基于Ansys Fluent及正交試驗的90°彎管沖蝕影響因素分析

魯劍嘯

摘? ? ? ?要：管道系統在物料運輸過程中，受固體顆粒的沖蝕，常導致管道彎頭失效。應用Ansys Fluent軟件進行90°彎管沖蝕模擬，得出入口流速、顆粒質量流量、顆粒粒徑、管道直徑、彎徑比均會影響90°彎管沖蝕率。采用正交試驗方法分析得到沖蝕影響因素主次順序為：入口流速>顆粒質量流量>彎徑比>管道直徑>顆粒粒徑;通過方差分析得出，入口流速、顆粒質量流量對彎管沖蝕率的影響高度顯著，入口流速、顆粒質量流量、顆粒粒徑間交互作用不顯著。

關? 鍵? 詞：彎管;沖蝕率;交互作用;正交試驗

中圖分類號：TG 174.1? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）09-2102-05

Abstract： The pipe elbow is often damaged due to the erosion of solid particles during material transportation.The Ansys Fluent software was used to simulate the 90° elbow erosion.It was found that inlet velocity，particle mass flow rate， particle diameter， pipe diameter and ratio of bending radius to diameter all affected the erosion rate of 90° elbow.By orthogonal experiment， it was concluded that the primary and secondary order factors of various erosion influencing factors were as follows： inlet velocity>particle mass flow rate> ratio of bending radius to diameter> pipe diameter>particle diameter. Through the analysis of variance， it was concluded that the effect of inlet velocity and particle mass flow rate was significant， and the interaction between inlet velocity， particle mass flow rate and particle diameter was not significant.

Key words： Elbow; Erosion rate; Interaction; Orthogonal experiment

管道系統在油品輸送、油氣田開發過程中應用廣泛，但是在管道輸送過程中，管道內的流動介質會對管道內壁不斷沖刷腐蝕，彎頭處流體流向的改變更是加劇了沖蝕破壞程度。

國內外學者對彎頭沖蝕進行了大量研究，彭文山等[1]研究顆粒流速、流量及粒徑大小對于彎管沖蝕率的影響，研究表明，在一定范圍內，彎管最大沖蝕率隨顆粒流速與顆粒流量的增加而增大，但并不完全隨著顆粒粒徑的增加而增大;孫宗琳[2]、許留云等[3]研究管道流速、顆粒質量流量、顆粒直徑、彎徑比對90°彎管的流場分布及磨損情況，研究表明，進口流速、顆粒直徑、顆粒質量流量、彎徑比的變化均會影響管道沖蝕率;徐磊[4]、梁光川[5]、胡炳濤[6]等研究流速、壓力、管徑、彎徑比對彎頭的沖蝕破壞，研究表明如上因素都會對管道的沖蝕破壞有影響;閆宏偉等[7]研究油氣管道彎頭影響因素，得到入口速度和質量流量對油氣沖蝕率有正向促進作用。

綜上，以往研究大都為單因素模擬，沒有考慮到不同因素對沖蝕率的影響程度，且沒有考慮到變量間交互作用對沖蝕率的影響。基于此，本文針對90°彎管進行液固兩相流數值模擬研究，應用ANSYS fluent軟件研究入口流速、顆粒直徑、顆粒質量流量、彎徑比、管道直徑各種因素與彎管沖蝕率的關系， 采用正交試驗方法分析各種因素對彎管沖蝕率影響程度的主次順序。

1? 90°彎管沖蝕數值模擬

1.1? 物理模型

根據輸油管道系統管徑規格表，選取公稱直徑D=50、65、80 mm，彎徑比分別為1.5、2、2.5的90°彎管進行建模，為保證管內流體充分發展，取進出口長度L1=L2=12D，見圖1所示。采用“古錢幣”形式進行網格劃分，見圖2所示。為簡化計算，連續相介質取為水，離散相介質取為沙粒，入口類型設為速度入口，出口類型設為自由出流，連續相采用標準k-ε湍流模型，離散相采用DPM模型，DPM模型中沖蝕率公式[8]為：

1.2? 數值模擬結果分析

1.2.1? 流體速度對沖蝕率的影響

在管道直徑80 mm，彎管彎徑比2.5，顆粒直徑100μm，顆粒質量流量為0.1、0.2、0.3 kg/s工況下，彎管入口流速分別為1、1.5、2、2.5、3 m/s時，得到流速與彎管沖蝕率的關系，見圖3所示。

由圖3可知，進口流速增加時，彎管最大沖蝕率隨之增加，并呈指數分布。保持進口流速不變，增大顆粒質量流量時，最大沖蝕率隨之增加。

1.2.2? 顆粒質量流量對沖蝕率的影響

在管道直徑80 mm，彎管彎徑比2.5，顆粒直徑50μm，流體速度為1、1.5、2、2.5、3 m/s工況下，顆粒質量流量分別為0.1、2、0.3 kg/s時，得到顆粒質量流量與彎管沖蝕率的關系，見圖4所示。

由圖4可知，顆粒質量流量增加時，沖蝕率隨之增加，速度為1、1.5、2 m/s時，質量流量與沖蝕率的增長呈線性關系，速度為2.5、3 m/s時，質量流量與沖蝕率的增長呈指數關系。

1.2.3? 顆粒粒徑對沖蝕率的影響

在管道直徑為80 mm，彎管彎徑比為2.5，流體速度為1、1.5、2、2.5、3 m/s，顆粒直徑為50、100、150 μm工況下，得到顆粒直徑與彎管沖蝕率的關系，見圖5所示。

由圖5可知，顆粒粒徑不變，流速增加時，沖蝕率增加;流速不變，顆粒粒徑增加時，沖蝕率發生變化，具體如下：

①顆粒質量流量為0.1 kg/s時，隨顆粒粒徑增加，沖蝕率隨之減小;

②顆粒質量流量為0.2 kg/s時，隨顆粒粒徑增加，沖蝕率先減小后增大，顆粒粒徑為100 μm時，沖蝕率數值最小;

③顆粒質量流量為0.3 kg/s時，當流速v≤1.5 m/s時，隨顆粒粒徑增加，沖蝕率先減小后增大，v≥2 m/s時，隨顆粒粒徑增加，沖蝕率減小。

由此可知，顆粒粒徑、顆粒質量流量、流速三者間可能存在交互作用。

1.2.4? 管道彎徑比對沖蝕率的影響

在管道直徑為80 mm，顆粒直徑為100μm，顆粒質量流量0.1 kg/s，流體速度為1、1.5、2、2.5、3 m/s，彎徑比為1.5、2、2.5工況下，得到彎徑比與彎管沖蝕率的關系，見圖6所示。

由圖6可知，隨彎徑比增加，沖蝕率呈現先減小后增大趨勢，速度v≥2 m/s時，沖蝕率隨彎徑比變化較大，當v≤1.5 m/s時，沖蝕率隨彎徑比變化不大，當彎徑比R/D=2時，沖蝕率得最小值;當管道彎徑比不變時，隨流速增加，沖蝕率隨之增加。

1.2.5? 彎管直徑對沖蝕率的影響

在顆粒直徑為100μm，顆粒質量流量0.1 kg/s，彎徑比為2，流體速度為1、1.5、2、2.5、3 m/s，彎管直徑為50、65、80μm工況下，得到管道直徑與彎管沖蝕率的關系，見圖7所示。

由圖7可知，隨管徑增加，彎管沖蝕率呈現先增加后減小趨勢，D =65μm時，沖蝕率最大，D =80μm時，沖蝕率最小。

2? 正交試驗設計與討論

2.1? 試驗因素水平確定

通過以上單因素模擬分析發現，90°彎管沖蝕率與入口流速A、顆粒質量流量B、顆粒粒徑C、管道直徑D、彎徑比E直接相關，故本實驗對如上因素進行正交設計，選取5因素3水平試驗方案，見表1所示。考慮到AB、AC、BC間可能存在交互作用，根據正交實驗設計原則，選擇L27（313）表[9-13]比較合適，本實驗正交表安排如表2所示，其中第10、12列為誤差列，表2中沒有顯示。

2.2? 正交試驗結果分析

根據表2的極差結果得出，試驗各影響因素的主次順序為A>B>AB1>AB2>E>D>C>BC1>BC2>AC2>AC1，即入口流速影響最大。因為交互作用較多，需通過方差分析來全面分析試驗結果，見表3所示。從表3看出，因素A、B對試驗結果的影響高度顯著，交互作用對試驗結果影響不顯著。

綜上分析，在本實驗條件下，試驗較優組合取為A1B1C2D3E3，但較優組合沒有在表3的試驗中出現過，故根據較優組合進行模擬，模擬得到沖蝕率值為1.96×10-9 kg·m-2·s-1，見圖8所示。

3? 結 論

（1）不同因素變化對彎管沖蝕的影響效果不同，90°彎管沖蝕影響因素有：入口流速、顆粒質量流量、顆粒粒徑、管道直徑、彎徑比;各影響因素的主次順序為：入口流速>顆粒質量流量>彎徑比>管道直徑>顆粒粒徑。

（2）對于90°彎管沖蝕，分析了入口流速、顆粒質量流量、顆粒粒徑間的交互作用，方差分果顯示：交互作用不顯著，不具有統計學意義。

（3）試驗條件下，本次試驗設計最優組合為A1B1C2D3E3，模擬得到90°彎管的最大沖蝕率為1.96×10-9 kg·m-2·s-1。

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