三通管內(nèi)沖蝕磨損的數(shù)值計算與試驗研究

許留云，胡瀧藝，李 翔

（1.延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點實驗室，陜西 延安 716000；2.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；3.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京100029）

三通管內(nèi)沖蝕磨損的數(shù)值計算與試驗研究

許留云1，胡瀧藝2，李 翔3

（1.延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點實驗室，陜西 延安 716000；2.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；3.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京100029）

以三通管為研究對象，采用試驗和數(shù)值計算相結(jié)合的方法，確定了數(shù)值計算模型。湍流模型選擇RNG k-ε模型，多相流模型選擇DPM模型，并分析了三通管內(nèi)的流場和沖蝕磨損嚴(yán)重部位。結(jié)果表明，三通管中沖蝕磨損最嚴(yán)重的位置在入口直管和出口支管相貫處。

三通管；沖蝕磨損；數(shù)值計算；試驗

石油和天然氣均是我國最常用的能源，都是通過管道進行輸送，因此管道的運行是否可靠將直接影響企業(yè)和居民的安全。近些年，管道泄漏造成的安全事故頻繁發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計，2014年由于管道沖蝕造成的損失約為13515.2億。因此，管道沖蝕機理的研究，對管道的防護、檢測和安全使用意義重大。

對于管道沖蝕的研究，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的工作，林楠、藍(lán)惠清等[1]依據(jù)相似原理的知識搭建沖蝕實驗平臺，并研究了管道中顆粒的軌跡對管道沖蝕磨損的影響，將試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn)，流體對彎管的沖蝕磨損與流體中顆粒的入射角度有很大的關(guān)系。曹學(xué)文、胥錕等[2]研究分析了流體參數(shù)、砂粒參數(shù)、環(huán)境參數(shù)對液固兩相流彎管沖蝕失效的影響，研究表明，流速與沖刷腐蝕呈正相關(guān)關(guān)系，隨著砂粒直徑的增加，最大沖刷腐蝕速率先減小后增加，在一定范圍內(nèi)，最大沖刷腐蝕速率隨著砂粒流量增加而增加。

三通管是用于改變流體運動方向和流體分流的重要部件，本文利用PIV流場測試技術(shù)對三通管內(nèi)的速度場進行測量，并與FLUENT中數(shù)值計算得到的速度場進行對比，初步確定數(shù)值計算模型，并在此基礎(chǔ)上增加DPM模型（離散相模型），研究三通管內(nèi)的沖蝕磨損情況。

1 沖蝕試驗平臺

沖蝕試驗平臺是基于管道運行工況而搭建的，同時應(yīng)用了PIV流場測試技術(shù)。試驗時，將有機玻璃制的三通管試件放置到試驗段，將調(diào)配好的示蹤粒子在管道內(nèi)循環(huán)流動以產(chǎn)生所需的流速，激光束經(jīng)調(diào)制擴束后以片光源方式顯示出試驗段的流動圖像，該圖像被照相機記錄后存入計算機進行后處理。

2 三通管內(nèi)的流場分析

本研究利用ANSYS軟件對三通管內(nèi)的流場進行數(shù)值計算，并將數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，得到正確的數(shù)值計算模型。

2.1 數(shù)值計算的理論模型

三通管內(nèi)流體的流動屬于典型的湍流流動，數(shù)值計算時湍流模型選擇RNG k-ε模型，即通過求解湍動能（k）方程和耗散率（ε）方程，得到k和ε的解后求解計算湍流黏度，最終通過Boussinesq假設(shè)得到雷諾應(yīng)力的解[3-4]。由于管道中的第二相粒子體積含量小于10%，可以忽略各粒子間的相互影響，故選擇離散相模型（DPM模型），求解時選擇SIMPLE求解器。

管道內(nèi)流體的流動屬于典型的兩相流，其連續(xù)方程如下：

對90°彎管進行數(shù)值計算時，所采用的離散型模型中的沖蝕速率公式如下：

式中，C(dp) 為顆粒直徑函數(shù)，常數(shù) 1.8×10-9；α為顆粒對壁面的沖擊角，rad；f(α)為沖擊角的函數(shù)；v為顆粒相對壁面的速度，m·s-1；b(v)為相對速度的函數(shù)，常數(shù)2.6[5]。

2.2 數(shù)值計算與試驗結(jié)果對比

對三通管內(nèi)流場進行試驗測試時，管道內(nèi)流體的流動情況如圖1(a)所示，測試取點情況如圖1(b)所示，共有3處即出口1、出口2-A和出口2-B。通過PIV流場測試系統(tǒng)分析其中的速度場分布情況。對三通管內(nèi)的流場進行數(shù)值計算時，流體流動方向及其取點分析情況均與試驗保持一致。

圖1 三通管模型圖及試驗圖Fig.1 Model of tee pipe and experimental figure

圖2是三通管出口1的PIV測試圖，圖3是三通管出口1的數(shù)值計算得到的速度云圖。由兩圖對比可以看出，在此流體的速度變化較大，當(dāng)流過三通支管時，右側(cè)流體在相同時間內(nèi)，通過的路程大于左側(cè)流體，同時由于流動時的慣性，流體在管道右側(cè)速度數(shù)值較大，而在左側(cè)的速度值較小。

圖2 出口1的PIV 測速圖Fig.2 PIV speed diagram of outlet 1 about the tee

圖3 出口1的數(shù)值計算速度場Fig.3 Numerical simulation velocity of outlet1 about the tee

圖4是三通管出口2-A處的PIV測試圖，圖5是相應(yīng)的數(shù)值計算得到的速度云圖。對比兩圖發(fā)現(xiàn)，試驗測試和數(shù)值計算得到的管道此處的速度場基本保持一致，在管道的底部速度較小，而在管道的中心部位速度值最大，符合流體力學(xué)規(guī)律。

圖4 出口2-A的PIV測速圖Fig.4 PIV speed diagram of outlet 2-A

圖5 出口2-A的數(shù)值計算速度場Fig.5 Numerical simulation velocity of outlet 2-A

圖6是三通管出口2-B處的PIV測試結(jié)果，圖7是數(shù)值計算的速度模云圖。從圖中可以看出，流體流過三通中心后，在直管方向離三通中心越遠(yuǎn)，流體的速度場有逐漸恢復(fù)平穩(wěn)的趨勢，且試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果吻合較好。

圖6 出口2-B的PIV測速圖Fig.6 PIV speed diagram of outlet 2-B

圖7 出口2-B的數(shù)值計算速度場Fig.7 Numerical simulation velocity of outlet 2-B

通過試驗研究和數(shù)值計算對比可知，數(shù)值計算時應(yīng)用的理論模型能夠很好地模擬管道內(nèi)流體的流動情況。

3 三通管內(nèi)沖蝕磨損的結(jié)果分析

管道內(nèi)流體對其內(nèi)壁的沖蝕磨損情況是長時間積累的過程，在實驗室情況下難以測得管道內(nèi)沖蝕磨損嚴(yán)重的部位，難以計算流體對管道的沖蝕磨損速率。基于此種情況，本節(jié)在數(shù)值計算的基礎(chǔ)上增加離散相模型（DPM 模型），求解流體對三通管的沖蝕磨損速率，其中流體的速度為5m·s-1，出口條件為自由出口（outflow），管道內(nèi)的離散相為砂粒，體積含量為2%。圖8所示為三通管沖蝕速率云圖。

從圖8和圖9可以看出，在入口直管與出口支管相貫處流體對三通管的沖蝕磨損速率達(dá)到最大值，其最大值為5.60e-8kg·m-2·s-1，且在相貫處，流體的流動方向和流動速度開始發(fā)生變化，導(dǎo)致此處背壓較大，且流動方向的改變會對此處管道造成直接撞擊沖刷，造成沖蝕磨損量比較大。在出口支管段，距離三通中心約3D～6D處，流體對管道也有一定程度的沖蝕磨損作用，但相對較小，是流體流動方向改變時，因流動性不太穩(wěn)定且發(fā)生渦旋后撞擊此處而導(dǎo)致的。因此在兩個自由出口的三通管中，入口直管和出口支管相貫處，流體對三通管的沖蝕磨損作用最嚴(yán)重，此處最容易由于流體的沖蝕磨損導(dǎo)致管道失效。

圖8 三通管沖蝕速率云圖Fig.8 Contours of DPM erosion rate about the tee

圖9 三通管沖蝕速率局部放大圖Fig.9 Contours of DPM erosion rate about the tee’s partially enlarged view

4 結(jié)論

本文采用試驗研究和數(shù)值計算相結(jié)合的方法，對三通管內(nèi)的流場及沖蝕磨損情況進行研究，得到以下結(jié)論：

1）試驗研究和數(shù)值計算得到的三通管內(nèi)的速度場吻合良好；

2）對三通管進行沖蝕磨損數(shù)值計算時，湍流模型確定為RNG k-ε模型，多相流模型為DPM模型，求解時選擇SIMPLE求解器。

3）三通管中沖蝕磨損最嚴(yán)重的位置在入口直管和出口支管相貫處，此處是三通管最容易發(fā)生沖蝕失效的部位。

[1] 林楠，蘭惠清，趙超.沖蝕角度和彎頭幾何尺寸對沖蝕磨損的影響研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13(18)：5135-5140.

[2] 曹學(xué)文，胥錕，彭文山.彎管液固兩相流沖蝕失效模擬分析[J].表面技術(shù)，2016(8)：124-131.

[3] 鄭力銘.ANSYS Fluent 15.0流體計算從入門到精通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[4] 朱紅鈞，林云華，謝龍漢. FLUENT流體分析工程案例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[5] 許留云，李翔，李偉峰，等. 三通管中氣液沖蝕磨損的數(shù)值模擬研究[J].當(dāng)代化工，2014，43(8)：1577-1579.

Numerical Calculation and Experimental Study of Erosion Wear in Three-way Pipe

XU Liuyun1, HU Longyi2, LI Xiang3
(1.Department of Chemistry and Chemical Engineering, Chemical Reaction Engineering Key Laboratory of Shaanxi Province,Yan’an University, Yan’an 716000, China; 2.Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065, China; 3. China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

In this paper, by method of combining experiment and numerical calculation, the three-way pipe’ erosion wear was studied. The numerical calculation model was determined, as well the RNG k-ε model and DPM model were chosen. The fl ow fi eld and the serious erosion area in the pipeline was analyzed. The results showed that the most serious position of erosion in three-way pipe was at the intersection between the entrance straight pipe and outlet branch.

three way pipe; erosion wear; numerical calculation; experiment

TG 172.2

A

1671-9905(2017)10-0057-04

延安大學(xué)2016年度校級科研計劃項目(YDQ2016-33); 延安大學(xué)2016年校級大創(chuàng)項目(D2016005)

許留云（1990-），女，山東聊城人，助教，碩士，研究方向：壓力容器及管道安全工程。E-mail：xuliuyun11@163.com

李翔（1980-），男，高級工程師，博士，研究方向：承壓設(shè)備安全。E-mail：lixiang@csei.org.cn

2017-07-04