模擬分析小顆粒對T型管的沖蝕

梁金川　鄧又文　胡彪

摘要：T型管道在天然氣輸送中較為常見的管件，氣體在管道內流動時流向會發(fā)生改變導致氣體直接沖擊管壁，此時氣體內夾帶的微小顆粒也會沖擊管壁，形成沖蝕降低管道輸送的安全性。為了充分了解顆粒對管壁沖蝕影響，以兩端為入口，一端為出口的T型管為研究對象，利用FLUENT模擬不同流速下產(chǎn)生的沖蝕情況。在T型管的一個入口端注入小顆粒并且保持人口條件不變，另外一個入口端不加顆粒而改變氣體的速度來觀察產(chǎn)生沖蝕的情況。結果顯示改變無顆粒進氣端的速度會對沖蝕的位置產(chǎn)生影響，同時沖蝕的程度也會產(chǎn)生一些變化。對比分析在不同氣體流速下管道內壓力云圖、速度云圖和流線圖，來揭示顆粒的運動規(guī)律進而說明氣體流速對于顆粒對于管壁沖蝕的影響。為實際生產(chǎn)中確定管道危險位置提供依據(jù)。

關鍵詞：T型管；天然氣管道；管道沖蝕；數(shù)值模擬

中圖分類號：TQ 832 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0460（2017）01-0145-04

天然氣在我們生活的能源消費者占得比重越來越大，預計2030年前，天然氣將在一次能源消費中與煤和石油并駕齊驅。這充分說明了天然氣工業(yè)發(fā)展的重要性，降低天然氣輸送的安全隱患是保證天然氣工業(yè)健康發(fā)展的基礎。天然氣在管輸過程中流速一般會很高，因為有金屬微屑和灰塵顆粒等存在會對管壁形成沖擊磨損，給天然氣輸送管線和特殊管件帶來安全隱患。前人針對這個問題進行了一些研究，探究產(chǎn)生沖蝕的機理和影響沖蝕的因素。曾涌捷針對天然氣管道彎頭處的沖蝕情況進行了研究，他利用CFD模擬研究彎頭的沖蝕失效機理，并通過分析彎頭處的速度場和壓力場指出彎頭大弧面處為危險截面。張林等人通過建立天然氣管道氣固兩相的流動方程，利用數(shù)值模擬的方法來分析求解氣固混合物沖蝕能量，利用能量的變化規(guī)律來分析沖蝕的機理。從前然研究的結果可以發(fā)現(xiàn)影響管道沖蝕的因素很多，其中管道的結構特點是影響管道沖蝕的一個非常關鍵的因素。目前針對天然氣管道中T型管件沖蝕的研究還不太多同，為此，利用FLUENT模擬T型管內的顆粒運動，通過模擬結果來分析沖蝕與顆粒運動的關系，為生產(chǎn)中消除相應的安全隱患提供參考依據(jù)。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

T型管的幾何模型見圖1，直徑/9=-35mm，為了消除入口端的影響取L₁=350mm，L₂=700mm。兩個為入口端，在入口2添加一定量的顆粒物，入口1不添加顆粒物但改變此入口的速度，看其對入口2進入的顆粒對避免沖蝕的影響。利用Designmodeler建立的三維模型，然后利用ICEM CFD劃分網(wǎng)格圖2所示網(wǎng)格個數(shù)為58765個，通過網(wǎng)格的質量分析，網(wǎng)格質量統(tǒng)計顯示都在0.4以上說明網(wǎng)格質量很好。

2 數(shù)學模型

管道內流體的流動滿足連續(xù)性方程與動量守恒方程。FLUENT的揣流模型選擇標準模型。計算沖蝕率我們采用FLUENT中內置的模型，沖蝕率為：式中：C（d_p）-顆粒粒徑函數(shù)；

α-顆粒路徑與壁面間沖擊角；

f（a）-沖擊角函數(shù)；

v-顆粒相對速度；

b（v）-顆粒相對速度函數(shù)；

A_face-壁面面積。

邊界條件的設置為：入口1位速度入口，湍流強度采用Intensity and Hydraulic Diameter方式設置，Intensity=5%，Hydraulic Diameter=-0.35m。入口2頁采用入口1相同的設置。出口設置為壓力出口，湍流強度頁采用入口1一樣的設置方法。離散相模型的設置為：壓力與速度采用Coupled耦合方案，控制方程采用一階迎風格式進行離散。天然氣的密度設置為0.717kg/m³，動力粘度為1.7894e^-5Pa·s，固體顆粒的密度為2000kg/m³，選擇微粒的形狀為球形，直徑為10μm，顆粒的入口速度為10m/s。

3 計算結果分析

3.1 不同入口速度下的沖蝕模擬結果

保證入口2入口速度為10m/s和出口的條件不變，分別設置入口1的速度為5、10、20和30m/s，觀察管壁的沖蝕結果。結果如圖3所示（a：5m/s、b：10m/s、c：20m/s、d：30m/s）：

從模擬結果我們可以看出隨著入口1的速度改變，管壁沖蝕的位置也發(fā)生了變化。入口速度越大，沖蝕位置越往出口方向移動。在管壁上形成的沖蝕的形狀也發(fā)生了變化，在5m/s和10m/s的入口速度下，沖蝕形成的形狀為較為均勻的橢圓形；在20m/s和30m/s的入口速度下，沖蝕形成的形狀為噴射狀靠近入口1的方向不在有沖蝕。但是從最大沖蝕率來分析，沖蝕率并不隨入口1的速度單調變化，在入口速度為5m/s時最大沖蝕為2.14e^-6，在入口速度為10m/s時最大沖蝕為2.12e^-6，在入口速度為20m/s時最大沖蝕率達到了3.14e^-6，在入口速度為30m/s時最大沖蝕為2.86e^-6。從沖蝕率的計算公式可以看出，其受多個變量的控制，當入口1的流速變化時會改變顆粒沖擊壁面的角度和顆粒與管壁接觸的面積進而影響沖蝕率。

3.2 不同入口速度下T型管內的流場

為了分析在T型管內產(chǎn)生上述沖蝕結果，分別對產(chǎn)生對應沖蝕結果的流場進行分析。主要分析T型管內的壓力場、速度場和流線情況。如圖4（a：5m/s、b：10m/s、c：20m/s、d：30m/s）為T型管內的壓力場分布。

為了分析在T型管內產(chǎn)生上述沖蝕結果，分別對產(chǎn)生對應沖蝕結果的流場進行分析。主要分析T型管內的壓力場、速度場和流線情況。如圖5（a：5m/s、b：10m/s、c：20m/s、d：30m/s）為T型管內的壓力場分布。從壓力場云圖可以看出在三管交接處或形成一個負壓區(qū)，從模擬結果可以看出當入口1流速為30m/s時，負壓區(qū)的壓力最低。當入口2流速為10m/s時負壓區(qū)的壓力最高。這說明兩個入口速度越接近形成的負壓區(qū)壓力會較高。

為了更加更加清楚的分析微粒的運動，我們從管道內的速度云圖和流線圖來分析，如圖5所示（a：5m/s、b：10m/s、c：20m/s、d：30m/s）。從速度云圖和流線圖我們可以看到在三管交接處會有漩渦的形成，同時入口1處的速度越大在交界處的下壁面處形成的流速越大，這樣會降低從入口2進入的顆粒到達壁面概率同時改變顆粒的運動軌跡，使在管道下壁面產(chǎn)生沖蝕的位置發(fā)生改變。

4 結論

利用FLUENT對兩入口一出口的T型管道墨香內的流場和速度場進行了模擬分析，保證攜帶有顆粒的入口的速度不變，改變另外一個入口的速度，看其對壓力場和速度場的影響。著重分析流速的改變對管壁沖蝕產(chǎn)生的影響。

1）天然氣在管道內輸送過程中，其夾帶的金屬顆粒或未分離干凈的固相顆粒因為高速流動會對管壁產(chǎn)生較大的沖蝕磨損。尤其是在流向發(fā)生變化的地方，沖蝕會更加嚴重，需要在生產(chǎn)中特別注意。

2）在T型管這種特殊的管件中，沖蝕磨損更加嚴重，如果有兩個入口端盡量保持兩個入口端的速度接近以降低沖蝕的影響。但是對于實際問題還需考慮顆粒和管壁的特性。

3）在長距離管輸天然氣中盡量減少T型管和彎頭的使用，因為這些部位會受到管流的直接沖擊，沖蝕損傷較一般直管段會成倍增加。