含沙固液兩相流動對變徑管道沖蝕磨損影響

＊段文博 馬帥 王潔 萬永剛 張立平

（1.齊齊哈爾醫學院醫學技術學院物理教研室 黑龍江 161000 2.中國電力工程顧問集團公司東北電力設計院有限公司 吉林 130000）

引言

出于減小管道沖蝕磨損及提高部件使用壽命的目的，眾多國內外學者對管道的沖蝕現象進行了研究，并總結出了大量的沖蝕磨損理論與數學模型。

Zhang等采用數值計算方法分析了管道的沖蝕情況，結果表明數值計算方法與實驗方法分析出的沖蝕情況吻合度較好，可以采用數值計算模擬管道的沖蝕磨損。

王凱等對含有沙粒的液固兩相流、等直徑彎管進行了分析，研究了管道中不同位置的沖蝕磨損率。

劉寒秋等利用數值模擬方法研究了海洋工程作業中的冰水混合物對直角彎管的磨損，并給出了減小管道沖蝕磨損的相關建議。

孫強等利用CFD的動網格技術，研究了不同振動工況下水平及豎直圓管轉角處的沖蝕磨損特性，并預測了管道壽命變化情況。

可以看到，在管道的沖蝕磨損研究領域研究方向主要集中在等直徑管道方面，而對于變直徑管道的沖蝕磨損研究相對較少。鑒于此，本文以變徑管作為研究對象，以常見的沙粒與水分別作為固相及液相，同時加入重力的影響，分析液相速度及沙粒粒徑對變徑管道的沖蝕磨損影響規律，以期為變徑管道的設計、防護及結構優化提供一定的參考。

1.沖蝕磨損方程

固體顆粒對管道的沖蝕磨損，可利用離散相（DPM）沖蝕磨損方程進行計算。沖蝕磨損方程如式（1）所示：

式中，Rerosion表示顆粒沖擊管道壁面的磨損速率，kg/（m2·s）；NParticle為離散相碰撞數目；mp為離散相的質量流量，kg/s；C（dp）為顆粒的粒徑函數，取為1.8×10-9；v為固體顆粒的相對速度，m/s；b（v）為顆粒的相對速度函數，取為2.6；Aface為壁面面積，m2；f（a）為侵入角函數。

2.幾何模型與計算條件

本文變徑管道的幾何模型如圖1所示，分為上游段A，變徑段B及下游段C。網格劃分采用O型網格。以面射流的方式在管道入口釋放固體顆粒。選擇密度為1000kg/m3的液態水為連續相，密度為1500kg/m3的沙粒為離散相。采用SIMPLE算法對壓力速度進行耦合求解，初始化流場，開始計算。

圖1 變徑管道幾何模型

3.結果與討論

(1)顆粒直徑對管道沖蝕磨損的影響

經計算得出，隨著顆粒尺寸的增大，管道的沖蝕磨損率也在不斷增大。因大尺寸的固體沙粒質量較大，受到的慣性力也較強，所以大尺寸顆粒將具有更大的動能，當顆粒與管道發生摩擦撞擊時，具有更大動能的大尺寸固體顆粒對管道壁面的破壞程度將會比小尺寸顆粒嚴重的多，這就造成了管道的沖蝕率隨著顆粒直徑增大而增大。

圖2 不同顆粒尺寸管道壁面的沖蝕磨損云圖

圖2為兩種不同顆粒尺寸條件下管道壁面的沖蝕磨損云圖。從云圖可見，管道的沖蝕磨損主要集中在變徑段B處，同時可以發現，變徑段下部（重力方向）的磨損程度要遠遠大于管道上部的磨損情況，同時沖蝕磨損率隨著顆粒直徑的增大而繼續增大。

(2)水流速度對管道沖蝕磨損的影響

給定相關參數，通過逐漸增大管道進口處的水流速度，得出水流速度與管道最大沖蝕磨損率的關系如圖3所示。從圖中可以看到，水流速度與管道的最大沖蝕率成反比趨勢，這不同于前文的顆粒直徑與沖蝕磨損率的關系。在低速水流條件下，管道的沖蝕磨損率要明顯大于高速水流條件下的沖蝕磨損率。而因重力的影響，變徑段B處底部的磨損同樣也會大于頂部。

圖3 不同水流速度與最大沖蝕磨損率的關系曲線

(3)最大沖蝕部位與防護

因變徑管幾何結構的原因，管道內的最大沖蝕磨損部位都出現在變徑段B處，而變徑段B處沖蝕最為嚴重的區域為底部（重力方向）。因此，管道的防護，應注意減小變徑段B處的沖蝕磨損。可以采用諸如增大管道的水流速度及減小顆粒的大小等方法來對變徑段進行防護。

4.結論

變徑管道的最大沖蝕磨損率與顆粒直徑及水流速度的關系如下：顆粒直徑與管道的最大沖蝕磨損率成正比關系，而水流速度與最大沖蝕磨損率成反比關系。對于本文研究的液固兩相流變徑管道，因管道結構與液體流動的特點，最大沖蝕磨損部位均發生在變徑段B處，因存在重力的作用，變徑段B處磨損最嚴重的位置則出現在底部（重力方向）。