應用DPM方法模擬計算排泥管道及法蘭連接處的磨損率①

黃 思 何 婧 周錦駒 何東萍 彭天陽

(1. 華南理工大學機械與汽車工程學院；2. 中交廣州航道局有限公司)

應用DPM方法模擬計算排泥管道及法蘭連接處的磨損率①

黃 思1何 婧1周錦駒2何東萍2彭天陽2

(1. 華南理工大學機械與汽車工程學院；2. 中交廣州航道局有限公司)

為探索固液兩相流對管道和法蘭連接處的磨損規律，選取常規的兩段管徑為0.7m的水平排泥管道和一個連接法蘭段作為研究對象，運用多相流的離散相模型和半經驗的磨損模型對法蘭連接在平順、凸出和凹進3種情況下進行管道固液兩相流動和磨損率計算。計算得出來流速度為5.0m/s，來流固相體積率為3%～27%，固相密度為1 300～2 300kg/m3，固相粒徑不大于0.2mm。計算得到了在不同的法蘭連接狀況下，管道和法蘭的最大磨損位置和平均磨損率，得到了平順狀況下管道和法蘭連接處磨損率與固相顆粒比重、顆粒體積率的關系。

排泥管道 法蘭 磨損 離散相模型

排泥管道一般用于航道疏浚、湖泊清淤、河床取土施工中將泥漿輸送到指定地點，管道每間隔一段由法蘭連接。因制造加工和安裝的問題，在管道法蘭連接處存在凸出或凹進等不平順的情況，造成管道阻力和磨損增加。因此，考察固液兩相流對管道和法蘭連接處的磨損規律，探索減少管道磨損的措施，具有重要的社會意義和工程應用價值[1，2]。

迄今為止，國內外已有不少學者分別對管道設備進行了固液兩相流磨損實驗，但由于固體顆粒磨損機理的復雜性，至今尚未有一個通用的材料磨損計算公式[3～6]。筆者采用多相流的拉格朗日方法，運用Ansys-Fluent軟件的離散相模型(Discrete Phase Model，DPM)結合Tulsa大學的顆粒磨損模型，分別在法蘭平順、凸出和凹進3種連接情況下，進行管道固液兩相流的數值計算，旨在得到管道磨損的一般規律。

1 計算模型和方法

1.1 計算域及網格劃分

選取常規的兩段水平管道(內徑D=0.7m，每段管長L=6.0m)和一個連接法蘭(墊圈厚度為5mm)作為研究對象，其中管道法蘭連接處分為平順、凸出、凹進3種情況，凸出和凹進的內徑分別為0.696、0.704m。分別構造上述流體計算域的三維模型，將計算域模型導入ICEM軟件中進行計算網格劃分，得到如圖1所示的六面體結構網格單元，計算域網格總數為150萬以上，網格質量參數Skewness值均小于0.90，滿足計算精度要求。在計算域中設置重力加速度9.81m/s2，方向與管道流動方向垂直。

a. 管道外觀

b. 凸出(左：橫截面；右：中心剖面法蘭連接處局部)

c. 凹進(左：橫截面；右：中心剖面法蘭連接處局部)

1.2 介質參數和工藝參數

計算使用的介質和工藝操作參數見表1，其中水是連續相，固體顆粒是離散相。固液兩相流動是等溫過程，無相變發生。為簡化計算，設定顆粒為球形。

1.3 計算方法

采用多相流的拉格朗日方法，運用Ansys-Fluent軟件的DPM模型計算管內的固液兩相流。固體顆粒對材料的磨損值Er一般可表示為：

表1 固液介質物性及操作參數

(1)

式中C(dp)——顆粒粒徑、硬度和形狀的函數；

E——磨損率；

vp——粒子撞擊速度。

對于式(1)中的磨損率E，許多學者提出了各自的磨損計算模型，較經典的有Finnie模型[7]和Tabakoff模型。Tulsa大學磨蝕研究中心提出的磨損模型[8]是文獻中使用較多的模型，筆者運用該模型進行管道表面的磨損計算。對于碳鋼來說：

E=Af(α)vp1.73B-0.59

(2)

(3)

其中，A是經驗系數，A=1.95×10-5，B是鋼材的布氏硬度；X=3.147×10-9，Y=3.609×10-10，Z=2.532×10-9。對于濕潤表面：a=-3.84×10-8，b=2.27×10-8。計算軟件的DPM模塊目前僅適用于小粒徑顆粒相(dp≤0.2mm)的情形，但從文獻結果來看，不同粒徑顆粒對管道磨損率分布的影響差異不明顯，且磨損率基本在同一個數量級上，因此使用小粒徑顆粒的磨損計算所得結果仍具有一定的參考價值。設置非穩態計算時間步長Δt=1ms，通過監測計算域固液兩相流態的穩定程度判斷計算是否結束。

2 計算結果及分析

2.1 固液兩相流管道磨損率

圖2為計算得到的在一般工況(來流速度5.0m/s，顆粒體積率30%，粒徑0.2mm)下流動穩定后管道底部表面的磨損率云圖。由于固體顆粒均勻釋放進入管道后需要一段距離(約3m)才開始進入正常的流動狀態，因此在圖2中僅關注管道入口3m后(點劃線右側)的磨損情況。由圖可見，因固體顆粒的沉降，管道底部磨損率較大，當法蘭連接為非正常的情況(凸出和凹進)下，第2節管道的磨損相對明顯一些。

圖2 管道底部表面的磨損率云圖

為考察管道表面的具體磨損情況，圖3給出了后處理得到的單元管道表面平均磨損率E。由圖3可見，在平順、凸出和凹進的3種場合，管道表面平均磨損率E分別是6.20×10-6、6.48×10-6、6.54×10-6kg/m2·s，相對于平順場合，凸出和凹進情況下管道表面平均磨損率分別增加了4.3%和5.2%。

圖3 管道表面的平均磨損率

2.2 固液兩相流法蘭磨損率

圖4為計算得到的上述工況下法蘭連接處的表面磨損率云圖。由圖可見，最大磨損率均出現在底部位置，在連接處凸出的情況下最大磨損率發生在前臺階(圖4a)，在凹進的情況下最大磨損率發生在后臺階(圖4b)。

圖4 法蘭連接處最大磨損位置

為考察法蘭連接處的具體磨損情況，圖5分別給出了后處理得到的法蘭連接處平均磨損率E結果。由圖5可見，在平順、凸出和凹進的3種場合，法蘭連接處平均磨損率E分別是4.45×10-6、1.25×10-5、1.01×10-5kg/m2·s，相對于法蘭連接處平順的場合，凸出和凹進情況下法蘭連接處平均磨損率分別增加了64.4%、55.9%。

圖5 法蘭連接處的平均磨損率

2.3 固體顆粒來流參數的影響規律

2.3.1 固體顆粒比重

圖6給出了在法蘭平順場合，不同固體顆粒比重情況下，顆粒(來流速度5.0m/s，顆粒體積率27%，粒徑0.2mm)在管道表面和法蘭連接處造成的平均磨損率E結果曲線。由圖可見，隨著顆粒比重的增大，管道材料和法蘭連接處的磨損量均有所增加。

圖6 顆粒比重對磨損率的影響

2.3.2 顆粒來流體積率

圖7給出了在法蘭平順場合，不同顆粒體積率來流情況下，顆粒(來流速度5.0m/s，顆粒密度2 300kg/m3，粒徑0.2mm)在管道表面和法蘭連接處造成的平均磨損率E結果曲線。由圖可見，隨著來流中固體體積率的增大，管道材料和法蘭連接處的磨損量均有所增加。

圖7 來流顆粒體積率對磨損率的影響

3 結論

3.1 在所給定的邊界條件(來流速度5.0m/s，來流固相體積率3%～27%，固相密度1 300～2 300kg/m3，粒徑不大于0.2mm)下，因固體顆粒的沉降沖刷，一般在管道底部出現較大的磨損率。

3.2 在法蘭連接處非平順的場合，管道表面平均磨損率預計增加5%左右，而法蘭連接處自身的磨損率增加量更為明顯。

3.3 顆粒比重和來流顆粒體積率的增加也會使管道材料和法蘭連接處的磨損量有所增加。

[1] 鄭文.潛式排泥管道的工藝規則[J].中國修船，2003，16(3)：31～33.

[2] 黃寶元，張偉嬌，陶岳杰.疏浚排泥管道磨損研究及開發方向[J].廣東化工，2012，39(6)：310～312.

[3] 鄧軍，楊永全，沈煥榮，等.水流含沙量對磨蝕的影響[J].泥沙研究，2000，(4)：65～68.

[4] 曹連喜.論固體物料水力輸送中的管道磨損[J].有色金屬(礦山部分)，1997，(4)：19～22.

[5] 謝翠松，段文忠，謝葆玲，等.水輪機沙粒磨損問題研究[J].湖北水力發電，2002，(1)：37～40.

[6] Karimi A，Schmid R K.Ripple Formation in Solid-Liquid Erosion[J].Wear，1992，156(1)：33～47.

[7] Finnie I.Some Observations on the Erosion of Ductile Metals[J].Wear，1972，19(1)：81～90.

[8] Ahlert K R.Effects of Particle Impingement Angle and Surface Wetting on Solid Particle Erosion on ANSI 1018 Steel[D]. Tulsa：University of Tulsa，1994.

2016-03-15，

2016-11-03)

浙江豐利炭黑粉碎生產線持續熱銷

目前我國90%以上的炭黑是用油爐法工藝生產，該工藝因粉塵污染等問題，使炭黑生產行業一直難以擺脫“黑”時代。針對這一狀況，國家高新技術企業——浙江豐利粉碎設備有限公司組織科研人員進行攻關，吸收消化國內外先進技術再創新，自主成功研發新款粉碎設備，用機械研磨的物理方法，對炭黑進行粉碎，由集料器、脈沖及風機等配套裝置對粉碎后的物料進行收集，然后用機械沖擊的方法對物料進行表面包覆改性，提高其分散性，得到滿足使用要求的改性炭黑。整套設備運用“超微粉碎-改性”一體化生產工藝，解決了炭黑生產的粉塵污染問題，使整個產品在生產過程中清潔環保。整套流程采用自動控制，簡化了生產流程，提高了生產效率，從而降低了生產成本。

該生產線已被國內炭黑主要生產企業采用，熱銷日本、泰國等東南亞市場。

(吳紅富)

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豐利網址www.zjfengli.com

CalculatingAbrasionRateattheJointbetweenSludgePipelineandFlangeBasedonDiscretePhaseModelMethod

HUANG Si1, HE Jing1, ZHOU Jin-ju2, HE Dong-ping2, PENG Tian-yang2

(1.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology; 2.CCCCGuangzhouDredgingCo.,Ltd.)

For purpose of discovering the rule of abrasion that solid-liquid flow incurs at the pipeline and flange joint, having two horizontally-arranged sludge pipes with 0.7m diameter and a connecting flange selected for the study was implemented, including making use of discrete phase model (DPM) and semi-empirical erosion model to calculate the abrasion rate at the flange connections where smooth, convex and concave situations appear respectively. The calculation results show that, the inflow velocity calculated can be 5.0m/s with 3% to 27% for the inlet solid volume rate, and the solid density ranges from 1 300 to 2 300kg/m3with the solid particle diameter less than 0.2mm; and the position at maximum erosion and average erosion ratio under various flange connections can be obtained, including the relationship between erosion ratio and solid density and particle volume ratio at smooth conditions.

sludge pipeline, flange, abrasion, discrete phase model

黃思(1962-)，教授，從事流體機械的教學與科研工作，huangsi@scut.edu.cn。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2017)01-0069-04