不同結(jié)構(gòu)彎管液固兩相流沖蝕數(shù)值模擬

冉亞楠

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

設(shè)備與自控

不同結(jié)構(gòu)彎管液固兩相流沖蝕數(shù)值模擬

冉亞楠

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

彎管作為石油化工中常用的部件之一，服役過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不可避免的沖蝕損傷。本文采用歐拉-拉格朗日數(shù)值模擬方法追蹤固相砂粒在彎管中的運(yùn)移軌跡，重點(diǎn)研究不同彎曲半徑和彎管內(nèi)徑時(shí)沖蝕速率的規(guī)律。結(jié)果表明，彎曲半徑較小的彎管會(huì)造成多部位的沖蝕損傷，而較大的彎曲半徑時(shí)，沖蝕損傷部位集中在彎頭外壁面和出口直管段外壁面。彎曲半徑的增大會(huì)導(dǎo)致最大沖蝕速率增大，管徑的增大會(huì)導(dǎo)致最大沖蝕速率減小。

沖蝕；彎管；彎曲半徑；內(nèi)徑

沖蝕是指流體或固體以松散的小顆粒按一定的速度和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損，其實(shí)質(zhì)是多相流動(dòng)介質(zhì)沖擊材料表面造成的一類磨損損傷[1]。沖蝕是工業(yè)生產(chǎn)中材料常見(jiàn)的一種失效行為。據(jù)統(tǒng)計(jì)，沖蝕磨損占工業(yè)生產(chǎn)中磨損破壞總數(shù)的8%，是磨損造成材料失效的主要行為之一。彎管是石油天然氣行業(yè)常用的管件之一。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，在服役過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生一定程度的沖蝕損傷。在實(shí)際工程中，彎管的沖蝕損傷可能達(dá)到直管段的50倍[2]，因此，彎管的沖蝕問(wèn)題受到國(guó)內(nèi)外許多研究者的關(guān)注。黃勇等[3]指出影響彎管的因素主要有環(huán)境參數(shù)如顆粒的速度、濃度等，顆粒性質(zhì)如顆粒大小、粒度等，材料性能如材料強(qiáng)度等。Zhang等[4]使用CFD方法預(yù)測(cè)了90°彎管在液固兩相流沖擊下的沖蝕規(guī)律，得出液體流速和顆粒直徑對(duì)沖蝕速率的影響。Chen等[5]研究了粒徑、濃度、流體黏度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)彎頭和T型管沖蝕規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑、濃度及流體黏度對(duì)沖蝕速率影響明顯，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用歐拉-拉格朗日方法模擬90°彎管內(nèi)的液固兩相流場(chǎng)，并計(jì)算內(nèi)壁面的沖蝕速率。重點(diǎn)分析影響彎管結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主要參數(shù)即彎頭彎曲半徑和彎管內(nèi)徑不同時(shí)，彎管沖蝕規(guī)律的變化。

1 計(jì)算模型描述

流體相的動(dòng)力學(xué)控制方程通過(guò)流體平均兩相流動(dòng)的動(dòng)量守恒方程描述，其考慮了流體體積分?jǐn)?shù)與顆粒相間阻力的影響。連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程分別表示如下[6]：

式中，ρ為液體密度，kg·m-3；u為液體速度，m·s-1；g為重力加速度，m·s-2；p為壓力，Pa；τ為液體應(yīng)力張量；α為液體體積分?jǐn)?shù)，F(xiàn)d為顆粒所受到的液體平均阻力。流體相的湍流采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型描述。

顆粒相應(yīng)用離散相模型在拉格朗日坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算。顆粒運(yùn)動(dòng)方程可表示為[7]：

式中，u和up分別是流體和顆粒的速度，m·s-1；ρp是顆粒的密度，kg·m-3；Fd是流體對(duì)顆粒的曳力，N；Fm為考慮浮力存在的質(zhì)量力，N；μ是液體的黏度，Pa·s；dm為顆粒的直徑，m；Cd和Re分別是曳力系數(shù)和相對(duì)雷諾數(shù)。顆粒相的湍流采用隨機(jī)游走模型(DRW)描述。

沖蝕速率一般與顆粒撞擊速度、撞擊角度和顆粒幾何參數(shù)有關(guān)，沖蝕速率公式由下式確定[8]：

其中q為計(jì)算過(guò)程中顆粒的質(zhì)量流率，kg·s-1；C(dp)為顆粒直徑的函數(shù)；α為顆粒對(duì)壁面的沖擊角，rad；f(θ)為關(guān)于沖擊角的修正函數(shù)；V是顆粒的速度，m·s-1；b(Vp)是顆粒速度的函數(shù)；n為顆粒數(shù)目；A為壁面計(jì)算單元的面積，m2。

2 幾何模型建立及邊界條件設(shè)置

以90°彎管為研究對(duì)象，幾何模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。入口和出口均取300mm。分別取彎曲半徑R為50mm、150mm和250mm；彎管內(nèi)徑D分別為50mm、100mm、150mm。采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分彎管流域，以彎管內(nèi)徑D為50mm，R為150mm的模型為例，劃分的網(wǎng)格總數(shù)為350000，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為386316。入口處采用速度入口、出口處采用出流，壁面取固壁邊界條件。液相為水，速度為25.5m·s-1，固相為砂粒，直徑為0.0003m，顆粒濃度為25kg·m-3，密度為2650 kg·m-3。

圖1 彎管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of bend pipe

3 結(jié)果與討論

3.1 彎曲半徑對(duì)彎管沖蝕的影響

彎曲半徑是彎管結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一。固定管道內(nèi)徑D為50mm，研究管徑比分別為1、3、5時(shí)彎管沖蝕速率的差異。圖2是彎曲半徑分別是50mm、150mm和250mm時(shí)彎管沖蝕速率云圖。3種彎曲半徑時(shí)，沖蝕損傷均集中在彎管的彎頭部分。其中最大沖蝕速率發(fā)生在彎頭下游與直管相連部分，這與文獻(xiàn)[9]的研究相符。相比之下，彎曲半徑擴(kuò)大使得沖蝕速率損傷區(qū)域也隨之?dāng)U大。

為定量分析彎管各部位沖蝕速率的大小，將彎管分成六部分壁面進(jìn)行編號(hào)（圖3）。由圖4可以看出，彎頭內(nèi)壁（inside-2）、彎頭外壁（outside-2）和出口直管內(nèi)壁（inside-3）沖蝕速率最大。在彎曲半徑為150mm時(shí)（圖6），彎頭外壁面（outside-2）的沖蝕速率最大，其次是出口段的外壁面（outside-3）。彎曲半徑為250mm時(shí)情況與150mm時(shí)相同，在此不再贅述。由圖7可以看出，顆粒在入口的直管段分布均勻。進(jìn)入彎頭部分后，顆粒首先以高速撞擊彎頭外壁面，彎曲半徑較小時(shí)（圖5a）顆粒速度與壁面的夾角較大，極易發(fā)生反彈，彎管外壁面反彈后的顆粒一部分沖擊彎管內(nèi)壁面，一部分沖擊出口直管段的內(nèi)壁面，導(dǎo)致這三段的沖蝕速率最大。因此，彎曲半徑較小時(shí)，彎管沖蝕由顆粒的直沖和反彈后沖擊同時(shí)造成。在彎曲半徑較大時(shí)（圖5b），由于顆粒慣性的原因，顆粒大部分貼著彎頭外壁面流至出口直管段。由于彎頭曲率較大，顆粒與壁面之間的夾角很小，顆粒在該處幾乎不會(huì)發(fā)生反彈。因此，彎曲半徑較大時(shí)沖蝕主要由顆粒的直沖造成。

圖2 不同彎曲半徑彎管沖蝕速率云圖Fig.2 Erosion rate of bend pipe with different bending radius

圖3 彎管各壁面編號(hào)圖Fig.3 Wall chart of bend pipe

3.2 管徑對(duì)彎管沖蝕的影響

圖4 彎曲半徑50mm時(shí)各壁面最大沖蝕速率Fig.4 Maximum erosion rate of the walls when the bending radius was 50mm

圖5 彎曲半徑分別為50mm和150mm時(shí)顆粒軌跡Fig.5 Particle trajectory when the bending radius are 50mm and 150mm

圖6 彎曲半徑為150mm時(shí)各壁面最大沖蝕速率Fig.6 Maximum erosion rate of the walls when the bending radius is 150mm

彎管內(nèi)徑同樣是彎管結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。固定彎曲半徑D為150mm，分別計(jì)算彎管直徑R為50mm、100mm和200mm時(shí)的彎管沖蝕速率大小。圖7為在相同入口流速和砂粒濃度條件下，彎管直徑分別為50mm和200mm時(shí)的沖蝕速率云圖。可以看出，彎管直徑為50mm時(shí)沖蝕點(diǎn)明顯多于直徑為200mm時(shí)的。由3.1節(jié)討論可知，沖蝕速率最嚴(yán)重部位是彎頭外壁面（outside-2）和出口直管段外壁面（outside-3）。因此，重點(diǎn)對(duì)比3種彎管直徑下這兩段壁面的最大沖蝕速率大小。由圖8可以看出，隨著彎管直徑的增大，兩段壁面的最大沖蝕速率均減小。分析原因：雖然兩種管徑時(shí)顆粒入口的速度相同，但在相同濃度顆粒下，小直徑的彎管更容易被顆粒持續(xù)沖擊同一點(diǎn)；而大直徑彎管內(nèi)的顆粒分布較分散，顆粒幾乎不會(huì)對(duì)某一位置持續(xù)沖擊。因此，大直徑的彎管沖蝕損傷輕于相同條件下的小直徑彎管。

圖7 不同彎管直徑時(shí)沖蝕速率云圖Fig.7 Erosion rate contours of different pipe diameter

圖8 不同彎管直徑時(shí)外壁面最大沖蝕速率Fig.8 Maximum erosion rate of different pipe diameter

4 結(jié)論

1）彎管較小會(huì)造成多部位的沖蝕損傷，而較大的彎曲半徑時(shí)，沖蝕損傷部位集中在彎頭外壁面和出口直管段外壁面。彎曲半徑的增大會(huì)導(dǎo)致最大沖蝕速率一定程度的增大。在使用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際選用最佳彎曲半徑的彎管。

2）管徑是影響彎管沖蝕的重要因素。在相同計(jì)算條件下，隨著管徑的增大，最大沖蝕速率和沖蝕速率分布均會(huì)減小。因此，在滿足實(shí)際應(yīng)用的條件下，建議采用大直徑彎管。

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Erosion Numerical Simulation of Liquid-Solid Two-phase Flow in Different Elbows

RAN Yanan
(School of Mechanical Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China)

Elbow was one of the commonly used components in petrochemical industry. It would cause inevitable erosion damage during service. The particle trajectories were tracked by the Euler-Lagrange method and the erosion features were calculated in different elbow radius and pipe diameter. The results demonstrated that more erosion region showed in smaller bend radius, while severe erosion region caused in elbow outside and pipe outside exit zone. The increase of elbow radius led to the increase of the maximum erosion rate, while the increase of pipe diameter led to the decrease of the maximum erosion rate.

erosion; elbow; elbow radius; pipe diameter

TE 969

A

1671-9905(2017)02-0055-04

冉亞楠(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槎嘞嗔鳝h(huán)境下的材料沖蝕損傷及防護(hù)技 術(shù)。Email:ynran913@163.com

2016-12-12