模擬分析小顆粒對(duì)T型管的沖蝕

梁金川　鄧又文　胡彪

摘要：T型管道在天然氣輸送中較為常見的管件，氣體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)流向會(huì)發(fā)生改變導(dǎo)致氣體直接沖擊管壁，此時(shí)氣體內(nèi)夾帶的微小顆粒也會(huì)沖擊管壁，形成沖蝕降低管道輸送的安全性。為了充分了解顆粒對(duì)管壁沖蝕影響，以兩端為入口，一端為出口的T型管為研究對(duì)象，利用FLUENT模擬不同流速下產(chǎn)生的沖蝕情況。在T型管的一個(gè)入口端注入小顆粒并且保持人口條件不變，另外一個(gè)入口端不加顆粒而改變氣體的速度來(lái)觀察產(chǎn)生沖蝕的情況。結(jié)果顯示改變無(wú)顆粒進(jìn)氣端的速度會(huì)對(duì)沖蝕的位置產(chǎn)生影響，同時(shí)沖蝕的程度也會(huì)產(chǎn)生一些變化。對(duì)比分析在不同氣體流速下管道內(nèi)壓力云圖、速度云圖和流線圖，來(lái)揭示顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)而說(shuō)明氣體流速對(duì)于顆粒對(duì)于管壁沖蝕的影響。為實(shí)際生產(chǎn)中確定管道危險(xiǎn)位置提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：T型管；天然氣管道；管道沖蝕；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TQ 832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-0460（2017）01-0145-04

天然氣在我們生活的能源消費(fèi)者占得比重越來(lái)越大，預(yù)計(jì)2030年前，天然氣將在一次能源消費(fèi)中與煤和石油并駕齊驅(qū)。這充分說(shuō)明了天然氣工業(yè)發(fā)展的重要性，降低天然氣輸送的安全隱患是保證天然氣工業(yè)健康發(fā)展的基礎(chǔ)。天然氣在管輸過(guò)程中流速一般會(huì)很高，因?yàn)橛薪饘傥⑿己突覊m顆粒等存在會(huì)對(duì)管壁形成沖擊磨損，給天然氣輸送管線和特殊管件帶來(lái)安全隱患。前人針對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了一些研究，探究產(chǎn)生沖蝕的機(jī)理和影響沖蝕的因素。曾涌捷針對(duì)天然氣管道彎頭處的沖蝕情況進(jìn)行了研究，他利用CFD模擬研究彎頭的沖蝕失效機(jī)理，并通過(guò)分析彎頭處的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)指出彎頭大弧面處為危險(xiǎn)截面。張林等人通過(guò)建立天然氣管道氣固兩相的流動(dòng)方程，利用數(shù)值模擬的方法來(lái)分析求解氣固混合物沖蝕能量，利用能量的變化規(guī)律來(lái)分析沖蝕的機(jī)理。從前然研究的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)影響管道沖蝕的因素很多，其中管道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是影響管道沖蝕的一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。目前針對(duì)天然氣管道中T型管件沖蝕的研究還不太多同，為此，利用FLUENT模擬T型管內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)，通過(guò)模擬結(jié)果來(lái)分析沖蝕與顆粒運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，為生產(chǎn)中消除相應(yīng)的安全隱患提供參考依據(jù)。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

T型管的幾何模型見圖1，直徑/9=-35mm，為了消除入口端的影響取L₁=350mm，L₂=700mm。兩個(gè)為入口端，在入口2添加一定量的顆粒物，入口1不添加顆粒物但改變此入口的速度，看其對(duì)入口2進(jìn)入的顆粒對(duì)避免沖蝕的影響。利用Designmodeler建立的三維模型，然后利用ICEM CFD劃分網(wǎng)格圖2所示網(wǎng)格個(gè)數(shù)為58765個(gè)，通過(guò)網(wǎng)格的質(zhì)量分析，網(wǎng)格質(zhì)量統(tǒng)計(jì)顯示都在0.4以上說(shuō)明網(wǎng)格質(zhì)量很好。

2 數(shù)學(xué)模型

管道內(nèi)流體的流動(dòng)滿足連續(xù)性方程與動(dòng)量守恒方程。FLUENT的揣流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)模型。計(jì)算沖蝕率我們采用FLUENT中內(nèi)置的模型，沖蝕率為：式中：C（d_p）-顆粒粒徑函數(shù)；

α-顆粒路徑與壁面間沖擊角；

f（a）-沖擊角函數(shù)；

v-顆粒相對(duì)速度；

b（v）-顆粒相對(duì)速度函數(shù)；

A_face-壁面面積。

邊界條件的設(shè)置為：入口1位速度入口，湍流強(qiáng)度采用Intensity and Hydraulic Diameter方式設(shè)置，Intensity=5%，Hydraulic Diameter=-0.35m。入口2頁(yè)采用入口1相同的設(shè)置。出口設(shè)置為壓力出口，湍流強(qiáng)度頁(yè)采用入口1一樣的設(shè)置方法。離散相模型的設(shè)置為：壓力與速度采用Coupled耦合方案，控制方程采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。天然氣的密度設(shè)置為0.717kg/m³，動(dòng)力粘度為1.7894e^-5Pa·s，固體顆粒的密度為2000kg/m³，選擇微粒的形狀為球形，直徑為10μm，顆粒的入口速度為10m/s。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同入口速度下的沖蝕模擬結(jié)果

保證入口2入口速度為10m/s和出口的條件不變，分別設(shè)置入口1的速度為5、10、20和30m/s，觀察管壁的沖蝕結(jié)果。結(jié)果如圖3所示（a：5m/s、b：10m/s、c：20m/s、d：30m/s）：

從模擬結(jié)果我們可以看出隨著入口1的速度改變，管壁沖蝕的位置也發(fā)生了變化。入口速度越大，沖蝕位置越往出口方向移動(dòng)。在管壁上形成的沖蝕的形狀也發(fā)生了變化，在5m/s和10m/s的入口速度下，沖蝕形成的形狀為較為均勻的橢圓形；在20m/s和30m/s的入口速度下，沖蝕形成的形狀為噴射狀靠近入口1的方向不在有沖蝕。但是從最大沖蝕率來(lái)分析，沖蝕率并不隨入口1的速度單調(diào)變化，在入口速度為5m/s時(shí)最大沖蝕為2.14e^-6，在入口速度為10m/s時(shí)最大沖蝕為2.12e^-6，在入口速度為20m/s時(shí)最大沖蝕率達(dá)到了3.14e^-6，在入口速度為30m/s時(shí)最大沖蝕為2.86e^-6。從沖蝕率的計(jì)算公式可以看出，其受多個(gè)變量的控制，當(dāng)入口1的流速變化時(shí)會(huì)改變顆粒沖擊壁面的角度和顆粒與管壁接觸的面積進(jìn)而影響沖蝕率。

3.2 不同入口速度下T型管內(nèi)的流場(chǎng)

為了分析在T型管內(nèi)產(chǎn)生上述沖蝕結(jié)果，分別對(duì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)沖蝕結(jié)果的流場(chǎng)進(jìn)行分析。主要分析T型管內(nèi)的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和流線情況。如圖4（a：5m/s、b：10m/s、c：20m/s、d：30m/s）為T型管內(nèi)的壓力場(chǎng)分布。

為了分析在T型管內(nèi)產(chǎn)生上述沖蝕結(jié)果，分別對(duì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)沖蝕結(jié)果的流場(chǎng)進(jìn)行分析。主要分析T型管內(nèi)的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和流線情況。如圖5（a：5m/s、b：10m/s、c：20m/s、d：30m/s）為T型管內(nèi)的壓力場(chǎng)分布。從壓力場(chǎng)云圖可以看出在三管交接處或形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，從模擬結(jié)果可以看出當(dāng)入口1流速為30m/s時(shí)，負(fù)壓區(qū)的壓力最低。當(dāng)入口2流速為10m/s時(shí)負(fù)壓區(qū)的壓力最高。這說(shuō)明兩個(gè)入口速度越接近形成的負(fù)壓區(qū)壓力會(huì)較高。

為了更加更加清楚的分析微粒的運(yùn)動(dòng)，我們從管道內(nèi)的速度云圖和流線圖來(lái)分析，如圖5所示（a：5m/s、b：10m/s、c：20m/s、d：30m/s）。從速度云圖和流線圖我們可以看到在三管交接處會(huì)有漩渦的形成，同時(shí)入口1處的速度越大在交界處的下壁面處形成的流速越大，這樣會(huì)降低從入口2進(jìn)入的顆粒到達(dá)壁面概率同時(shí)改變顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，使在管道下壁面產(chǎn)生沖蝕的位置發(fā)生改變。

4 結(jié)論

利用FLUENT對(duì)兩入口一出口的T型管道墨香內(nèi)的流場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，保證攜帶有顆粒的入口的速度不變，改變另外一個(gè)入口的速度，看其對(duì)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響。著重分析流速的改變對(duì)管壁沖蝕產(chǎn)生的影響。

1）天然氣在管道內(nèi)輸送過(guò)程中，其夾帶的金屬顆?；蛭捶蛛x干凈的固相顆粒因?yàn)楦咚倭鲃?dòng)會(huì)對(duì)管壁產(chǎn)生較大的沖蝕磨損。尤其是在流向發(fā)生變化的地方，沖蝕會(huì)更加嚴(yán)重，需要在生產(chǎn)中特別注意。

2）在T型管這種特殊的管件中，沖蝕磨損更加嚴(yán)重，如果有兩個(gè)入口端盡量保持兩個(gè)入口端的速度接近以降低沖蝕的影響。但是對(duì)于實(shí)際問(wèn)題還需考慮顆粒和管壁的特性。

3）在長(zhǎng)距離管輸天然氣中盡量減少T型管和彎頭的使用，因?yàn)檫@些部位會(huì)受到管流的直接沖擊，沖蝕損傷較一般直管段會(huì)成倍增加。