)行內(nèi)流域網(wǎng)格劃分，優(yōu)化后彎管結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分如圖4所示。由圖4可知，在彎管處增加彎管管徑，增加后彎管管徑B為70 mm。

4.2 優(yōu)化后彎管內(nèi)流場分析

按照優(yōu)化前彎管同工況條件下進(jìn)行分析，可得流場壓力和速度分布如圖5所示。

由圖5所知，優(yōu)化后內(nèi)流場相較于優(yōu)化前變化明顯。由圖5（a）可知，最大壓力為3.52×104 Pa。由于彎管彎曲段的通徑增大，使流體在此處與彎管入口處外壁面碰撞后有緩沖區(qū)域，使流體分布更加均勻，減小了高壓區(qū)的范圍，且有效減少了內(nèi)壁處的低壓區(qū)。由圖5（b）可知，相較于優(yōu)化前彎管結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)可有效改變流場在彎管處的速度梯度，此時最大流速為8.22 m/s。高流速變化區(qū)域從彎管段分散到直管區(qū)，可有效降低流體對彎管段的沖擊。

4.3 優(yōu)化后彎管沖蝕情況分析

優(yōu)化后彎管沖蝕分布如圖6所示。由圖6可知，沖蝕區(qū)主要分布在彎管出口處內(nèi)壁面與入口處外壁面，且相較于優(yōu)化前入口處外壁面的沖蝕程度顯著降低，優(yōu)化后最大沖蝕速率為1.861×10-5 kg/（m2·s）。增加彎管入口處管徑可有效減少彎管所受沖蝕影響程度，且沖蝕速率相較于優(yōu)化前減少了41.6%，可知該結(jié)構(gòu)可有效降低彎管受沖蝕程度。

5 結(jié)語

本研究根據(jù)實際壓裂工況對90°彎管采用數(shù)值模擬的方法對彎管液固兩相流流場進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，彎管沖蝕易發(fā)生區(qū)域為入口處外壁面和出口處內(nèi)壁面，后續(xù)可在這兩處區(qū)域使用表面改性技術(shù)增強(qiáng)抗沖蝕性能。

優(yōu)化后的增徑彎管結(jié)構(gòu)可有效降低彎管受沖蝕程度，在同工況下，優(yōu)化后的彎管最大沖蝕速率為1.86×10-5 kg/（m2·s），相較于優(yōu)化前減少了41.6%。故后續(xù)設(shè)計可考慮基于本研究優(yōu)化彎管抗沖蝕性能。

參考文獻(xiàn)：

［1］易先中，彭灼，周元華，等.高壓壓裂液對JY-50壓裂彎管沖蝕行為影響的數(shù)值模擬［J］.表面技術(shù)，2019，48（2）：144-151.

［2］HONG B Y， LI Y B， LI Y， et al. Numerical simulation of solid particle erosion in the gas-liquid flow of key pipe fittings in shale gas fields［J］. Case Studies in Thermal Engineering， 2023， 42： 102742.

［3］PENG W S， CAP X W，MA L，et al. Sand erosion prediction models for two-phase flow pipe bends and their application in gas-liquid-solid multiphase flow erosion［J］. Powder Technology， 2023， 421： 118421.

［4］SEDREZ T A， SHIRZI S A. Erosion evaluation of elbows in series with different configurations［J］. Wear， 2021， 476： 203683.

［5］KRISHNA R， KUMAR N， GUPTA P K. Numerical study of wall erosion using energy approach for the flow of dense slurry in 90o horizontal pipe bend［J］. Powder Technology， 2023， 426： 118623.

［6］郭姿含，張軍，黃金滿，等.具有仿生內(nèi)表面結(jié)構(gòu)的彎管抗沖蝕特性數(shù)值分析［J］.表面技術(shù)，2023，52（5）：90-100.

［7］喬小溪， 單斌， 陳平. 固–液兩相流黑水管道沖蝕磨損的數(shù)值模擬研究［J］. 摩擦學(xué)學(xué)報， 2020， 40（6）： 726-734.

［8］ZHANG Y， REUTERFORS E P， MCLAURY S B ， et al. Comparison of computed and measured particle velocities and erosion in water and air flows［J］. Wear， 2007， 263（1-6）： 330-338.