固液混合物在三通管內的流動規律及沖蝕特征研究

向旗 張欣 闕江鵬 趙磊

摘 要 工程應用中三通管常遇到的沖蝕磨損是指三通管材料表面受到小而松動的流動粒子沖擊時表面出現破壞的一類磨損現象。為了減少三通管受到沖蝕的影響，本文通過fluent軟件，模擬分析不同角度T型管沖蝕磨損位置及靜態壓力云圖。從不同角度三通管靜態壓力云圖可知，支管口對應底面壓力較大，受到沖蝕更加嚴重，在三通管的防護中應著重防護該處管道。

關鍵詞 三通管 仿真模擬 沖蝕

0引言

管路系統輸送資源是當代能源運輸主要的方式之一，T型管在日常運輸中不可或缺。然而由于砂巖顆粒伴隨油流一同進入集輸管線，少量有害成分會對管道內壁造成的沖蝕，特別在流體轉向處更為嚴重。目前國內外學者就彎管的沖蝕進行了相關研究，但對實際工程中常用的T型管沖蝕還有待探索。本文圍繞固體顆粒濃度、流速、T型管角度等展開研究，采用Fluent的沖蝕預測方法對固液混合物沖蝕進行數值模擬計算，分析影響沖蝕速率的因素。

1模型的確定

1.1沖蝕磨損模型

原油里含有大量會不同程度損壞管道的粒子，對管道中粒子沖蝕磨損的研究必須針對不同的材料、顆粒含量，根據不同的速度、不同碰撞角度下得到實驗數據，從而整理出磨損的經驗或是半經驗計算公式，才能產生實際的應用價值。當前研究得到的沖蝕磨損方程多半是以實驗和條件假設為基礎，然后通過理論分析和數學仿真模擬的方法而建立的。

（1）Tulsa模型。

1994 年，Tulsa對碳鋼和鋁材進行試驗研究，提出沖蝕速率預測方程

其中，ER為顆粒對于壁面的沖蝕率，kg/kg;C為壁面的材料常數，材料為碳鋼時取1.55910-6 ;HB為壁面布氏硬度，N/mm2; HB為顆粒形狀系數，N/mm2;n為速度指數;Vp為顆粒速度，m/s;mp為顆粒的質量流率，kg/s; w為壁面材料密度kg/m3; Ac為計算的單元面積，m2。

（2）在 FLUENT 軟件中，壁面沖蝕磨損方程的具體形式如下所示：

其中，C（dp）為顆粒的直徑函數;f（ ）為壁面和顆粒的碰撞角的角度函數; v為顆粒的相對速度;Aface為壁面上網格的面積;默認值時C=1.810-9，是需要根據實際工程上C， f和b指定參數。普遍應用的沖擊角函數為：

在 FLUENT 中可以通過粒徑的變化函數和沖擊角函數的變化形式，從而使用不同的沖蝕磨損方程，例如當使用 Tulsa 方程時，沖擊角函數的式子中C（dp）=C（HB）-0.59Fp，同時使用與方程相對應的沖擊角函數f（ ）。

1.2湍流模型

在各種不同的湍流模型中，RNG k- 雙方程湍流模型具有較好的穩定性和準確度，而且計算速度相對較快，管道流動數值都采用此模型來計算。其中湍動能 k和耗散率 的方程如下：

式中，Gk、Gb表示的是湍流動能，前者主要由層流速度梯度引起;后者主要是由浮力影響引起;Ym則表示在可壓縮湍流脈動膨脹作用下總的耗散率受到的影響; t= C是湍流黏性系數。C1 和C3 為經驗常數，、 k分別為湍動能和湍動能耗散率對應的普朗特數，在FLUENT中，前二者初始值為C1 =1.44、C3 =0.09;后兩者初始值為 =1.3 k=1.0。

1.3模型的建立

本文的研究對不同角度的三通管，材料為結構鋼，管道內主流體為液態水，含少量雜質（石英砂）顆粒，其幾何模型如圖 1 所示。本文的數值計算應用ANSYS Workbench 17.0 軟件完成。首先進行 90埃？0昂？5巴涔艿？3D 建模及網格劃分并以此模型為基礎，來用fluent進行不同三通管角度的沖蝕磨損的數值計算和結構改善。

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2.1數值模擬模型

本文的計算中顆粒含量較少，且屬于兩相流，目前使用較多，與實驗結果吻合度較好的固液兩相流模型是離散相沖蝕模型，因此數值計算采用離散相模型（DPM），湍流方程選擇標準 K-方程，控制方程采用有限體積法的離散方式，Erosion方程曲線的變化，保持沖擊角不變時，沖蝕率隨著速度加快而遞增。保持速度不變而沖擊角增加時，沖蝕率先上升后減低，其中降低過程中可分為驟降和緩降兩步。觀察后發現K- 方程符合本次研究項目，所以最終選擇 Erosion 方程作為本文的沖蝕磨損方程。

2.2沖蝕磨損部位預測

數值計算時，入口條件選擇速度入口，流體速度為 10 m·s-1，流體從 T 型管支管進入管道，出口條件為自由出口。其中顆粒直徑為 100 m，質量流量 0.001 kg·s-1，壁面條件為顆粒沖擊角的多項式函數。在確定以上因素不變的之后，我們對90埃？0埃？5暗娜ü芙械哪D猓韻率淺迨茨D獾木蔡沽ν肌？

3結論

在控制顆粒的速度、濃度、尺寸相同的條件下，由靜態壓力沖蝕云圖可知，90癟型管在支管口對應底面壓力較大，管道其他壁面沖蝕程度較小，特別位于支管口兩邊部位沖蝕及其微弱;60癟型管支管口對應底面和出口管道壓力較大，60敖譴Τ迨次⑷酰？5癟型管支管口對應底面所受壓力，對于60癟型管、90癟型管受壓面積更大，同樣在45敖譴κ苧菇閑 R虼說貿黿崧廴ü芙嵌鵲牟煌迨吹男Ч膊幌嗤S刪蔡沽Τ迨叢仆伎芍煌嵌熱ü苤Ч蕓詼雜Φ酌嫜沽洗螅凰孀漚嵌鵲募跣。嗤乃俁取⑴ǘ取⒊嘰縵嗤奶跫攏雜諶ü艿酌嫻某迨囪沽χ鸞ゼ跣。雜誒肴肟詼私顯兜某隹詼說難沽υ齟蟆M保Ч蕓詼雜Φ酌嫜沽洗螅艿匠迨錘友現兀諶ü艿姆闌ぶ杏ψ胖胤闌じ么艿饋？

參考文獻

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