不同參數下DN40 銅合金彎頭內流場數值模擬分析

周鐵柱，鄭叢芳，王軍亮，郁炎，趙國超

（中國船舶集團有限公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023）

銅鎳合金B10 因其良好的耐腐蝕性能而廣泛應用于艦船海水管路系統，銅鎳合金彎頭用于管路系統流體轉向，是艦船及海洋工程海水管路系統中不可或缺的管道部件[1-18]，但因其使用環境復雜部分工況下銅鎳合金彎頭也會出現“跑、冒、滴、漏”等問題。目前國內外學者對于彎頭的腐蝕行為乃至銅鎳合金材料自身的腐蝕機理從不同角度、采用不同方法進行了較為系統的基礎研究[19-25]。然而基于實船應用情況下針對某些特定規格的銅鎳合金彎頭內部流體形態的研究，以及不同參數因素對流體影響變化的研究相關報道并不多見。基于此本文選用在實船下比較有代表意義的DN40（?44.5×2.5）銅鎳合金彎頭為目標，并結合實船應用情況分析多影響因素耦合下對銅鎳合金DN40 彎頭內流場變化，并確定了彎頭內部沖刷腐蝕影響因素的主次，為實際工況下的應用提供一定指導。

1 數值模擬流體模型的構建

1.1 流體域模型創建

基于實船應用背景下選取?44.5×2.5 銅鎳合金彎頭，采用ANSYS 建模，劃分彎頭內部流體域并對流體域進行命名；流體域包含四部分：流體入口（A、B）、直管距離（100mm、300mm）、焊縫余高（0、2mm 和5mm）、彎曲半徑（1D、1.5D、3D）。流體域模型如圖1所示。

圖1 流體域模型示意圖

1.2 流體域網格劃分

使用Fluent 自帶的Fluent Meshing 模塊對流體域模型進行網格劃分，以44.5-1D-0-100-B（管徑44.5mm、B 入口、直管段距離為100mm、焊縫余高為0mm、彎曲半徑1D）為例，劃分網格如圖2 所示。

圖2 流體域網格示意圖

1.3 流體數值模擬參數設置

流體數值模擬以海水為介質，實際海水參數見表1 所示。

表1 海水介質參數

流體數值模擬分析前需要設置雷諾數、湍動能、湍流強度以及水力直徑等參數，并設置好流速計速度入口等相關邊界條件。

2 彎頭內流場數值模擬分析

2.1 彎頭傾斜角度對彎頭內流場的影響

對比分析了不同的彎頭放置方式（傾斜45°放置和垂直放置）對彎頭內部的影響，通徑44.5mm、彎曲半徑為1D、直管段距離為100mm、焊縫余高為2mm時彎頭內部流場壓力分布；如圖3 所示。

圖3 不同傾斜角度彎頭管路內流場壓力分布圖

從圖中可以看出傾斜角度對彎頭內流場影響甚微。后續計算不在考慮彎頭管路傾斜角度。

2.2 彎頭連接直管段長度、焊縫余高、彎曲半徑對彎頭內流場的影響

基于相同的彎頭連接直管長度、不考慮焊縫高度以及相同流體流入端為B 時，改變彎曲半徑參數分析其對彎頭內流場的影響；基于彎曲半徑為變量情況下彎頭內流場流速分布情況如圖4 所示。

圖4 相同焊縫余高和相同直管連接距離100mm不同彎曲半徑下彎頭內部流速分布圖

基于相同焊縫余高和直管段連接而距離改變彎曲半徑因素情況下，彎頭內流場流速變化隨著彎曲半徑的增大而減小，流速極值分別為3.501m/s、3.012m/s 和2.757m/s；流速極值出現于彎頭內側，彎頭內側流速整體高于彎頭外側流速。

基于相同的彎頭連接直管段長度（100mm）、焊縫余高增加至2mm，采用相同流體流入端為B 時，改變彎曲半徑參數模擬分析其對彎頭內流場流速的影響；不同彎曲半徑（1D、1.5D、3D）彎頭內部流場流速分布云圖分布情況如圖5 所示。

圖5 相同焊縫余高（2mm）和相同直管連接距離100mm不同彎曲半徑下彎頭內部流速分布圖

圖5 表明在保證相同直管段連接距離增加焊縫余高，會引起彎頭內流場流速的波動，內流場流速整體升高，彎頭內流場流速變化隨著彎曲半徑的增大而減小，流速極值分別為4.469m/s、4.01m/s 和3.679m/s；流速極值分布于彎頭內弧的焊縫外側區域；同時，相對于無焊縫的管路，當存在焊縫時不同彎曲半徑下彎頭管路內部流速均出現了不同程度的增加。

基于相同的彎頭連接直管段距離（100mm）和增加焊縫余高至5mm，流體從B 入口流入的情況下對比分析了不同彎曲半徑對彎頭管路內部流場的影響，彎頭內流場流速分布圖如圖6 所示。

圖6 相同焊縫余高（5mm）和相同直管連接距離100mm不同彎曲半徑下彎頭內部流速分布圖

從圖6 中可以看出在彎頭焊縫余高為5mm 時彎頭內部流場流速變化更為明顯，焊縫余高對彎頭內部流場的影響表現更加顯著；流速極值分別為5.792m/s、5.583m/s 和5.584m/s；隨著彎曲半徑的增加，彎頭內部流場的流速最大值逐漸減小；彎曲半徑1D 和1.5D 彎頭內部流場流速最大值集中于彎頭管路入口端和彎頭內弧焊縫處，彎曲半徑3D 彎頭管路流速最大值集中在彎頭管路出口端彎頭外弧焊縫處。

綜合對比圖4、圖5、圖6 可以看出，基于相同的彎頭連接直管段距離和相同彎曲半徑下，彎頭內流場流速分布與焊縫余高的變化成正比；而基于相同的彎頭直管段連接距離和相同焊縫余高下，彎頭內流場流速分布于彎曲半徑成反比。

增加彎頭連接直管長度至300mm、不考慮焊縫高度以及相同流體流入端為B 時，改變彎曲半徑參數分析其對彎頭內流場的影響。彎頭內部流場流速分布情況如圖7 所示。

圖7 相同焊縫余高0mm 和相同直管連接距離300mm不同彎曲半徑下彎頭內部流速分布圖

與圖4 對比發現彎頭直管段連接距離的增加不會改變彎頭內流場流速分布趨勢，但是流速最大值相比較整體降低；彎頭內流場流速變化隨著彎曲半徑的增大而減小，流速極值分別為3.392m/s、2.984m/s 和2.762m/s,流速極值出現于彎頭內側，彎頭內側流速整體高于彎頭外側流速。

基于相同的彎頭連接直管段距離300mm 和增加焊縫余高至2mm，流體從B 入口流入的情況下對比分析了不同彎曲半徑對彎頭管路內部流場的影響,不同彎曲半徑（1D、1.5D、3D）彎頭內部流場流速分布對比情況如圖8 所示。

圖8 相同焊縫余高2mm 和相同直管連接距離300mm不同彎曲半徑下彎頭內部流速分布圖

與圖5 的應用工況對比，圖8 的工況下彎頭內流場流速呈現下降趨勢，流速極值分別為4.285m/s、3.885m/s 和3.755m/s；與圖7 應用工況對比彎頭內流場流速則呈現升高趨勢；同樣的與其他工況一樣彎頭內流場流速變化隨著彎曲半徑的增大而減小，部分工況下彎頭內流場流速極值出現的位置略有不同：當彎曲半徑為1D 和1.5D 時 彎頭管路流速極值位入口端彎頭內弧焊縫處，彎曲半徑3D 彎頭管路流速最大值位于出口端彎頭外弧焊縫處。

基于相同的彎頭連接直管段距離300mm 和增加焊縫余高至5mm，流體從B 入口流入的情況下對比分析了不同彎曲半徑對彎頭管路內部流場的影響，不同彎曲半徑（1D、1.5D、3D）彎頭內部流場流速分布對比情況如圖9 所示。

圖9 相同焊縫余高5mm 和相同直管連接距離300mm不同彎曲半徑下彎頭內部流速分布圖

對比圖7 和圖8 從圖9 中可以看出，焊縫余高增加至5mm 時，彎頭內流場流速呈現增大的趨勢，不同彎曲半徑下流速極值分別為5.843m/s、5.679m/s和5.703m/s；彎頭內流場流速變化隨著彎曲半徑的增大而減小；彎曲半徑1D 彎頭管路內部流速最大值位于入口端彎頭內弧焊縫處，彎曲半徑1.5D 和彎曲半徑3D 彎頭管路內部流速最大值位于管路出口端彎頭外弧焊縫處。

綜合對比圖7、圖8、圖9，基于相同彎頭彎曲半徑和相同的彎頭連接直管段距離，彎頭內流場流速變化與彎頭焊縫余高變化成正比；對比圖4、圖5 和圖6 可以發現基于相同的彎頭彎曲半徑和焊縫余高，單純的增加彎頭直管段連接距離彎頭內流場流速并未減小。

3 正交試驗模擬

彎頭內部內流場分布情況是多因素耦合下綜合作用的結果，而非單一影響因素的作用；實際應用工況下彎頭連接直管距離、彎頭焊縫高度、彎頭的彎曲半徑以及流體流入彎頭的不同入口端都會對彎頭內流場產生影響，各個影響因素對彎頭內流場影響程度也各不相同；為了研究各影響因素對彎頭內流場影響關系的主次，設計正交試驗并建立數值模擬分析試驗組。同時，排除各個影響因素之間的相互作用，通過極差分析法得出各影響因素對指標影響的主次順序[26]。正交模擬分析時假設彎頭內流場為單相流體，把流速作為衡量沖刷腐蝕的主要影響因素；綜合考慮設計影響因素包含彎頭連接直管段距離、彎頭彎曲半徑、彎頭焊縫余高、不同流體入口共四個方面；其中各因素的水平也各不相同，基于此選用L9（34）正交表，表2 為本試驗所設計的不同因素和不同水平對應關系表。

表2 因素水平對應關系表

由于不同影響因素所包含的水平參數各不相同，對于影響因素C 和影響因素D 來說它們包含三個水平參數；對于影響因素A 和影響因素B 來說它們包含有二個水平參數；為了便于后期的試驗，我們將表2 進行中兩水平參數的影響因素A 和B 進行排列組合，合并成為包含三個水平參數的單一影響因素，組合后的正交表見表3。

表3 排列組合后的水平因素對應關系表

表4 正交試驗表頭

從排列組合中可知A1B1 與A1B2 的差異取決于水平B，可以反映出B 的兩個水平參數對指標的影響；A2B1 與A1B1 的差異取決于水平A，可以反映出A 的兩個水平參數對指標的影響；據此重新設計了正交試驗表頭。

正交表構建完成以后根正交表進行分組數值模擬試驗，結果見表5。

表5 正交模擬試驗結果

從數值模擬正交試驗中的極差數值結果不難發現因素C 的數值最大、因素D 次之、其次是因素A和因素B,即彎頭焊縫余高的數值大小是影響彎頭內流場流速差異及沖刷腐蝕速率的主要原因。

4 結論

（1）相對于整個系統管路來說，DN40 彎頭內流場變化與彎頭傾斜角度關系不大。

（2）在DN40 彎頭管路中基于相同彎頭連接直管段距離和相同彎曲半徑情況下，彎頭內流場iusu 與焊縫余高變化成正比；基于相同彎頭連接直管段距離和相同焊縫高度下，彎頭內流場流速與彎曲半徑成反比，適當的增加彎曲半徑可以減小內流場流速。

（3）在DN40 彎頭管路中 基于相同彎頭連接直管段距離300mm 和相同焊縫余高下，彎頭內流場流速隨著彎曲半徑的增加而減小；基于相同彎曲半徑和相同的連接直管距離下，彎頭內流場流速隨著焊縫高度的增大而增大；基于相同焊縫高度和彎曲半徑下，彎頭內流場流速與彎頭連接直管段距離并不相關。

（4）彎頭焊接焊縫的高度是影響DN40 彎頭管路內流場流速變化以及沖刷腐蝕的關鍵因素。