真空垃圾儲運管道彎頭沖蝕與優化研究

【中圖分類號】：TU81 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）03-47-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.03.012

Research on Erosion and Optimization of Elbows in Vacuum Waste Storage and Transportation Pipelines

XU Yunlong1，LINGHU Yan2，ZHENG Kunlong2，LIU Xiaomin1*，ZHOU junlong'，GUAN Jian3

（1.China ConstructionSixthEnginering BureauCo.Ltd.，Tanjin3O71，China;2.ChinaStateCostructionSilkroadCostruction

InvestmentGroupCo.Ltd.，Xi'an7061，China;3.ScholofCivilEnginering，TianjinUrbanConstruction University，anjin 300384，China）

【Abstract】：Inresponse to the problem of erosion and wear causedby gas-solid two-phase flow in domestic waste pneumatic conveying pipelines，based on turbulence and erosion theory，and considering the turning radius，turning angle，and garbage particle size of the bend，COMSOL software was used to study the garbage movement characteristics and erosion behavior inside the bend under pneumatic conveying conditions.The results showed that garbage particles first gather together in the bend of the pipeline，and after colision，they move along thereflection direction and diffuse inanX shape towards both sides.The erosion area was mainly locatedonthe outersideof the inner wall ofthe bend，and thearea with the highest erosionrate was distributed in a \"herringbone\" shape；When designing pipeline structures，it is advisable to choose bends with smallturning radii and large turning angles，and limit the entry of garbage to control the particle size of garbage.

【Key words】： vacuum garbage storage and transportation pipeline;elbow;erosion

氣力垃圾輸送系統通過預先鋪好的管道，采用負壓技術將生活垃圾送到中央垃圾收集站；與傳統垃圾收運模式相比，具有運行環境好、效率高、勞動強度低及自動化程度高等優點2。但在運輸過程中生活垃圾與集輸管道壁面間會發生較多碰撞，管道被沖蝕，垃圾運動軌跡相應變化，產生不同程度的磨損，嚴重時會影響系統的使用壽命和效率。生活垃圾氣力輸送管道內的磨損集中于彎管部分，彎管的使用壽命對整個氣力輸送系統至關重要。

本文針對城市垃圾運輸過程中氣固兩相流造成的彎管沖蝕磨損問題，基于湍流和沖蝕理論，在考慮管道轉彎半徑、轉彎角度、垃圾粒徑等因素基礎上，采用COMSOL軟件開展垃圾物料在氣力輸送條件下垃圾運動特性及彎管內沖蝕行為研究，為生活垃圾氣力輸送管道的優化提供建議。

1數學模型

1.1湍流模型

自然界中的流體流動狀態主要有層流和湍流2種，大量基礎理論與實驗數據證實，流動狀態的判斷不完全取決于臨界速度，而是由管道尺寸、流體物理屬性、流速的綜合雷諾數決定，當雷諾數 Re?4000 時，流動為湍流狀態。

式中： ?：μ^Γ 為平均流速， m/s;D 為管道直徑， m;v 為流體的動力黏度， m²/s 。

經計算，本文垃圾管道雷諾數為 2.68×10⁶gt; 4000，流動為湍流模型。

COMSOL仿真軟件中有多種湍流計算模型，常用的有 k-ε 模型和 k-ω 模型。 k-ω 模型適用于完全湍流的流動過程，且可與壁函數結合使用，對管道流的強流線曲率流動模擬，比 k-ε 模型更準確；因此采用 k-ω 模型建立湍流。速度方程和長度方程[4]

式中： ρ 為流體密度， kg/m³ ： G_b 為由于浮力引起的湍動能 k 的產生項， J;G_k 為速度梯度產生的湍動能，J;Y_M 為脈動擴張產生的湍動能， ??J：μ_r 為湍動黏度， Pa…;ε 為湍動能耗散率； S_k，S_ε 分別為 k 和 ε 的源項； σ_k 為 1;σ_ε 為 1.3;C_1ε?C_2ε?C_3ε 為經驗系數，分別取 1.44，1.92，0.09 。

1.2顆粒運動方程

研究流體與顆粒的兩相流問題時，當顆粒對流體作用力較小，可簡化模型，忽略顆粒對流體的作用力，采用COMSOL軟件流體流動顆粒追蹤模塊對垃圾運

動軌跡跟蹤建模，仿真過程中質點的運動遵循牛頓第二定律[4

式中： m 為粒子的質量； Ψ_x 為粒子的位置； F 為作用在粒子上的所有力的和，作用于流體中粒子的力有拖電力、浮力和重力等。

1.3沖蝕模型

由于運動特殊性及粒子變量的復雜性，目前大多根據數學模型來計算不同粒子、材料條件下的沖蝕速率。較為常用的沖蝕速率模型有E/CRC模型、Finne模型、DNV模型、Oka模型。

1.3.1E/CRC沖蝕模型

E/CRC模型是由Tulsa大學Erosion提出的[5]

f（α）=5.40a-10.11a²+10.93a³-6.33a⁴+1.42a⁵

式中： ER 為沖蝕速率， kg/（m²?s）;F_s 為顆粒形狀因子，顆粒形狀為球形時取 0.2;BH 為管材的布氏硬度， MPa;v_p 為顆粒運動速度， m/s;α 為沖擊角度， rad;C 為經驗常數，取 2.17×10^-7 n 為速度指數，取 2.41;f（α） 為沖擊角函數。

1.3.2Finne沖蝕模型

FINNIEI等提出沖蝕速率的計算公式

式中： V 為顆粒的沖蝕速率， kg/（m²?_s）;m 為顆粒的質量， g;v_p 為顆粒的運動速度， m/s;P 為壓力， pa;α 為沖擊角度， 為接觸深度與剪切深度之比； K 為顆粒的垂直與水平力之比。

在研究中，FINNIEI等將沖擊顆粒假設成一把刀，在撞擊金屬表面時，切除表面部分材料進而發生壁損失。該模型對低沖擊角、多邊形顆粒狀況下的沖蝕更加適用。由于在沖擊角較大時，顆粒對材料造成的沖蝕磨損以剪切作用為主，沖蝕機理隨之發生變化，故本模型在計算大沖擊角時誤差較大。

1.3.3DNV沖蝕模型

2007年挪威船級社推出了沖蝕速率計算標準

DNVPRO501，該數學模型考慮了多參數狀況下的沖蝕，以計算碳鋼、高合金鋼等材料的沖蝕速率為主。不過DNV模型只適合簡單幾何模型沖蝕速率的計算。

沖蝕特征角 （9）計算無量綱參數

計算臨界顆粒直徑dp，m。

其中 y=d_p，_c/D

計算顆粒校正系數

計算受到沖蝕的彎管特征區域面積 （14）

確定沖蝕角度函數

確定幾何因子 C₁ 取值為2.5。

單位換算 Cunit=365×24×60×60×1000 =3.15×1010（m/s） （2號

1.3.4Oka沖蝕模型

OKAYI等 [7～8] 基于大量沖蝕實驗，綜合考慮了入口速度、顆粒直徑和表征管道材料硬度的緯氏硬度等，建立了更準確的沖蝕模型

E（θ）=g（θ）E₉₀

式中： E（θ） 為沖蝕率， log/（?_m²?s）;g（θ） 為沖擊角度函數； E_so 為參考沖蝕率， kg/（m²?s）;H_v 為被沖蝕材料的維氏硬度， GPa;u_p 為粒子與壁面間的相對速度， m/s u_pref 為顆粒參考速度常數，取 10⁴m/s d_p 為沖蝕顆粒粒徑， μm;d_pref 為參考粒徑，取 326um ；用戶指定的無量綱系數 ：n₁=0.8，n₂=1.3，k₁=-0.12，k₂=2.3（H_v）^0.038，k₃=0.19， （202K=65 。

Oka模型詳細研究了沖擊參數對鋁、銅、碳鋼和不銹鋼材料的沖蝕磨損影響，并證明可計算各種沖擊條件下多種材料的沖蝕磨損數據。

通過理論模型分析，E/CRC模型、DNV模型、 .oka 模型都可用于管道彎管沖蝕磨損分析，本文基于以上3種模型進行計算。

2數值模擬過程

2.1幾何模型及網格劃分

建立三維彎管模型，彎管管徑 D 設定為 1m ，壁厚 h 設定為 12mm ，轉彎彎徑比 R/D 設定為1.5。為了保證流體可充分發展和流動，在彎管的入口方向建立 L_? 為 2m 的入口直管段，出口方向建立 L₂ 為 2m 的出口直管段。網格質量及數量直接影響計算速度和計算精度，高質量的網格不僅可以減小計算內存，還可以提高計算精度。本文采用六面體掃掠網格進行劃分，網格最大單元 7.26cm ，最小單元 1.37cm ，最大單元增長率1.13，網格劃分總數為65540。網格近壁面設置了4層邊界層，厚度調節因子0.1。見圖1。

2.2邊界條件及參數選取

設置氣體為連續相，流動狀態為湍流，計算湍流模型選用COMSOL軟件中的 k-ω 標準模型。流體入口邊界條件設置為速度入口，入口速度v設定為 20m/s 出口邊界條件設置為壓力出口，出口壓力 P 設定為0。設定流體在壁面的邊界處流體的速度為0，考慮壁面粗糙度，粗糙度高度 K_s 設定為 10um ，粗糙度參數 C_s 設定為0.5。見圖2。

固體顆粒為離散相，利用流體流動顆粒跟蹤物理場求解顆粒運動軌跡。沖蝕模型選擇E/CRC模型、DNV模型、 0ka 模型，顆粒粒徑 10～30cm ，粒子釋放的質量流率 19.08kg/s ，與流體保持同一速度進人管道內，粒子流動過程中受到電力作用。

有關生活垃圾氣力輸送系統的邊界條件及生活垃圾的物料參數見表1。

3模擬結果分析

為保證求解器收斂性，先運行COMSOL穩態求解器計算流場分布，并將穩態求解值作為顆粒釋放模塊的初始值開展瞬態研究。

3.1壓力場與速度場

垃圾從左側流入，隨著流體流動管壁所受壓力逐漸減小，且彎管處存在明顯的壓力變化梯度，壓力云圖在徑向呈3層分布，彎管內部的氣相壓力場擾動較大；外拱附近的氣體由于慣性被壓縮，導致一部分動能轉化為壓力能；內拱壁面附近的氣體向外擴散，壓力能轉化為動能；所以彎管內拱附近的氣相壓力明顯減小，低壓區達到 -60Pa ;而外拱區域的壓力增大，最大壓力達到 120Pa 。壓力差主要出現在外拱和內拱區域，但彎管出入口壓力梯度變化不明顯。見圖3。

氣體沿彎管的軸向流動，其速度云圖和壓力場對應，內拱的氣體速度比外拱附近的速度小。見圖4。

3.2垃圾顆粒遷移狀態

垃圾從左側入口垂直射入彎管中，并與內壁3次碰撞后轉向從出口流出。垃圾顆粒相在彎管入口處的分布較為均勻，但由于彎管內的碰撞，彎管外拱側的顆粒數量不斷上升。見圖5。

同時可以發現，垃圾顆粒流在彎管內可以分為2個運動階段：

1）初始階段是垃圾顆粒進入彎管后，由于慣性力和彎管的導向作用，在轉彎的過程中顆粒逐步從主氣流中分離的階段，因此彎管內側顆粒濃度急劇下降和外側顆粒濃度逐步升高；

2）充分分離階段是垃圾顆粒與主氣流分離后的運動過程，絕大多數顆粒貼著彎管內壁運動。

垃圾顆粒在彎管內先匯集到一起，發生碰撞后沿著反射方向移動，最后朝兩側以X形狀擴散。

3.3管道沖蝕形貌

為了便于觀察沖蝕形貌，將幾何模型繞Z軸旋轉180^° ，得到碰撞壁面正視視角。見圖6。

彎管受到嚴重沖蝕區域主要集中在內壁外側中間位置，所受沖蝕率最大區域呈“人\"字形分布。在拖曳力的作用下，流體所攜帶的固體顆粒在管道內運動方向發生改變時，固體顆粒由于慣性對彎管造成沖擊。顆粒剛進入彎管時，水平向右的顆粒與壁面的沖蝕角很小，所以對應的彎管人口附近沖蝕深度非常小；隨著轉彎角度不斷增大，沖蝕角也迅速升高，在轉彎角 40^° ＼～60區域形成較為明顯的沖蝕痕跡；當轉彎角gt;60^° 時，顆粒與壁面碰撞后的運動方式主要為沖蝕角很小的滑動摩擦，所以出口附近的沖蝕深度再次減小。

3.4管道沖蝕速率

瞬態計算垃圾顆粒對彎管內壁的沖蝕磨損，即沖蝕深度隨著時間變化而變化。當時間 lt;0.8 s時，內壁的沖蝕速率為0，說明此時顆粒還沒有進人到頂部測試彎管；當時間 gt;0.8 s時，3種磨損模型彎管沖蝕速率隨著時間基本呈線性增長；2.2s后，沖蝕速率保持不變，說明垃圾顆粒已經完全從出口離開。見圖7。

3種模型曲線趨勢一致，最小值為 1.78×10^-6kg/s 最大值為 9.18×10^-4kg/s 。為保證結構的安全，后續模型研究選用 0ka 模型進行分析。

3.5管道沖蝕影響因素分析

垃圾顆粒沖蝕是一種微機械過程，沖蝕程度受多種參數影響，如管道轉彎半徑、轉彎角度、顆粒粒徑等。

3.5.1管道轉彎半徑

為探求不同管道轉彎半徑對彎管沖蝕的影響，分別建立轉彎半徑為 1.5，2，2.5m 的彎管模型，保持顆粒粒徑不變，假定顆粒為均勻的球體，直徑均為 0.1m 保持垃圾質量流率不變，僅改變彎管的轉彎半徑。

3種轉彎半徑的彎管沖蝕速率基本呈線性增加，但轉彎半徑的增大，延長了管道的長度，粒子與管道的碰撞增多，管道沖蝕速率增大。見圖8。

在進行管道結構設計時盡量選用小轉彎半徑的彎管。

3.5.2管道轉彎角度

為探求不同管道轉彎角度對彎管沖蝕的影響，分別建立轉彎角度為 150^°，120^°，90^° 的彎管模型，保持顆粒粒徑不變，假定顆粒為均勻的球體，直徑均為 0.1m 保持垃圾質量流率不變，僅改變彎管的轉彎角度。

3種轉彎角度的彎管沖蝕速率基本呈線性增加，但轉彎角度越大，管道彎管的長度就越短，粒子與管道的碰撞結束時間就越早，由于轉彎角度越小，垃圾顆粒與管道彎管的沖蝕角越大，所以 90^° 彎管管道沖蝕速率增大。見圖9。

3.5.3垃圾粒徑

為探求垃圾粒徑對彎管沖蝕的影響，分別建立垃圾粒徑為 0.1，0.2，0.3m 的彎管模型，保持管道幾何形狀不變，假定顆粒為均勻的球體，保持垃圾質量流率不變，僅改變投發垃圾粒徑。

3種垃圾粒徑的彎管沖蝕速率基本一致，由于垃圾密度不變，隨著粒徑的增大，垃圾的質量增大，動能隨之變大，與彎管發生碰撞造成的沖蝕更嚴重，所以管道沖蝕隨著垃圾粒徑增大而增大。見圖 10

4結論

1）垃圾顆粒在管道彎管內先匯集到一起，發生碰撞后沿著反射方向移動，朝兩側以X形狀擴散。

2）由于垃圾顆粒慣性作用導致彎管沖蝕區域主要位于彎管內壁面的外側，且所受沖蝕率最大區域呈“人\"字形分布。

3）選用轉彎半徑小、轉彎角度大的彎管，并對垃圾投放入口進行限制，控制垃圾的粒徑，可有效減小管道彎管磨損。

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