基于流固耦合的弯管优化设计

安连想

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃兰州 730060）

0 引言

虽然现代工业有了快速发展，技术水平有了较大提升，但是冲蚀磨损问题始终存在，例如流体管道弯头等。特别是液固两相流的冲蚀失效现象更为严重，直接影响管道使用寿命，通过对管道流体流动情况实施仿真分析，能够模拟出不同条件下管道内流体流动特性，从而明确冲蚀最严重区域，找到冲蚀规律，进而对管道进行优化设计，提升使用寿命。

1 弯管流固耦合分析

1.1 弯管的物性设置

本文主要以304 不锈钢弯管（管径Φ133×3.5 mm）作为案例进行分析，在进行冲蚀分析时做出如下假设。

（1）弯管架构匀称，内部各位置力学参数无差异。

（2）固相与水相介质物性参数伴随温度变动而变动的幅度有限。

（3）流体流进弯管前已发展到要求形态。

（4）弯管横向设立，较少受重力作用。

（5）石英砂密度为2600 kg/m3，在流体中融合匀称。

弯管的工况介质物性参数见表1。

1.2 弯管流固耦合分析

（1）等效应变分析。通过ANSYS 软件对该弯管在不同流速（0.5 m/s、1 m/s、3 m/s、5 m/s、7 m/s、9 m/s）下进行等效应变，以及随速度变化情况进行观察。

结果显示（图1），不同流速下等效应变分布大体上一致（依次为2.359 0×10-6m，9.233 6×10-6m，7.612 2×10-6m，2.034 0×10-6m，6.300 6×10-6m），但是在弯管段以及弯管段和下游直管接触位置变化较大，而弯管上游直管部分变化较小。

（2）等效应力剖析。利用ANSYS 工具对此弯管在各种流动速度（9 m/s、7 m/s、5 m/s、1 m/s、0.5 m/s）下等效应力和伴随流速所发生的变动状况加以剖析。

可以知道，流动速度不一样情况下，等效应力分布大多相同（具体是1.256 500 MPa、0.774 630 MPa、0.405 520 MPa、0.151 740 MPa、1.839 8×10-2MPa、4.702 3×10-3MPa）。然而在弯管段和弯管段及下游直管相接地点出现很大变动，而弯管上端直管出现小程度变化。整体而言，弯管等效应力与流动速度间体现为抛物线递增形态。

表1 弯管的工况介质物性参数

图1 不同流速下弯管等效应变情况

（3）总位移剖析。利用工具ANSYS 对此弯管在各种流动速度（9 m/s、7 m/s、5 m/s、1 m/s、0.5 m/s）位置移动情况和伴随速度出现的变动状况加以剖析。

从结果可知，不同流速下总位移分布大体上一致（依次为1.414 5×10-8m、5.564 0×10-8m、4.884 2×10-8m、1.350 4×10-8m、2.638 1×10-8m、4.351 5×10-8m）。但是在弯管段以及弯管段和下游直管接触位置变化较大，而弯管上游直管部分变化较小。

1.3 分析结果

综上所述，弯管在不同流速下的等效应变、等效应力以及总位移分布大体上一致，但是在弯管段以及弯管段和下游直管接触位置变化较大，而弯管上游直管部分变化较小。总的来说，等效应变、等效应力以及总位移和流速之间表现出抛物线递增关系。

2 弯管优化设计

2.1 优化分析

通过分析可知，随着流速增加，冲蚀增加的程度也越来越大，但是随着弯管直径的下降冲蚀率会有非常大的下降。为了降低弯管受到的冲蚀程度，在符合实际应用情况下要降低管内物质的流动速度，同时要尽可能增大弯管的曲率半径、降低管径，能够有效缓解弯管所受到的冲蚀破坏。另外，可以采取增加盲通管、增加挡板等方式对弯管结构进行优化设计。

2.2 增加盲通管

从弯管结构自身因素考虑，可以在弯管弯头流速变化较快的区域设置盲通管（选择弯管直径为Φ108 mm），对其实施冲蚀分析，所得结果如图2 所示。从图2 中可知，虽然增加了盲通管，但是对于冲蚀较为严重的区域（弯管以及弯管下游管道紧连区域），冲蚀效果没有明显改善。在盲通管端部出现流动旋涡，颗粒出现堆积情况，造成此处严重冲蚀。总的来说，采用设置盲通管的方式进行弯管结构优化，无法实现降低最大冲蚀的目的。但是盲通管装卸相对方便，并且不用对磨损的弯管进行整体更换，能够有效降低维修成本，因此设置盲通管能够起到对弯管段的有效保护。

图2 添加盲通管后的分析结果

2.3 改变弯管方向角

选择直径为Φ108 的弯管，将其弯曲半径设置为r=5DN、流速设置为v=5 m/s。逐一改变弯管的方向角（分别为30°、45°、50°、55°、60°、65°）对其进行冲蚀模拟，能够得到模拟效果。根据模拟效果得知，伴随弯管方向角度的增大，最大冲蚀率表现出先下降，后升高，然后再下降的态势（得到的最大充实率依次为1.87×10-5kg/（m2·s）、1.53×10-5kg/（m2·s）、1.51×10-5kg/（m2·s）、1.34×10-5kg/（m2·s）、3.38×10-5kg/（m2·s）、2.19×10-5kg/（m2·s）、2.44×10-5kg/（m2·s）、2.24×10-5kg/（m2·s））。弯管方向角为50°时，最大冲蚀率达到最小数值，弯管方向角为60°时，其数值达到最高。为此可把弯管方向角管控在50°左右，可将冲蚀影响大幅减小。

2.4 添加挡板

在流固耦合下弯管所发生的冲蚀磨损并非造成弯管整体破坏，而是局部磨损较为严重。尤其是弯管区域接近弯管下游直管段位置更为严重。可以考虑在磨损较为严重的区域（弯头50°～80°）设置可拆式挡板，相当于对该位置进行管壁加厚，能够增强对冲蚀的抵抗能力，延长弯管使用寿命。此外，采用法兰连接弯管的方式，并不用更换整个弯管段，能够大大节省成本。

2.5 优化结果

（1）采取盲通管的方式进行弯管优化设计无法明显降低最大冲蚀率，但是能够避免对磨损弯管进行整体更换，能够有效降低维护成本，对于弯管的保护具有相应作用。

（2）将弯管方向角控制在50°左右能够有效降低最大冲蚀率，大大提升弯管使用寿命。

（3）在局部磨损较为严重的位置（弯头50°～80°）设置可拆卸式挡板，相当于增加管壁厚度，能够延长弯管寿命，即使挡板发生冲蚀刺穿也便于更换。

（4）可以综合采用上述优化措施，能够进一步提升弯管使用寿命。

3 结束语

本文主要以304 不锈钢弯管为例，进行弯管流固耦合分析，在此基础上提出弯管优化设计措施，为弯管的工业设计提供一定参考作用。