彎管處液固兩相流體流場數(shù)值模擬研究

周三平，艾 輪

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

彎管處液固兩相流體流場數(shù)值模擬研究

周三平，艾 輪

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

摘 要：運用Fluent中的DPM模型對含有少量顆粒的流體進入彎管處引起的沖蝕進行了數(shù)值模擬，分析流體流速和沙比對彎管處沖蝕的影響。結(jié)果表明，彎管處外側(cè)是沖蝕速率最大的的地方，且最大沖蝕速率隨進口流體速率和沙比的增大而增大。進口直管段和出口直管段沖蝕較小且較為均勻，出口段略大于進口段，流速和沙比對這兩段的影響很小。

關(guān)鍵詞：彎管；沖蝕；數(shù)值模擬；兩相流

沖蝕磨損是指材料受到小而松散的流動粒子沖擊時表面出現(xiàn)破壞的一類磨損現(xiàn)象，在過程工業(yè)中廣泛存在，是設(shè)備和管道破壞的重要原因之一［1］。彎管由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，更是沖蝕破壞的重災(zāi)區(qū)［2］，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。對彎管沖蝕的研究也是方興未艾，概括起來基本集中在兩個方向，一是通過理論解析和試驗研究的方法對彎管彎曲的機理進行研究［3-10］，另一個是通過數(shù)值模擬的方法對彎管質(zhì)量缺陷進行研究并改進工藝［11-13］。

本文利用計算流體力學(xué)數(shù)值的模擬軟件Fluent，研究了120°彎管在不同流速和不同沙比（流體中顆粒的百分數(shù)）時對沖蝕的影響。

1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

模型中采用的彎管直徑為20mm，彎管角度為120°，曲率半徑30mm。為了克服入口端面效應(yīng)的影響，進口段直管長度取為管徑的5倍即100 mm，考慮到彎管后顆粒的流動情況比較復(fù)雜，取管徑的10倍即200mm。彎管模型網(wǎng)格劃分采用的是掃掠的方法，節(jié)點數(shù)185717，單元數(shù)176100，生成結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格如圖1所示。

2 數(shù)值模擬采用的方法以及數(shù)學(xué)模型

2.1 流體流動模型

彎管內(nèi)流體流動不可避免地要遵循流體流動的連續(xù)性方程和動量守恒方程，分別如式（1）、（2）所示。

圖1 彎管網(wǎng)格圖

其中，r為流體密度，p是靜壓，τij是應(yīng)力張量，gi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力（這里是顆粒相互作用產(chǎn)生的升力）。在此，不考慮重力和外部體積力的影響。

2.2 多相流模型

在此，假設(shè)流體中沙石的體積分率為10%，由于體積分率較低，考慮顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分數(shù)對連續(xù)相的影響等較弱，因此可以采用離散項模型（DPM）。該模型主要考慮流體曳力、升力、湍流脈動等作用對顆粒軌跡的影響，能夠較為清楚地追蹤到顆粒的運動細節(jié)，而對顆粒與顆粒之間的相互作用以及顆粒連續(xù)相的作用則沒有考慮。

2.3 沖蝕模型

在所有的壁面均可以監(jiān)視顆粒的沖蝕與沉積情況。沖蝕速率可以用式（3）計算。

2.4 邊界條件

連續(xù)相為水，水的密度為1000kg·m-3。入口邊界采用速度入口，入口速度為1m·s-1，出口采用outflow，壁面施加無滑移固壁的邊壁條件。離散相為石英沙，簡化為球狀顆粒，顆粒密度為2800kg·m-3，采用面射流源的方法，射入速度同水。壁面采用彈射性壁面條件，入口和出口采用逃逸邊界條件?？刂品匠探M采用Quick差分格式，壓力速度耦合選擇SIMPLE算法。數(shù)值模擬時，在運用二階k-ε湍流模型收斂以后，創(chuàng)建離散相噴射源，再運用隨即軌道模型進行耦合流動求解。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 速度對彎管沖蝕的影響

為了考察速度對彎管沖蝕的影響，采用計算流體力學(xué)軟件Fluent，固定沙比10%，分別模擬了入口速度等于0.5m·s-1、1m·s-1、1.5m·s-1、2m·s-1、2.5m·s-1、3m·s-1等6種不同流速下的彎管沖蝕情況。限于篇幅，在此示出了速度等于0.5m·s-1、1m·s-1、1.5m·s-1的3幅沖蝕圖（圖2）。由圖2可見，由于慣性作用，沙石顆粒沖擊彎管處外側(cè)，使得該處沖蝕嚴重，而且隨流體速度的增大，沖蝕速率增大。將彎管處的最大沖蝕速率隨速度的變化描成曲線如圖3所示。由圖3可見，隨流體入口速度的增大，彎管處外側(cè)的最大沖蝕速率增大。入口速度對入口直管段和出口直管段的沖蝕速率大小影響不明顯。

圖2 不同流速下流體中的顆粒對彎管的沖蝕速率云圖

圖3 不同速度時的彎管最大沖蝕速率

3.2 沙比對彎管沖蝕的影響

采用同樣的方法，固定流體入口速度1m·s-1，分別模擬了沙比等于1%、2%、4%、5%、6%、8%、10%、12%、15%時彎管的沖蝕。限于篇幅，在此只示出了沙比分別等于5%、10%、15%時的沖蝕速率云圖，如圖4所示。由圖4可見，由于慣性作用，沙石顆粒沖擊彎管處外側(cè)，使得該處沖蝕嚴重，而且隨沙比的增大，沖蝕速率增大。將彎管處的最大沖蝕速率隨沙比的變化描成曲線，如圖5所示。由圖5可見，隨沙比的增大，彎管處外側(cè)的最大沖蝕速率增大。不同的沙比對入口直管段和出口直管段的沖蝕速率大小幾乎不影響。

圖4 不同沙比對彎管的沖蝕速率云圖

圖5 不同沙比時的彎管最大沖蝕速率

分析還可以發(fā)現(xiàn)，不同的速度和沙比，入口直管段的沖蝕速率都比較小且均勻。出口直管段沖蝕速率比入口直管段大一些，離開彎管處一段距離以后，沖蝕也變得比較均勻，但是沖蝕速率要比入口直管段要大。

4 結(jié)論

1）在不同的速度和不同的沙比下，入口直管段和出口直管段的沖蝕都比較均勻，且出口直管段的沖蝕速率大于入口直管段的沖蝕速率。彎管處外側(cè)沖蝕最嚴重，是沖蝕速率最大的區(qū)域。

2）流體入口速度大小對入口直管段和出口直管段沖蝕速率的影響很小，對彎管處外側(cè)的沖蝕速率影響很大，且流體入口速度越大，彎管處外側(cè)沖蝕速率越大。

3）沙比對入口直管段和出口直管段沖蝕速率的影響很小，幾乎可以忽略，對彎管處外側(cè)的沖蝕速率影響很大，且沙比越大，彎管處外側(cè)沖蝕速率越大。

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中圖分類號：TQ 018

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9905（2016）01-0039-03

作者簡介：周三平，西安石油大學(xué)教授，研究方向：化工過程機械

收稿日期：2015-11-29

Numberical Simulation of Liquid-solid Two-phase Fluid of Tube Bending

ZHOU San-ping， AI Lun
（Xi'an Shiyou University， Xi'an 710065， China）

Abstract：The erosion of tube bending in the line was very serious. DPM software was applied to simulate the erosion which caused by flows with a small amount of particles into tube bending. The influence of velocity and aggregate on the erosion of tube were discussed. The results showed that the erosion velocity at the tube bending region was the highest， and the maximum rate of erosion increased with velocity and aggregate. The erosion of access regions and outlet regions were smaller and more uniform， access regions were slightly serious than outlet regions， and velocity and aggregate had little effect on these two regions.

Key words：tube bending； erosion； simulate