稀薄顆粒流體對(duì)彎管沖蝕的數(shù)值模擬

易衛(wèi)國(guó)

摘要運(yùn)用Fluent中的沖蝕模型（DPM）對(duì)含少量顆粒的流體進(jìn)入彎頭處引起的沖蝕進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了管壁轉(zhuǎn)彎處的受力，追蹤了顆粒粒子蹤跡．結(jié)果表明：沖蝕主要發(fā)生在彎頭底部位置；在同一速度且顆粒攜帶量一致的條件下，不同直徑的顆粒對(duì)彎頭的沖蝕作用隨顆粒直徑的增大而增大；在不同的入口速度下，相同直徑的顆粒對(duì)彎頭的沖蝕作用隨顆粒速度的增大而增大．模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合．該法可以應(yīng)用于輸送含少量顆粒流體管道系統(tǒng)的安全預(yù)測(cè)、評(píng)估及工藝改造．

關(guān)鍵詞顆粒；流體；離散相；沖蝕；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)TB126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)10002537（2012）05005605

石油化工生產(chǎn)及其他行業(yè)用管道輸送流體介質(zhì)時(shí)，流體中的顆粒不可避免的對(duì)管道造成沖蝕．其影響因素很多、很復(fù)雜，如：流體介質(zhì)中顆粒的大小、速度等，其危害程度比較大，特別是當(dāng)工作介質(zhì)易燃易爆或者有劇毒時(shí)，一旦產(chǎn)生事故后果不堪設(shè)想．如：我國(guó)陜京輸氣管道琉璃河分輸處曾因氣源中含較多顆粒、流速過高等原因造成閥門被沖刷穿孔；我國(guó)中原油田污水管道和印度輸送煤氣管道都報(bào)道過發(fā)生管內(nèi)壁底部槽溝磨損引起開裂事故等等．因此，我們非常需要比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)管道中最容易磨損的部位及磨損的速度，以保證管道設(shè)備能可靠安全運(yùn)行．人們對(duì)濃度大的顆粒流對(duì)管道的沖蝕機(jī)理及模擬預(yù)測(cè)等做了不少的研究［16］．但值得一提的是當(dāng)流體中的顆粒含量不高時(shí)，危險(xiǎn)是同樣存在的［7］，卻往往容易讓人忽視，文章正是基于這方面的考慮，針對(duì)含少量顆粒流體通過管彎時(shí)對(duì)管壁的沖蝕，以含沙水流為例利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，在此，不考慮工作介質(zhì)對(duì)管道的腐蝕作用．

1模型的建立

1.1數(shù)學(xué)模型

管內(nèi)含沙水流的流動(dòng)屬于典型的固液兩相流，由于所研究的對(duì)象是固體顆粒含量小于10%（體積分?jǐn)?shù)）的流體，顆粒顯得非常的稀薄，因此可以采用離散相模型．利用拉格朗日法對(duì)通過流場(chǎng)的顆粒進(jìn)行逐個(gè)跟蹤，再分別計(jì)算在各種不同的工況下彎頭各部分的磨損量．

綜合圖5～8得出：不管在上述哪種情況下，彎頭部位受沖蝕是最嚴(yán)重的，并且主要是發(fā)生在彎頭的下半部分B區(qū)域．已經(jīng)求解了在各種工況下彎頭的沖蝕率，就容易得出彎頭在一定時(shí)間間隔內(nèi)的磨損量了，這為我們進(jìn)行含顆粒流體輸送管路的合理設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，比如可在管路曲率變化較大的部位進(jìn)行適當(dāng)?shù)募雍瘢部梢詫?duì)局部進(jìn)行強(qiáng)化處理等．

4結(jié)論

（1）管道中沖蝕最嚴(yán)重的部位是管路曲率發(fā)生變化的部位，且沖蝕程度隨彎頭部位截面的轉(zhuǎn)角α的增大而增大，沖蝕最嚴(yán)重的部位位于彎頭的下半部B區(qū)域．

（2）顆粒直徑一定，流體速度越大，則顆粒對(duì)彎管的沖蝕作用也越大；在速度一定且顆粒攜帶量相同的情況下，流體夾帶的顆粒直徑越大則顆粒對(duì)彎管部位的沖蝕作用也就越大，如果僅僅速度不變，顆粒攜帶量減少，顆粒的直徑越大，則其沖蝕作用反而有下降的趨勢(shì)．

（3）稀薄顆粒流體對(duì)管道的沖蝕作用盡管有限，但在長(zhǎng)年運(yùn)行時(shí)其危害也不容忽視．