大回转角弯管气固两相冲蚀模拟

摘 要：管线系统是运输行业的重要组成部分，失效形式多种多样，成因较多，尤其是内部介质流动造成的冲蚀磨损占有很大比例，而管道的拐角弯头处又是常见的失效部位，在众多的拐角结构中大回转角冲蚀更为复杂，若为多相流作用，则大回转角弯头冲蚀失效尤为突出，文章目的就是模拟这种复杂情况下大回转角弯头的冲蚀机理与规律。

关键词：大回转角；弯管；气固两相；冲蚀失效

引言

管道冲蚀广泛发生在离心风机管道、海洋石油运输，天然气管道的内壁面上，冲蚀损耗是造成管道破坏的重要形式[1，2]，冲蚀损耗用管道内表面材料损耗来表征，查阅相关材料，锅炉事故中，有相当一部分发生在管道上，而管道失效则有三分之一为冲蚀磨损；各种泵体部件如叶片、管道的损毁约一半为冲蚀失效；弯头磨损较之直管线路要高出五十余倍[3]。可见对管道冲蚀的研究有可观的经济意义，各领域学者对于气固两相、液固两相流的冲蚀研究已有近十年以上的实验经验，内容涵盖了能源、化工、机械、水利水电、土木工程等各领域的管路、线路，但是对象多为线路的冲蚀机理，或常见的直角弯头，但是实际生产中弯头形式多种多样如管线绕过障碍物时的大回转角较之其他弯头优先失效，造成经济损失，所以有必要针对特定形式的弯头重点研究，为管路结构优化和工艺改进提供数据支持。

1 气固两相流场控制方程及冲蚀模型

1.1 离散相模型（DPM模型）

多相场中对粒子间的相互作用一般不予考虑[4]，并由Lagrange方程求解粒子迹线。因粒子浓度小、空气流速高、两相间浓度差较为明显，忽略粒子所受作用力[5]。进而可以写出离散相粒子运动方程：

（1.1）

式中：f为连续相值，P为和离散相值；x为位置坐标；u为速度；t为时间；？籽为密度i为坐标轴分量；F为离散相粒子的拖曳力；D为离散相粒子直径；CD为拖曳系数，按公式1.2计算：

（1.2a）

（1.2b）

1.2 冲蚀计算模型

管材和冲蚀粒子不同，冲蚀模型结构不一，一般取决于冲蚀速度和冲蚀角[6，7]。文章应用美国塔尔萨大学E/CRC中心的冲蚀模型[8]：

（1.3a）

（1.3b）

（1.3c）

式中：ER为靶材的磨损率；C为靶材常数；HB为靶材布氏硬度；Fp为冲蚀粒子形状因数，n为流场的速度指数；Vp为离散相粒子冲蚀速率；f（？兹）为冲击角度函数，按公式（1.3c）；PR为靶材冲蚀率；■p为离散相粒子质量流率；？籽w为靶材密度；Ac为网格单元面积；？兹为离散相粒子冲击角弧度数；？兹0，a，b，w，x，y，z为由靶材确定的经验常数。

2 计算模型与恢复方程

2.1 计算模型

20摄氏度下，以空气为连续相，密度1.205kg/m3，以FLUENT提供的wood作为离散相颗粒，密度1500 kg/m3；管材为普通碳钢。大转角弯头如图1所示，具体尺寸已标出，求解域采用结构化网格，网格形式如图1右侧所示。

2.2 壁面碰撞恢复方程

在冲蚀发生的过程中必然存在能量的转换，一般用速度分量的变化来描述，并将碰撞前后速度分量的比值定义为恢复系数，该比值主要取决于靶材与颗粒的物理属性，常见形式有stochastic恢复系数方程以及Forder[1-3]恢复系数方程[7]，文章应用的是前者，其后者形式如公式（1.4）：

（1.4）

式中：T和N分别代表切向和法向方向。

3 计算结果与分析

3.1 流场分析

流场基本方程的求解是其他仿真结果的先决条件，弯头冲蚀一般都依赖于流场的分布情况。图2及图3分别给出了速度分布情况以及离散相粒子轨迹情况，根据这两个结果大致可以知道，大回转角弯头冲蚀较为严重的区域可能有三处图2的A、B及图3的C，这三处明显的特征是速度分布较为集中或者粒子浓度较为密集，进而可知弯头几何机构的变化影响了速度分布与粒子浓度，间接影响冲蚀率。

图2 速度分布云图 图3 流场迹线图

3.2 冲蚀率分析

图4给出的是冲蚀率云图，是文章最想获得的仿真结果，可从该云图上清晰地看到危险区域与大小，可以看到，管路弯头较大时，内壁面磨损较为严重的区域为流体进入弯头1/2出靠前的位置，以及该位置对应的外测内壁面，次之区域为出流管道外侧的内壁面，设计管线大弯头使用寿命时应以这些位置作为参考，图4是在流速1m/s、粒径0.001的结果。

4 结束语

（1）文章通过美国塔尔萨大学冲蚀研究中心提供的冲蚀模型对大回转角弯管进行冲蚀模拟，确定大回转角弯头危险区域与位置，为设计人员对该机构的寿命设计提供了参考。（2）进一步探究了流体速度、离散相粒子粒径对大弯头管线的综合影响，使用时应尽量避免有危害直径的粒子射入并根据实际情况控制流速，延长使用寿命。

参考文献

[1]董刚，张九渊.固体粒子冲蚀磨损研究进展[J].材料科学与工程学报，2003，21 （2）：307-312.

[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，2005，31（1）：21-15.

[3]黄勇，蒋晓东，施哲雄.弯头的冲蚀问题及其预测和预防[J].炼油技术与工程，2005，35（2）：31-36.

[4]Suzuki M，Inaba K，Yamamoto M.Numericalsim ulation of sand erosion in asquare-section 90-degree bend. Journal of Fluids Science and Technology.2008，3（7）：868-880.

[5]H.M.Badr，M.A.Habib，R.Ben-Mansour.Numerical investigation of erosion threshold velocity in a pipe with sudden expansion. Computers and Fluids.2005.

[6]沈天耀，林建忠.叶轮机械的气固两相流基础[M].机械工业出版社，1994.

[7]Grant G，Tabakoff W.Erosion Prediction in Turbomachinery Resulting from Environmental Solid Particles. Journal of Aircraft . 1975，12：471-479.

[8]丁矿，朱宏武，张建华，等.罗漩直角弯管内液固两相流固体颗粒冲蚀磨损分析[J].油气储运，2013，3（3）：241-246.

作者简介：黄金磊（1989-），男，内蒙古赤峰人，内蒙古工业大学，硕士研究生，研究方向：可再生能源与风力发电。