兩種彎頭的數(shù)值模擬及磨損預(yù)測*

劉培坤 胡兆文 楊興華 張悅刊

(山東科技大學機械電子工程學院)

兩種彎頭的數(shù)值模擬及磨損預(yù)測*

劉培坤 胡兆文 楊興華 張悅刊

(山東科技大學機械電子工程學院)

利用多相流Mixture模型和磨損模型對90°球形彎頭和弧形彎頭進行數(shù)值模擬，得到了2種彎頭內(nèi)部的速度分布、固相顆粒分布和磨損量分布。模擬結(jié)果表明：球形彎頭的最大磨損發(fā)生在靠近球體的直管部分，最大磨損量為102×10-14kg；弧形彎頭內(nèi)部的高速固相流主要分布在外側(cè)，最大磨損量達253×10-14kg；對比可知，球形彎頭的使用壽命比弧形彎頭使用壽命高2～3倍。

彎頭 多相流 相對磨損量 數(shù)值模擬

礦山輸送煤泥水的管道系統(tǒng)多是固液兩相流的輸送，其中固體顆粒對管路彎頭部位磨損嚴重，彎頭外側(cè)常被磨穿，常用的提高彎頭壽命的方法有彎頭材料的升級和優(yōu)化彎頭的結(jié)構(gòu)[1]。研究結(jié)果表明，管壁附近固相顆粒的沖擊速度是造成彎頭磨損的主要因素[2]。所以據(jù)此理論提出一種球形彎頭結(jié)構(gòu)來降低彎頭內(nèi)部固相顆粒的速度，并分別對球形和普通弧形彎頭進行數(shù)值模擬，得出各自的磨損特性，對彎頭部位磨損的研究提出一種方法。

1 模型建立和網(wǎng)格劃分

1.1 物理模型和網(wǎng)格劃分

球形彎頭的直管部分采用的是內(nèi)徑為207 mm的無縫鋼管，球形彎頭的模型和網(wǎng)格劃分見圖1。網(wǎng)格單元采用六面體網(wǎng)格，進、出口平面進行O型網(wǎng)格剖分，以增大平面網(wǎng)格邊界密度，保證較高的網(wǎng)格質(zhì)量，得到網(wǎng)格單元的數(shù)目為140 586?；⌒螐澒芫W(wǎng)格的劃分采用塊拉伸的方法，平面邊界和網(wǎng)格類型的處理方法類似于球形彎頭，網(wǎng)格單元總數(shù)為 288 968，弧形彎頭的模型和網(wǎng)格劃分見圖2。

圖1 球形彎頭模型和網(wǎng)格劃分

圖2 弧形彎管模型和網(wǎng)格劃分

1.2 數(shù)學模型

1.2.1 控制方程

采用固液兩相流的混合模型，控制方程。

(1)連續(xù)性方程為

(1)

(2)動量守恒方程為

(2)

1.2.2 湍流模型

湍流模型采用標準的k～ε雙方程：

(3)

(4)

1.2.3 沖蝕磨損模型

固液兩相流在管道中流動時，固相顆粒對管壁的沖擊磨損最大。由于固相顆粒對管壁的沖擊和磨損主要受顆粒速度的影響，因此本文主要模擬固相顆粒在彎頭內(nèi)部的分布規(guī)律以及顆粒的速度場，結(jié)合沖蝕磨損模型[4]來分析管道彎頭的磨損特性。

沖蝕磨損模型方程為

E=MpKF(α)VnP，

(5)

式中，E為磨損量，kg；K為顆粒性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)；VP為顆粒相對于壁面的速度，m/s；F(α)為沖擊角函數(shù)；α為顆粒對壁面的沖擊角度；n為速度指數(shù)；Mp為固體顆粒的質(zhì)量，kg；假設(shè)石英砂顆粒是等直徑的球體結(jié)構(gòu)，取K=1.8×10-9、n=2.4、F(a)=1。

1.3 邊界條件和初始條件

設(shè)置進口邊界條件為velocity-inlet，出口設(shè)置為outflow，設(shè)定豎直方向(Y軸)的重力加速度為 -9.81 m/s2，多相流模型為mixture模型，湍流模型采用標準的k～ε湍流模型，壓力—速度耦合為SIMPLE算法。壓力、動量、湍動能、湍流擴散率的離散格式均采用一階迎風格式。

計算模擬中采用水和石英砂的兩相混合流模型，把石英砂看做流體，需要設(shè)置水和石英砂的密度、黏度以及兩相的體積比，水和石英砂的物性參數(shù)見表1。

表1 水和石英砂的物性參數(shù)

數(shù)值模擬中石英砂的顆粒直徑一般選作 -1 mm，本次計算中設(shè)為1 mm，根據(jù)現(xiàn)場工況石英砂入口初始速度設(shè)為5 m/s。

2 模擬結(jié)果

2.1 顆粒分布

普通管道彎頭的使用過程中，固相顆粒的分布對管道的磨損影響較大，其中高速的固相顆粒分布的位置磨損嚴重，顆粒沉積的位置磨損小，2種彎頭的固相分布見圖3。

圖3 固相顆粒分布

由圖3可見，其圖中左端梯形彩圖表示固相顆粒的體積比分布(%)；在圖3(a)圖中可見，球形彎頭進口直管段部分的顆粒分布較為均勻，隨著混合液的流動，固相流逐漸向直管下側(cè)沉積，沉積處的顆粒體積比為0.314%～0.325%；進入球體后由于受重力和球壁附近回流的影響，固相顆粒開始出現(xiàn)明顯的沉積現(xiàn)象，特別是在球體下側(cè)靠近直管部位(如圖中A所示)，在區(qū)域A內(nèi)，固相顆粒的體積比為0.590%～0.621%，而球壁其他區(qū)域的固相顆粒體積比為0.222%～0.498%，因此可以判斷固相顆粒主要聚集在球壁附近；由圖3(d)可見，在弧形彎頭內(nèi)，沿著混合液的流動方向，在進口直管下側(cè)、弧形彎管和出口直管的外側(cè)均出現(xiàn)顆粒沉積現(xiàn)象，且上述區(qū)域顆粒的體積比在0.8%以上，而弧形彎管內(nèi)側(cè)區(qū)域的固相顆粒很少，固相流體積比低于0.05%，這是由于固液兩相的密度不同，固相顆粒在弧形區(qū)域受到離心力大，從而會向彎管外側(cè)分離。

2.2 速度分布

由沖蝕磨損模型可知固相顆粒的速度與管道彎頭的磨損量呈指數(shù)關(guān)系，速度的分布和大小對彎頭的磨損影響較大，2種彎頭的速度分布見圖4。

圖4 固相顆粒速度分布

由圖4(a)可見，當設(shè)置物料進口速度為 5.00 m/s時，在進口直管段，固相顆粒的速度沒有變化，但進入球體后球心區(qū)域的速度上升至5.21～5.52 m/s，從而形成球心高速區(qū)域；在球壁附近，固相顆粒的速度降至0.31～2.45 m/s；在出口直管段，高速區(qū)明顯集中在直管的中心區(qū)域，且速度沿流向呈階梯狀下降，該區(qū)域的速度為4.90～ 6.13 m/s；而管壁附近的速度降至3.98～4.90 m/s；結(jié)合圖3(a)可知在球壁附近主要分布著固相顆粒，該處的固相顆粒運動速度較慢，因此對球壁處磨損不大；圖4(b)可見，在相同的進口速度條件下，進口直管段，固相顆粒的速度沿流向呈階梯狀升高；在弧形區(qū)域處，顆粒速度為6.22～7.55 m/s，且管壁附近平均速度可達6.5 m/s；在出口直管的外側(cè)，顆粒的速度為6.22～8.88 m/s，其中，出口直管和彎管交界外側(cè)處，顆粒的流速達到8 m/s以上；由圖3(b)可知固相顆粒也集中分布在該區(qū)域內(nèi)，速度高的顆粒會加重對管壁的沖擊磨損，因此在弧形彎管的外側(cè)磨損最嚴重。

2.3 磨損量分布

為了更直觀地對比2種彎頭的磨損量，將2種彎頭分成進口直管、彎管和出口直管3部分，分別定義各部分對比點的位置，見圖5、圖6。

圖5 球形彎頭各部分取點位置

結(jié)合固相顆粒速度云圖和點的位置，分別計算2種彎頭在進口直管、彎管、球體、出口直管的磨損量，計算結(jié)果見圖7～圖9。

圖6 弧形彎頭各部分取點位置

圖7 進口直管磨損量

由圖4可知2種彎頭在進口直管處對應(yīng)左端速度分布圖均在4.8～5 m/s，從圖7可以看出在彎頭進口處磨損量均在100×10-14kg左右，其中6點位置球形和弧形彎頭的磨損量相同，可以得出2種彎頭在進口直管的磨損量差異不大，均在100×10-14kg左右，弧形彎頭略高于球形彎頭；主要原因在于速度相同時弧形彎頭的進口直管下側(cè)顆粒分布較多，增大了顆粒對管壁的沖擊。

圖8 彎管磨損量

圖9 出口直管磨損量

由圖8可見，在變向彎管區(qū)域，弧形彎管的最大磨損量為200×10-14kg，球體的最大磨損量為50×10-14kg，弧形彎管的最大磨損量是球體的4倍，通?；⌒螐澒芘c出口直管交界的外側(cè)區(qū)域處會最先被磨穿；圖3(d)梯形彩圖可知弧形彎管在出口直管交界的外側(cè)區(qū)域固相體積比在90%以上，由圖4可知此處的固相速度在6.66m/s以上，因為高速的固相顆粒多分布于此區(qū)域；與之相比，球體最大磨損量出現(xiàn)在直管附近的球壁處。此外，遠離直管的球壁處，磨損量較小且比較均勻，主要原因是由于球壁附近多是低速區(qū)，重力和回流現(xiàn)象的影響使固相顆粒多沉積于此,為球壁形成保護層。

由圖9可見，在出口直管外側(cè)，弧形彎頭的磨損量為(150 ～250)×10-14kg，內(nèi)側(cè)的磨損量低于50×10-14kg，這是由于進入該區(qū)域的高速固相顆粒主要分布在直管外側(cè)的管壁附近，而內(nèi)側(cè)顆粒分布較少且流速低，因而造成外側(cè)管壁比內(nèi)側(cè)管壁的磨損嚴重；與弧形彎頭相比，球形彎頭出口直管的磨損比較均勻，磨損量為(50～100)×10-14kg；因此，弧形彎管的磨損量是球體的2.5～3倍。

3 實踐應(yīng)用

圖10是球形彎頭應(yīng)用于某金礦的實例，該部位采用稀土合金弧形耐磨彎管壽命僅為3個月，球形彎頭現(xiàn)已用10個月，且運行狀況良好。球形彎頭在實際應(yīng)用中也證明了其使用壽命比弧形彎頭長。

圖10 球形彎頭現(xiàn)場使用情況照片

4 結(jié) 語

球形彎頭內(nèi)部的固相顆粒主要分布在球壁附近的低速區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)速度為0.31～2.45 m/s；弧形彎頭的固相顆粒主要分布在弧形彎管和出口直管交界處的外側(cè)區(qū)域，亦是固相流的高速區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)速度為7.10～8.88 m/s，高速的固相流集中的區(qū)域，就是管壁沖擊磨損最嚴重的區(qū)域。在本文的工況下，球形彎頭的最大磨損量為102×10-14kg，磨損最嚴重區(qū)域出現(xiàn)在直管部分，但球壁處的磨損均低于50×10-14kg，弧形彎頭的最大磨損量為253×10-14kg，出現(xiàn)在彎管和進口直管交界處的外側(cè)區(qū)域；球形彎頭的使用壽命是弧形彎頭的2.5～3倍，其中，球體部分是弧形彎管的5倍以上。

[1] 王小強，郭順生.基于Fluent的彎頭結(jié)構(gòu)改進[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2009(2):39-40.

[2] 馬 穎，任 峻，李元東，等.沖蝕磨損研究的進展[J].蘭州理工大學學報，2005(1):21-25.

[3] 陶文銓.數(shù)值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2001.

[4] 張少峰，曹會敏，劉 燕，等.彎管中液固兩相流及壁面碰撞磨損的數(shù)值模擬[J].河北工業(yè)大學學報，2008(3):48-54.

Numerical Simulation and Erosion Prediction of the Two Kinds of Elbow

Liu Peikun Hu Zhaowen Yang Xinghua Zhang Yuekan

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shandong University of Science and Technology)

Numerical simulation was conducted by using multiphase flow Mixture Model and the Erosion Model for 90° spherical elbow and camber elbow, and distribution of velocity, solid phase distribution, and erosion extent in the two elbow are obtained. The results indicated that maximum erosion of spherical elbow occurs near the sphere of straight pipe section, the maximum erosion is 102×10-14kg. High speed solid flow inside the camber elbow mainly distributed in the lateral, the maximum erosion is 253×10-14kg. Service life of the spherical elbow is 2～3 times higher than that of camber elbow by comparison.

Elbow， Multphase flow， Relative erosion extent， Numerical simulation

*青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)重點科技發(fā)展計劃項目(編號：2013-1-60)。

2015-01-08)

劉培坤(1971—)，男，教授，266590 山東省青島市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)前灣港路579號。