不同结构弯管液固两相流冲蚀数值模拟

冉亚楠

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

设备与自控

不同结构弯管液固两相流冲蚀数值模拟

冉亚楠

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

弯管作为石油化工中常用的部件之一，服役过程中会产生不可避免的冲蚀损伤。本文采用欧拉-拉格朗日数值模拟方法追踪固相砂粒在弯管中的运移轨迹，重点研究不同弯曲半径和弯管内径时冲蚀速率的规律。结果表明，弯曲半径较小的弯管会造成多部位的冲蚀损伤，而较大的弯曲半径时，冲蚀损伤部位集中在弯头外壁面和出口直管段外壁面。弯曲半径的增大会导致最大冲蚀速率增大，管径的增大会导致最大冲蚀速率减小。

冲蚀；弯管；弯曲半径；内径

冲蚀是指流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损，其实质是多相流动介质冲击材料表面造成的一类磨损损伤[1]。冲蚀是工业生产中材料常见的一种失效行为。据统计，冲蚀磨损占工业生产中磨损破坏总数的8%，是磨损造成材料失效的主要行为之一。弯管是石油天然气行业常用的管件之一。由于其结构的特殊性，在服役过程中不可避免地会发生一定程度的冲蚀损伤。在实际工程中，弯管的冲蚀损伤可能达到直管段的50倍[2]，因此，弯管的冲蚀问题受到国内外许多研究者的关注。黄勇等[3]指出影响弯管的因素主要有环境参数如颗粒的速度、浓度等，颗粒性质如颗粒大小、粒度等，材料性能如材料强度等。Zhang等[4]使用CFD方法预测了90°弯管在液固两相流冲击下的冲蚀规律，得出液体流速和颗粒直径对冲蚀速率的影响。Chen等[5]研究了粒径、浓度、流体黏度对标准弯头和T型管冲蚀规律的影响，发现颗粒粒径、浓度及流体黏度对冲蚀速率影响明显，并通过实验验证了数值模拟结果的正确性。

本文在前人研究的基础上，采用欧拉-拉格朗日方法模拟90°弯管内的液固两相流场，并计算内壁面的冲蚀速率。重点分析影响弯管结构的两个主要参数即弯头弯曲半径和弯管内径不同时，弯管冲蚀规律的变化。

1 计算模型描述

流体相的动力学控制方程通过流体平均两相流动的动量守恒方程描述，其考虑了流体体积分数与颗粒相间阻力的影响。连续性方程和动量守恒方程分别表示如下[6]：

式中，ρ为液体密度，kg·m-3；u为液体速度，m·s-1；g为重力加速度，m·s-2；p为压力，Pa；τ为液体应力张量；α为液体体积分数，Fd为颗粒所受到的液体平均阻力。流体相的湍流采用标准k-ε模型描述。

颗粒相应用离散相模型在拉格朗日坐标系下进行计算。颗粒运动方程可表示为[7]：

式中，u和up分别是流体和颗粒的速度，m·s-1；ρp是颗粒的密度，kg·m-3；Fd是流体对颗粒的曳力，N；Fm为考虑浮力存在的质量力，N；μ是液体的黏度，Pa·s；dm为颗粒的直径，m；Cd和Re分别是曳力系数和相对雷诺数。颗粒相的湍流采用随机游走模型(DRW)描述。

冲蚀速率一般与颗粒撞击速度、撞击角度和颗粒几何参数有关，冲蚀速率公式由下式确定[8]：

其中q为计算过程中颗粒的质量流率，kg·s-1；C(dp)为颗粒直径的函数；α为颗粒对壁面的冲击角，rad；f(θ)为关于冲击角的修正函数；V是颗粒的速度，m·s-1；b(Vp)是颗粒速度的函数；n为颗粒数目；A为壁面计算单元的面积，m2。

2 几何模型建立及边界条件设置

以90°弯管为研究对象，几何模型结构如图1所示。入口和出口均取300mm。分别取弯曲半径R为50mm、150mm和250mm；弯管内径D分别为50mm、100mm、150mm。采用六面体结构化网格划分弯管流域，以弯管内径D为50mm，R为150mm的模型为例，划分的网格总数为350000，节点总数为386316。入口处采用速度入口、出口处采用出流，壁面取固壁边界条件。液相为水，速度为25.5m·s-1，固相为砂粒，直径为0.0003m，颗粒浓度为25kg·m-3，密度为2650 kg·m-3。

图1 弯管结构示意图Fig.1 Schematic diagram of bend pipe

3 结果与讨论

3.1 弯曲半径对弯管冲蚀的影响

弯曲半径是弯管结构的重要参数之一。固定管道内径D为50mm，研究管径比分别为1、3、5时弯管冲蚀速率的差异。图2是弯曲半径分别是50mm、150mm和250mm时弯管冲蚀速率云图。3种弯曲半径时，冲蚀损伤均集中在弯管的弯头部分。其中最大冲蚀速率发生在弯头下游与直管相连部分，这与文献[9]的研究相符。相比之下，弯曲半径扩大使得冲蚀速率损伤区域也随之扩大。

为定量分析弯管各部位冲蚀速率的大小，将弯管分成六部分壁面进行编号（图3）。由图4可以看出，弯头内壁（inside-2）、弯头外壁（outside-2）和出口直管内壁（inside-3）冲蚀速率最大。在弯曲半径为150mm时（图6），弯头外壁面（outside-2）的冲蚀速率最大，其次是出口段的外壁面（outside-3）。弯曲半径为250mm时情况与150mm时相同，在此不再赘述。由图7可以看出，颗粒在入口的直管段分布均匀。进入弯头部分后，颗粒首先以高速撞击弯头外壁面，弯曲半径较小时（图5a）颗粒速度与壁面的夹角较大，极易发生反弹，弯管外壁面反弹后的颗粒一部分冲击弯管内壁面，一部分冲击出口直管段的内壁面，导致这三段的冲蚀速率最大。因此，弯曲半径较小时，弯管冲蚀由颗粒的直冲和反弹后冲击同时造成。在弯曲半径较大时（图5b），由于颗粒惯性的原因，颗粒大部分贴着弯头外壁面流至出口直管段。由于弯头曲率较大，颗粒与壁面之间的夹角很小，颗粒在该处几乎不会发生反弹。因此，弯曲半径较大时冲蚀主要由颗粒的直冲造成。

图2 不同弯曲半径弯管冲蚀速率云图Fig.2 Erosion rate of bend pipe with different bending radius

图3 弯管各壁面编号图Fig.3 Wall chart of bend pipe

3.2 管径对弯管冲蚀的影响

图4 弯曲半径50mm时各壁面最大冲蚀速率Fig.4 Maximum erosion rate of the walls when the bending radius was 50mm

图5 弯曲半径分别为50mm和150mm时颗粒轨迹Fig.5 Particle trajectory when the bending radius are 50mm and 150mm

图6 弯曲半径为150mm时各壁面最大冲蚀速率Fig.6 Maximum erosion rate of the walls when the bending radius is 150mm

弯管内径同样是弯管结构的重要参数。固定弯曲半径D为150mm，分别计算弯管直径R为50mm、100mm和200mm时的弯管冲蚀速率大小。图7为在相同入口流速和砂粒浓度条件下，弯管直径分别为50mm和200mm时的冲蚀速率云图。可以看出，弯管直径为50mm时冲蚀点明显多于直径为200mm时的。由3.1节讨论可知，冲蚀速率最严重部位是弯头外壁面（outside-2）和出口直管段外壁面（outside-3）。因此，重点对比3种弯管直径下这两段壁面的最大冲蚀速率大小。由图8可以看出，随着弯管直径的增大，两段壁面的最大冲蚀速率均减小。分析原因：虽然两种管径时颗粒入口的速度相同，但在相同浓度颗粒下，小直径的弯管更容易被颗粒持续冲击同一点；而大直径弯管内的颗粒分布较分散，颗粒几乎不会对某一位置持续冲击。因此，大直径的弯管冲蚀损伤轻于相同条件下的小直径弯管。

图7 不同弯管直径时冲蚀速率云图Fig.7 Erosion rate contours of different pipe diameter

图8 不同弯管直径时外壁面最大冲蚀速率Fig.8 Maximum erosion rate of different pipe diameter

4 结论

1）弯管较小会造成多部位的冲蚀损伤，而较大的弯曲半径时，冲蚀损伤部位集中在弯头外壁面和出口直管段外壁面。弯曲半径的增大会导致最大冲蚀速率一定程度的增大。在使用中应根据实际选用最佳弯曲半径的弯管。

2）管径是影响弯管冲蚀的重要因素。在相同计算条件下，随着管径的增大，最大冲蚀速率和冲蚀速率分布均会减小。因此，在满足实际应用的条件下，建议采用大直径弯管。

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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

冉亚楠(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向为多相流环境下的材料冲蚀损伤及防护技 术。Email:ynran913@163.com

2016-12-12