两种弯头的数值模拟及磨损预测*

刘培坤 胡兆文 杨兴华 张悦刊

(山东科技大学机械电子工程学院)

两种弯头的数值模拟及磨损预测*

刘培坤 胡兆文 杨兴华 张悦刊

(山东科技大学机械电子工程学院)

利用多相流Mixture模型和磨损模型对90°球形弯头和弧形弯头进行数值模拟，得到了2种弯头内部的速度分布、固相颗粒分布和磨损量分布。模拟结果表明：球形弯头的最大磨损发生在靠近球体的直管部分，最大磨损量为102×10-14kg；弧形弯头内部的高速固相流主要分布在外侧，最大磨损量达253×10-14kg；对比可知，球形弯头的使用寿命比弧形弯头使用寿命高2～3倍。

弯头 多相流 相对磨损量 数值模拟

矿山输送煤泥水的管道系统多是固液两相流的输送，其中固体颗粒对管路弯头部位磨损严重，弯头外侧常被磨穿，常用的提高弯头寿命的方法有弯头材料的升级和优化弯头的结构[1]。研究结果表明，管壁附近固相颗粒的冲击速度是造成弯头磨损的主要因素[2]。所以据此理论提出一种球形弯头结构来降低弯头内部固相颗粒的速度，并分别对球形和普通弧形弯头进行数值模拟，得出各自的磨损特性，对弯头部位磨损的研究提出一种方法。

1 模型建立和网格划分

1.1 物理模型和网格划分

球形弯头的直管部分采用的是内径为207 mm的无缝钢管，球形弯头的模型和网格划分见图1。网格单元采用六面体网格，进、出口平面进行O型网格剖分，以增大平面网格边界密度，保证较高的网格质量，得到网格单元的数目为140 586。弧形弯管网格的划分采用块拉伸的方法，平面边界和网格类型的处理方法类似于球形弯头，网格单元总数为 288 968，弧形弯头的模型和网格划分见图2。

图1 球形弯头模型和网格划分

图2 弧形弯管模型和网格划分

1.2 数学模型

1.2.1 控制方程

采用固液两相流的混合模型，控制方程。

(1)连续性方程为

(1)

(2)动量守恒方程为

(2)

1.2.2 湍流模型

湍流模型采用标准的k～ε双方程：

(3)

(4)

1.2.3 冲蚀磨损模型

固液两相流在管道中流动时，固相颗粒对管壁的冲击磨损最大。由于固相颗粒对管壁的冲击和磨损主要受颗粒速度的影响，因此本文主要模拟固相颗粒在弯头内部的分布规律以及颗粒的速度场，结合冲蚀磨损模型[4]来分析管道弯头的磨损特性。

冲蚀磨损模型方程为

E=MpKF(α)VnP，

(5)

式中，E为磨损量，kg；K为颗粒性质有关的常数；VP为颗粒相对于壁面的速度，m/s；F(α)为冲击角函数；α为颗粒对壁面的冲击角度；n为速度指数；Mp为固体颗粒的质量，kg；假设石英砂颗粒是等直径的球体结构，取K=1.8×10-9、n=2.4、F(a)=1。

1.3 边界条件和初始条件

设置进口边界条件为velocity-inlet，出口设置为outflow，设定竖直方向(Y轴)的重力加速度为 -9.81 m/s2，多相流模型为mixture模型，湍流模型采用标准的k～ε湍流模型，压力—速度耦合为SIMPLE算法。压力、动量、湍动能、湍流扩散率的离散格式均采用一阶迎风格式。

计算模拟中采用水和石英砂的两相混合流模型，把石英砂看做流体，需要设置水和石英砂的密度、黏度以及两相的体积比，水和石英砂的物性参数见表1。

表1 水和石英砂的物性参数

数值模拟中石英砂的颗粒直径一般选作 -1 mm，本次计算中设为1 mm，根据现场工况石英砂入口初始速度设为5 m/s。

2 模拟结果

2.1 颗粒分布

普通管道弯头的使用过程中，固相颗粒的分布对管道的磨损影响较大，其中高速的固相颗粒分布的位置磨损严重，颗粒沉积的位置磨损小，2种弯头的固相分布见图3。

图3 固相颗粒分布

由图3可见，其图中左端梯形彩图表示固相颗粒的体积比分布(%)；在图3(a)图中可见，球形弯头进口直管段部分的颗粒分布较为均匀，随着混合液的流动，固相流逐渐向直管下侧沉积，沉积处的颗粒体积比为0.314%～0.325%；进入球体后由于受重力和球壁附近回流的影响，固相颗粒开始出现明显的沉积现象，特别是在球体下侧靠近直管部位(如图中A所示)，在区域A内，固相颗粒的体积比为0.590%～0.621%，而球壁其他区域的固相颗粒体积比为0.222%～0.498%，因此可以判断固相颗粒主要聚集在球壁附近；由图3(d)可见，在弧形弯头内，沿着混合液的流动方向，在进口直管下侧、弧形弯管和出口直管的外侧均出现颗粒沉积现象，且上述区域颗粒的体积比在0.8%以上，而弧形弯管内侧区域的固相颗粒很少，固相流体积比低于0.05%，这是由于固液两相的密度不同，固相颗粒在弧形区域受到离心力大，从而会向弯管外侧分离。

2.2 速度分布

由冲蚀磨损模型可知固相颗粒的速度与管道弯头的磨损量呈指数关系，速度的分布和大小对弯头的磨损影响较大，2种弯头的速度分布见图4。

图4 固相颗粒速度分布

由图4(a)可见，当设置物料进口速度为 5.00 m/s时，在进口直管段，固相颗粒的速度没有变化，但进入球体后球心区域的速度上升至5.21～5.52 m/s，从而形成球心高速区域；在球壁附近，固相颗粒的速度降至0.31～2.45 m/s；在出口直管段，高速区明显集中在直管的中心区域，且速度沿流向呈阶梯状下降，该区域的速度为4.90～ 6.13 m/s；而管壁附近的速度降至3.98～4.90 m/s；结合图3(a)可知在球壁附近主要分布着固相颗粒，该处的固相颗粒运动速度较慢，因此对球壁处磨损不大；图4(b)可见，在相同的进口速度条件下，进口直管段，固相颗粒的速度沿流向呈阶梯状升高；在弧形区域处，颗粒速度为6.22～7.55 m/s，且管壁附近平均速度可达6.5 m/s；在出口直管的外侧，颗粒的速度为6.22～8.88 m/s，其中，出口直管和弯管交界外侧处，颗粒的流速达到8 m/s以上；由图3(b)可知固相颗粒也集中分布在该区域内，速度高的颗粒会加重对管壁的冲击磨损，因此在弧形弯管的外侧磨损最严重。

2.3 磨损量分布

为了更直观地对比2种弯头的磨损量，将2种弯头分成进口直管、弯管和出口直管3部分，分别定义各部分对比点的位置，见图5、图6。

图5 球形弯头各部分取点位置

结合固相颗粒速度云图和点的位置，分别计算2种弯头在进口直管、弯管、球体、出口直管的磨损量，计算结果见图7～图9。

图6 弧形弯头各部分取点位置

图7 进口直管磨损量

由图4可知2种弯头在进口直管处对应左端速度分布图均在4.8～5 m/s，从图7可以看出在弯头进口处磨损量均在100×10-14kg左右，其中6点位置球形和弧形弯头的磨损量相同，可以得出2种弯头在进口直管的磨损量差异不大，均在100×10-14kg左右，弧形弯头略高于球形弯头；主要原因在于速度相同时弧形弯头的进口直管下侧颗粒分布较多，增大了颗粒对管壁的冲击。

图8 弯管磨损量

图9 出口直管磨损量

由图8可见，在变向弯管区域，弧形弯管的最大磨损量为200×10-14kg，球体的最大磨损量为50×10-14kg，弧形弯管的最大磨损量是球体的4倍，通常弧形弯管与出口直管交界的外侧区域处会最先被磨穿；图3(d)梯形彩图可知弧形弯管在出口直管交界的外侧区域固相体积比在90%以上，由图4可知此处的固相速度在6.66m/s以上，因为高速的固相颗粒多分布于此区域；与之相比，球体最大磨损量出现在直管附近的球壁处。此外，远离直管的球壁处，磨损量较小且比较均匀，主要原因是由于球壁附近多是低速区，重力和回流现象的影响使固相颗粒多沉积于此,为球壁形成保护层。

由图9可见，在出口直管外侧，弧形弯头的磨损量为(150 ～250)×10-14kg，内侧的磨损量低于50×10-14kg，这是由于进入该区域的高速固相颗粒主要分布在直管外侧的管壁附近，而内侧颗粒分布较少且流速低，因而造成外侧管壁比内侧管壁的磨损严重；与弧形弯头相比，球形弯头出口直管的磨损比较均匀，磨损量为(50～100)×10-14kg；因此，弧形弯管的磨损量是球体的2.5～3倍。

3 实践应用

图10是球形弯头应用于某金矿的实例，该部位采用稀土合金弧形耐磨弯管寿命仅为3个月，球形弯头现已用10个月，且运行状况良好。球形弯头在实际应用中也证明了其使用寿命比弧形弯头长。

图10 球形弯头现场使用情况照片

4 结 语

球形弯头内部的固相颗粒主要分布在球壁附近的低速区域，此区域内速度为0.31～2.45 m/s；弧形弯头的固相颗粒主要分布在弧形弯管和出口直管交界处的外侧区域，亦是固相流的高速区域，此区域内速度为7.10～8.88 m/s，高速的固相流集中的区域，就是管壁冲击磨损最严重的区域。在本文的工况下，球形弯头的最大磨损量为102×10-14kg，磨损最严重区域出现在直管部分，但球壁处的磨损均低于50×10-14kg，弧形弯头的最大磨损量为253×10-14kg，出现在弯管和进口直管交界处的外侧区域；球形弯头的使用寿命是弧形弯头的2.5～3倍，其中，球体部分是弧形弯管的5倍以上。

[1] 王小强，郭顺生.基于Fluent的弯头结构改进[J].石油化工设备技术，2009(2):39-40.

[2] 马 颖，任 峻，李元东，等.冲蚀磨损研究的进展[J].兰州理工大学学报，2005(1):21-25.

[3] 陶文铨.数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

[4] 张少峰，曹会敏，刘 燕，等.弯管中液固两相流及壁面碰撞磨损的数值模拟[J].河北工业大学学报，2008(3):48-54.

Numerical Simulation and Erosion Prediction of the Two Kinds of Elbow

Liu Peikun Hu Zhaowen Yang Xinghua Zhang Yuekan

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shandong University of Science and Technology)

Numerical simulation was conducted by using multiphase flow Mixture Model and the Erosion Model for 90° spherical elbow and camber elbow, and distribution of velocity, solid phase distribution, and erosion extent in the two elbow are obtained. The results indicated that maximum erosion of spherical elbow occurs near the sphere of straight pipe section, the maximum erosion is 102×10-14kg. High speed solid flow inside the camber elbow mainly distributed in the lateral, the maximum erosion is 253×10-14kg. Service life of the spherical elbow is 2～3 times higher than that of camber elbow by comparison.

Elbow， Multphase flow， Relative erosion extent， Numerical simulation

*青岛经济技术开发区重点科技发展计划项目(编号：2013-1-60)。

2015-01-08)

刘培坤(1971—)，男，教授，266590 山东省青岛市经济技术开发区前湾港路579号。