基于CFX的水平管等徑三通失效分析數(shù)值模擬

楊金龍，陳 浩，馮春宇

(1.咸陽寶石鋼管鋼繩有限公司，陜西咸陽712000;2.西南石油大學機電工程學院，四川成都610500)

在天然氣集輸過程中，三通是管件中的重要組成部分，由于其結構的特殊性，它很容易遭受流體介質的沖蝕磨損。研究管件沖蝕磨損的傳統(tǒng)方法是采用試驗方法，但該方法的缺點是成本高、周期長。利用CFD方法，對天然氣集輸站水平管等徑三通氣液兩相流沖蝕磨損管壁現(xiàn)象進行數(shù)值模擬，低成本研究管件沖蝕的規(guī)律性問題。與其他流體數(shù)值模擬軟件相比，CFX具有數(shù)值計算方法精確，求解運行快速，物理模型豐富等優(yōu)點。

1 數(shù)學模型

流體在水平等徑三通管中的流動是一個非常復雜的多相三維流動過程。描述其運動的方程可由質量守恒定律、動量守恒定律推出［1－2］。

鑒于標準k-ε模型具有適用范圍廣、精度高的優(yōu)點，數(shù)值模擬采用標準k-ε湍流模型。它是包含下列兩個方程的模型，要解兩個變量，即速度變量和長度變量:

式中:k——湍動能，J;

ε——湍動耗效率;

ρ——流體密度，m/s;

μ——流體動力黏度，N·s/m2

μt——湍流黏度，下標t表示湍流流動，N·s/m2;

GK——表示由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能，J;

Gb——浮力產(chǎn)生的湍流動能，J;

YM——在可壓縮湍流中，過渡的擴散產(chǎn)生的波動能量，J;

xi，xj——表示坐標方向;

σk，σ∈——k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù);

SK，S∈——與實際問題有關的修正項。

G1∈，G2∈，G3∈——常量;

由于近壁面雷諾數(shù)較大，采用壁面函數(shù)法能充分節(jié)省計算資源。因為在近壁面黏性力影響區(qū)域變量的變化太快，不需要對其進行求解。這種方法經(jīng)濟、實用，而且也較為準確。

2 數(shù)值模擬過程

2.1 問題描述

采用CFX模擬管件中流體的流動，利用有限體積法對充分發(fā)展的氣液兩相流管內流動進行數(shù)值模擬，并考慮近壁和近界面處湍流衰減，最后通過計算獲得流場中速度流線、速度矢量及氣液兩相的分布圖，以便研究其流動規(guī)律［3］。

2.2 網(wǎng)格模型

數(shù)值模擬對象為新疆某油田天然氣集輸站水平管某管段中的等徑三通，采用現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)設定邊界參數(shù)。繪制流道模型，加長進口段和兩出口端分別為 1.0，0.5，和 0.5 m;使用 ANSYS ICEM CFD軟件對其劃分網(wǎng)格，見圖1。

圖1 等徑三通流道網(wǎng)格模型ig.1 Grid model of the flow channel of equal tee

該三通可實現(xiàn)兩個功能，即一端去生產(chǎn)匯管，另一端去分離計量，該文著重研究去計量方向的流場數(shù)值模擬。

2.3 邊界條件

采用穩(wěn)態(tài)模擬類型，設氣相為連續(xù)相，液相為離散相，兩相界面張力系數(shù)為0.02 N/m［4］。邊界條件設定為質量入口和壓力出口組合，其中進口為氣液兩相質量流量和體積分數(shù);出口為截面平均靜壓。加長進口和出口管，使流動充分發(fā)展。

3 數(shù)值模擬結果及分析

3.1 速度流線形態(tài)

流線是某一瞬時在流場中繪出的曲線，它表示瞬時流動方向。在不穩(wěn)定流時，經(jīng)過同一點的流線，其空間方位和形狀是隨時間改變的;穩(wěn)定流時，流線不隨時間改變［5］，見圖2。

圖2 計量流程中氣相和液相速度流線Fig.2 Flow chart of gas and liquid phase velocity in measurement process

由圖2可知:氣液兩相在三通轉角內側有最大速度，即流線呈現(xiàn)紅色的位置，其中氣相最大為21.2 m/s，液相最大為13.4 m/s。在等徑三通管中，X軸正向為重力方向，Y軸正向為計量方向，Z軸負向為生產(chǎn)匯管方向，計量口開通時，流體先沿Z軸負向流進，后沿Y軸正向流出。氣液兩相流線在三通本體支管處開始產(chǎn)生紊流，紊流現(xiàn)象在處于關閉狀態(tài)的生產(chǎn)匯管方向的直管內加劇，其中液相紊流比氣相紊流嚴重。通過觀察可知:大部分液相流線在三通處以一定夾角沖擊管壁正面后終止，即液相微粒撞擊并可能黏附在管壁上。以下對幾個關鍵位置的氣液兩相速度流線在橫截面上的分布進行觀察，見圖3。

由圖3可知:在三通后端生產(chǎn)匯管方向的直管中，距入口越遠，氣相紊流現(xiàn)象越嚴重;液相紊流在距入口1.2 m左右的位置最為嚴重，且主要集中在橫截面左下方區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場等徑三通失效殘件的壁厚檢測結果，此處的確具有較嚴重的沖蝕磨損［6］，見圖 4 和圖5。

由圖4和圖5可知:失效等徑三通的C端壁厚嚴重減薄，B端次之，A端減薄量較小，其中距C2端減薄量最大。從數(shù)值模擬結果中也可以發(fā)現(xiàn)，C端的紊流現(xiàn)象比較嚴重，可論證紊流是造成腐蝕的原因之一。

圖3 氣液相速度流線橫截面分布Fig.3 Cross-sectional distribution chart of flow line of the gas-liquid speed

4 等徑三通各端壁厚測量位置及測量值(單位:mm)Fig.4 Measured position and values of each end of equal tee

圖5 等徑三通各端測點壁厚變化情況Fig.5 Wall thickness changes about points of each end of equal tee

3.2 局部速度矢量圖

考慮到幾何形狀對流場的影響，考察了速度矢量圖在局部位置的情況，見圖6。

圖6 氣相和液相速度矢量局部放大Fig.6 Local enlargement chart of gas-liquid phase velocity vector

由圖6可以看出，三通轉角處管內側速度最大，但是與管壁之間的夾角很小，氣相速度矢量以一定夾角沖擊外側管壁后，并沒有在管壁上終止，而是沿管壁轉向后繼續(xù)流動;液相速度矢量與外側管壁之間的夾角較大，在沖擊管壁后終止;另外，三通處管底大量液相速度矢量發(fā)生終止，說明液相向管道底部沉積，并以一定的角度和速度撞擊管道底部。

3.3 氣液兩相分布

ZOX截面氣相體積分數(shù)云圖見圖7。

由圖7可知:管道進口兩相均布，液體分散在氣體中，幾乎充滿整個截面，使得含氣率接近于1;沿流動方向液相不斷沉積，逐漸在管道底部出現(xiàn)薄薄的氣液混合層;在三通去生產(chǎn)匯管方向，直管氣相含量逐漸減小，液相含量增加，兩相分布不均勻，到尾端時，管道截面中液相所占空間比例大于氣相［7］。

圖7 ZOX截面氣相體積分數(shù)Fig.7 Nephogram of gas volume fraction at ZOX-section

在ZOY和XOY截面中，從進口開始沿計量方向在等徑三通底部取145個特征位置點，取氣相體積分數(shù)值并作圖，見圖8。

圖8 沿計量方向管道底部氣相體積分數(shù)Fig.8 Gas volume fraction at the bottom of pipeline along measurement direction

由圖8表明:在三通前，管道底部氣相體積分數(shù)較大，沿流動方向呈拋物線趨勢減小;當?shù)竭_三通部位時，紊流現(xiàn)象使氣相體積分數(shù)陡增;在氣液兩相流發(fā)生轉向在計量支管流動時，管道底部氣相體積分數(shù)又開始降低，說明液相又開始向底部沉降。另外，考察等徑三通管橫截面兩相分布，從入口到出口氣相體積分數(shù)沿軸向緩慢減小，各橫截面氣相體積分數(shù)云圖見圖9。

由圖9可知:入口處氣相幾乎充滿整個管道截面，見圖9(a);沿流動方向管道中氣相體積分數(shù)逐漸減小，管道底部開始出現(xiàn)細月牙狀的氣液混合層，見圖9(b)。在三通處，由于紊流作用，氣液兩相速度均增大，使氣液混合層發(fā)生偏移，見圖9(c)。此時在生產(chǎn)匯管方向的直管段內，液相所占空間逐漸增大，并從管內左下區(qū)域向管中間擴充。

圖9 直管方向管道橫截面氣體體積分數(shù)Fig.9 Gas volume fraction of pipe cross-sectional along straight pipe direction

3.4 壁面剪切應力

氣液兩相流壁面剪切應力分布云圖見圖10。

圖10 氣液兩相流壁面剪切應力分布Fig.10 Wall shear stress contours of gas-liquid two-phase flow

由圖10可知:在計量流程中，流速增大時，氣液兩相流的壁面切應力也增大;氣相最大切應力位于三通本體進口端靠近內側轉角位置，值為36.87 Pa;液相最大切應力位于計量支管斜對著來流方向的管壁，值為68.24 Pa。由此可知，氣相產(chǎn)生的壁面切應力值小于液相產(chǎn)生的壁面剪切應力，液相產(chǎn)生的壁面切應力占主要作用。

4 結論

(1)根據(jù)數(shù)值模擬結果，液相沉積的紊流擾動是等徑三通局部嚴重腐蝕損壞的主要原因，氣液兩相流對管壁具有很強的沖擊力;

(2)等徑三通中的壁面切應力值雖然很小，但對管壁腐蝕產(chǎn)物膜的破壞有促進作用，在一定程度上加劇了管壁上腐蝕產(chǎn)物膜的脫落;

(3)局部紊流對沖蝕腐蝕有明顯促進作用。在紊流較小或不存在時，腐蝕占主導作用，管道底部只存在較小的沖蝕作用;在紊流較大的地方，腐蝕與沖蝕會共同作用，使沖蝕磨損進一步加劇;

(4)管件底部腐蝕破壞較為嚴重，從數(shù)值模擬的結果可知，由于氣液兩相流中的液相組分受重力影響較大，流動過程中存在沉降現(xiàn)象，導致管道產(chǎn)生積液，引起管壁腐蝕。

［1］ 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2004:7-9.

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