弯管处液固两相流体流场数值模拟研究

周三平，艾 轮

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

弯管处液固两相流体流场数值模拟研究

周三平，艾 轮

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

摘 要：运用Fluent中的DPM模型对含有少量颗粒的流体进入弯管处引起的冲蚀进行了数值模拟，分析流体流速和沙比对弯管处冲蚀的影响。结果表明，弯管处外侧是冲蚀速率最大的的地方，且最大冲蚀速率随进口流体速率和沙比的增大而增大。进口直管段和出口直管段冲蚀较小且较为均匀，出口段略大于进口段，流速和沙比对这两段的影响很小。

关键词：弯管；冲蚀；数值模拟；两相流

冲蚀磨损是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨损现象，在过程工业中广泛存在，是设备和管道破坏的重要原因之一［1］。弯管由于其结构的特殊性，更是冲蚀破坏的重灾区［2］，越来越受到国内外学者的广泛关注。对弯管冲蚀的研究也是方兴未艾，概括起来基本集中在两个方向，一是通过理论解析和试验研究的方法对弯管弯曲的机理进行研究［3-10］，另一个是通过数值模拟的方法对弯管质量缺陷进行研究并改进工艺［11-13］。

本文利用计算流体力学数值的模拟软件Fluent，研究了120°弯管在不同流速和不同沙比（流体中颗粒的百分数）时对冲蚀的影响。

1 几何模型及网格划分

模型中采用的弯管直径为20mm，弯管角度为120°，曲率半径30mm。为了克服入口端面效应的影响，进口段直管长度取为管径的5倍即100 mm，考虑到弯管后颗粒的流动情况比较复杂，取管径的10倍即200mm。弯管模型网格划分采用的是扫掠的方法，节点数185717，单元数176100，生成结构性网格如图1所示。

2 数值模拟采用的方法以及数学模型

2.1 流体流动模型

弯管内流体流动不可避免地要遵循流体流动的连续性方程和动量守恒方程，分别如式（1）、（2）所示。

图1 弯管网格图

其中，r为流体密度，p是静压，τij是应力张量，gi和Fi分别为i方向上的重力体积力和外部体积力（这里是颗粒相互作用产生的升力）。在此，不考虑重力和外部体积力的影响。

2.2 多相流模型

在此，假设流体中沙石的体积分率为10%，由于体积分率较低，考虑颗粒-颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响等较弱，因此可以采用离散项模型（DPM）。该模型主要考虑流体曳力、升力、湍流脉动等作用对颗粒轨迹的影响，能够较为清楚地追踪到颗粒的运动细节，而对颗粒与颗粒之间的相互作用以及颗粒连续相的作用则没有考虑。

2.3 冲蚀模型

在所有的壁面均可以监视颗粒的冲蚀与沉积情况。冲蚀速率可以用式（3）计算。

2.4 边界条件

连续相为水，水的密度为1000kg·m-3。入口边界采用速度入口，入口速度为1m·s-1，出口采用outflow，壁面施加无滑移固壁的边壁条件。离散相为石英沙，简化为球状颗粒，颗粒密度为2800kg·m-3，采用面射流源的方法，射入速度同水。壁面采用弹射性壁面条件，入口和出口采用逃逸边界条件。控制方程组采用Quick差分格式，压力速度耦合选择SIMPLE算法。数值模拟时，在运用二阶k-ε湍流模型收敛以后，创建离散相喷射源，再运用随即轨道模型进行耦合流动求解。

3 模拟结果分析

3.1 速度对弯管冲蚀的影响

为了考察速度对弯管冲蚀的影响，采用计算流体力学软件Fluent，固定沙比10%，分别模拟了入口速度等于0.5m·s-1、1m·s-1、1.5m·s-1、2m·s-1、2.5m·s-1、3m·s-1等6种不同流速下的弯管冲蚀情况。限于篇幅，在此示出了速度等于0.5m·s-1、1m·s-1、1.5m·s-1的3幅冲蚀图（图2）。由图2可见，由于惯性作用，沙石颗粒冲击弯管处外侧，使得该处冲蚀严重，而且随流体速度的增大，冲蚀速率增大。将弯管处的最大冲蚀速率随速度的变化描成曲线如图3所示。由图3可见，随流体入口速度的增大，弯管处外侧的最大冲蚀速率增大。入口速度对入口直管段和出口直管段的冲蚀速率大小影响不明显。

图2 不同流速下流体中的颗粒对弯管的冲蚀速率云图

图3 不同速度时的弯管最大冲蚀速率

3.2 沙比对弯管冲蚀的影响

采用同样的方法，固定流体入口速度1m·s-1，分别模拟了沙比等于1%、2%、4%、5%、6%、8%、10%、12%、15%时弯管的冲蚀。限于篇幅，在此只示出了沙比分别等于5%、10%、15%时的冲蚀速率云图，如图4所示。由图4可见，由于惯性作用，沙石颗粒冲击弯管处外侧，使得该处冲蚀严重，而且随沙比的增大，冲蚀速率增大。将弯管处的最大冲蚀速率随沙比的变化描成曲线，如图5所示。由图5可见，随沙比的增大，弯管处外侧的最大冲蚀速率增大。不同的沙比对入口直管段和出口直管段的冲蚀速率大小几乎不影响。

图4 不同沙比对弯管的冲蚀速率云图

图5 不同沙比时的弯管最大冲蚀速率

分析还可以发现，不同的速度和沙比，入口直管段的冲蚀速率都比较小且均匀。出口直管段冲蚀速率比入口直管段大一些，离开弯管处一段距离以后，冲蚀也变得比较均匀，但是冲蚀速率要比入口直管段要大。

4 结论

1）在不同的速度和不同的沙比下，入口直管段和出口直管段的冲蚀都比较均匀，且出口直管段的冲蚀速率大于入口直管段的冲蚀速率。弯管处外侧冲蚀最严重，是冲蚀速率最大的区域。

2）流体入口速度大小对入口直管段和出口直管段冲蚀速率的影响很小，对弯管处外侧的冲蚀速率影响很大，且流体入口速度越大，弯管处外侧冲蚀速率越大。

3）沙比对入口直管段和出口直管段冲蚀速率的影响很小，几乎可以忽略，对弯管处外侧的冲蚀速率影响很大，且沙比越大，弯管处外侧冲蚀速率越大。

参考文献：

［1]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，2008，37（3）：48-54.

［2]阎超，宋淑娟，等.计算流体力学方法及应用［M］.北京：航空航天大学出版社，2006：15-33.

［3]张德良，赵向东，等.计算流体力学教程［M］.北京：高等教育出版社，2010：180-238.

［4]黄卫星，李建明，肖泽仪，等.工程流体力学［M］.北京：化学工业出版社，2008：187-209.

［5]E.John Fennimore，Joseph B. Frangipani.流体力学及其工程应用［M］.钱翼稷，译.北京：机械工业出版社，2005：10-88.

［6]江春波，张永良，丁则平，等.计算流体力学［M］.北京：中国电力出版社，2007：100-120.

［7]姚军，陈丽华，樊建人，等.一种气固两相流中弯管抗磨方法的数值试验研究［J］.中国电机工程学报，2002，22（5）：134-138.

［8]林建忠，吴法理，余钊圣.一种减轻固粒对壁面冲蚀磨损的新方法［J］.摩擦学学报，2003，23（3）：231-235.

［9]Allence Balla. A review of the performance of engineering materials under prevalent tribological and wear situations in South Africa industries［J］. Tribo Inter, 1996（29）： 1052116.

［10]陈冠国，褚秀萍，张宏亮，等.关于冲蚀磨损问题［J］.河北理工学院学报，1997，19 （4）：27-31.

［11]柳成文，毛靖儒，俞茂铮，等. 90°弯管内稀疏气固两相流及固粒对壁面磨损量的数值研究［J］. 西安交通大学学报，1999，33（9）：53-57.

［12]冯进，张慢来，冯仲，等.带粒液流中圆形弯管的冲蚀模型研究［J］.长江大学学报，2008（3）：74-80.

［13]黄勇，蒋晓东，施哲雄，等.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）：33-36.

中图分类号：TQ 018

文献标识码：A

文章编号：1671-9905（2016）01-0039-03

作者简介：周三平，西安石油大学教授，研究方向：化工过程机械

收稿日期：2015-11-29

Numberical Simulation of Liquid-solid Two-phase Fluid of Tube Bending

ZHOU San-ping， AI Lun
（Xi'an Shiyou University， Xi'an 710065， China）

Abstract：The erosion of tube bending in the line was very serious. DPM software was applied to simulate the erosion which caused by flows with a small amount of particles into tube bending. The influence of velocity and aggregate on the erosion of tube were discussed. The results showed that the erosion velocity at the tube bending region was the highest， and the maximum rate of erosion increased with velocity and aggregate. The erosion of access regions and outlet regions were smaller and more uniform， access regions were slightly serious than outlet regions， and velocity and aggregate had little effect on these two regions.

Key words：tube bending； erosion； simulate