油罐内壁除锈数值模拟

王 毅，肖日宏

（武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063）

2015年国务院发布《水污染防治行动计划》关于加油站地下油罐的要求：加油站地下油罐应于2017年底前全部更新为双层罐或完成防渗池设置。而对于完成双层罐的改造，油罐内壁的除锈为首要步骤。

现存的除锈方式有手工除锈、化学除锈、超声波除锈、激光除锈、磨料空气射流除锈、高压水射流除锈、磨料水射流除锈等，其中，磨料水射流因其打击力强、节能环保的特点被广泛应用。

磨料水射流是指在水射流中混入磨料，水将动能传递给磨料，使磨料保持一个很高的速度打击靶面，从而达到除锈的效果。针对磨料水射流，薛胜雄、黄汪平等人[1]利用磨料水射流进行船舶除锈试验，对C级锈板的除锈质量可达到Sa2.5级，相较于气动喷砂和清水射流除锈，除锈效率更高。刘力红、曹寒冰[2]模拟了前混合磨料水射流高压管道流场，采用欧拉多相流模型，得到了不同磨料浓度、高压管直径及水流量等参数的影响。孙可明、张旭[3]等人利用磨料水射流的液固两相湍流数学模型，分析了喷嘴收缩段水和磨料的流动，得到了不同内锥角的喷嘴、体积分数的磨料对射流效果的影响。陈林、雷玉勇等人[4]基于Fluent对后混合磨料水射流进行喷嘴内流场数值模拟，利用高雷诺数的标准k-ε双方程紊流封闭的数学模型和欧拉模型进行3种典型的后混合磨料喷嘴形状混合腔的模拟，得到了后混合磨料水射流存在一个最优圆柱长度，使磨料出口速度达到最大值。大多数文献均考虑欧拉模型，没有考虑到磨料颗粒作用于靶面的过程。针对这一问题，本文以油罐除锈为研究目标，从计算流体动力学的角度出发，建立CFD数值模型对磨料水射流的除锈效果进行仿真，从而使实际除锈过程能实现较好的除锈效果并兼具良好的经济性。

1 数值模型

1.1 标准k-ε模型

标准k-ε模型在工程上的应用最为广泛、最为成功。k为流体的湍动能，ε为流体的耗散率，标准k-ε模型即求湍动能方程和耗散率的方程。该模型忽略分子间黏性力的影响，因此在弯管流动中使用会出现失真现象。本模型磨料水射流不涉及弯管流动，因此可选取标准的k-ε模型。

1.2 DPM模型

DPM模型是以欧拉-拉格朗日方法为基础建立的，它把流体作为连续介质，在欧拉坐标系内加以描述，对此连续相求解输送方程，而把颗粒作为离散体系，通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒的轨道，可以计算出这些颗粒的轨道及由颗粒引起的质量传递。在计算颗粒的轨道时，Fluent跟踪计算颗粒沿轨道的质量、动量的得到与损失，可在随后的连续相的计算中发挥作用，实现了连续相影响离散相的目的。同时，考虑到离散相相对连续相的作用，本模型中把水作为连续介质，磨料作为颗粒，水输送颗粒打击靶面，因此选取DPM模型可达到较好的仿真效果。

1.3 喷嘴的选型和网格的划分

对于一般的连续射流，工程上常用的喷嘴有3种，即流线型、圆锥短直线型和圆锥长直线型。本文喷嘴选取为圆锥短直线型[5]，其几何参数有：喷嘴的收缩角α＝13°，喷嘴进口直径D＝6 mm，喷嘴出口直径d＝1 mm，锥形直线段长度L1＝21.94 mm，圆柱段长度L2与喷嘴直径d的比值为3.

因为射流流动是轴对称的，为了节省计算时间，模型划分的轴对称物理模型及网格如图1所示。为充分研究流体在流场中的特性，流场设为长50 mm、宽20 mm的矩形。由于实际工作中工作条件的限制，靶距选取为20 mm，磨料种类选取常用磨料石英砂，其密度为2 650 kg/m3，磨料与水的混合方式选取前混合[6]。

图1 轴对称物理模型及网格

1.4 除锈作用力分析

磨料射流破坏时，材料的破坏首先从表面开始，具有动能的水射流携带磨料打击破坏材料，并将其能量传递给材料，这种能量足够克服锈层微粒间的结合能，通过机械应力破坏其结合力。油罐的锈层属于坚硬而脆的附着物，其抗压强度远远高于锈层的抗拉强度，其拉伸破坏为磨料水射流除锈的首要破坏因素。因此，靶面所受到的壁面剪切力（Wall Shear Stress）及磨料对靶面的冲蚀磨损率（DPM Erosion Rate）是衡量除锈效果的主要因素。

2 结果与讨论

2.1 不同射流压力对射流特性的影响

对除锈喷嘴的射流入口压力进行7种工况（10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa、60 MPa、70MPa）的数值模拟，磨料数量、网格划分数量和质量、边界条件和求解参数均保持不变，据此分析射流入口压力的变化对靶面剪切力和冲蚀磨损率的影响。图2为30 MPa下靶面径向剪切力的分布曲线，图3为不同入口射流压力下靶面所受的最大壁面剪切力和冲蚀磨损率。

由图2可知，壁面剪切力在射流中心点周围呈双峰曲线形式（关于原点对称），从周围最大剪切力区域至射流中心，剪切力迅速减小至零。在最大剪切力区域之外，随着与射流中心距离的越来越大，剪切力的数值越来越小。因此可以认为磨料水射流除锈时存在一个核心作用区。

由图3可知，壁面最大剪切力随着射流压力的增加而增加，而冲蚀磨损率为单峰曲线，在30 MPa时为最大值。壁面最大剪切力在增加相同的射流压力时增量在30 MPa时最大。因此，对于前混合磨料水射流，入口射流压力为30 MPa时除锈效果较好，靶面所受的最大剪切力为0.08 MPa左右，冲蚀磨损率为 2.25×10-8kg/（m2·s）。

2.2 不同磨料数量对射流特性的影响

在DPM模型中设置不同的磨料颗粒数量，射流入射压力、网格划分数量和质量、模型的边界条件和求解参数设置均相同，从而得到不同的磨料数量（15，30，45，60，75）工况的数值模拟，据此分析不同磨料数量对靶面最大剪切力和冲蚀磨损率的影响。图4为不同磨料数量下靶面所受的最大剪切力和冲蚀磨损率。

图2 靶面的径向剪切力分布

图3 不同射流压力下的最大剪切力及壁面磨损率

图4 不同磨料数量下靶面的最大剪切力和冲蚀磨损率

由图4可知，随着磨料数量的增加，壁面最大剪切力基本保持不变，壁面冲蚀磨损率随着磨料数量的增加近似呈线性增长。但由于实际工况中泵机输送管道的直径限制和喷嘴直径的限制，出现了磨料堵塞输送管道，带来泵机的损坏。因此根据泵机输送管道的规格选择磨料数量45的工况可带来较好的除锈效果和经济性。

3 结论

本文针对前混合磨料水射流对油罐内壁除锈效果进行CFD数值模拟，探究磨料水射流工作压力及磨料数量对除锈效果的影响，以壁面剪切力和DPM冲蚀磨损率作为评价指标，得到以下结论：①磨料水射流打击靶面除锈的最大剪切力不在靶面的中心点，其存在一个核心作用区，在此核心作用区内可达到较好的除锈效果。②随着磨料水射流入口射流压力的增加，靶面最大剪切力随之增加，靶面冲蚀磨损率在30 MPa时为最大值，在30 MPa射流压力下，其除锈效率相较于20 MPa射流压力提高了93%.③随着磨料数量的增加，靶面冲蚀磨损率随之增加，靶面最大剪切力基本保持不变。此时，应根据实际工况条件合理安排磨料数量，以达到除锈要求和较好的经济性。