應(yīng)用DPM方法模擬計(jì)算排泥管道及法蘭連接處的磨損率①

黃 思 何 婧 周錦駒 何東萍 彭天陽(yáng)

(1. 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院；2. 中交廣州航道局有限公司)

應(yīng)用DPM方法模擬計(jì)算排泥管道及法蘭連接處的磨損率①

黃 思1何 婧1周錦駒2何東萍2彭天陽(yáng)2

(1. 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院；2. 中交廣州航道局有限公司)

為探索固液兩相流對(duì)管道和法蘭連接處的磨損規(guī)律，選取常規(guī)的兩段管徑為0.7m的水平排泥管道和一個(gè)連接法蘭段作為研究對(duì)象，運(yùn)用多相流的離散相模型和半經(jīng)驗(yàn)的磨損模型對(duì)法蘭連接在平順、凸出和凹進(jìn)3種情況下進(jìn)行管道固液兩相流動(dòng)和磨損率計(jì)算。計(jì)算得出來(lái)流速度為5.0m/s，來(lái)流固相體積率為3%～27%，固相密度為1 300～2 300kg/m3，固相粒徑不大于0.2mm。計(jì)算得到了在不同的法蘭連接狀況下，管道和法蘭的最大磨損位置和平均磨損率，得到了平順狀況下管道和法蘭連接處磨損率與固相顆粒比重、顆粒體積率的關(guān)系。

排泥管道 法蘭 磨損 離散相模型

排泥管道一般用于航道疏浚、湖泊清淤、河床取土施工中將泥漿輸送到指定地點(diǎn)，管道每間隔一段由法蘭連接。因制造加工和安裝的問(wèn)題，在管道法蘭連接處存在凸出或凹進(jìn)等不平順的情況，造成管道阻力和磨損增加。因此，考察固液兩相流對(duì)管道和法蘭連接處的磨損規(guī)律，探索減少管道磨損的措施，具有重要的社會(huì)意義和工程應(yīng)用價(jià)值[1，2]。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者分別對(duì)管道設(shè)備進(jìn)行了固液兩相流磨損實(shí)驗(yàn)，但由于固體顆粒磨損機(jī)理的復(fù)雜性，至今尚未有一個(gè)通用的材料磨損計(jì)算公式[3～6]。筆者采用多相流的拉格朗日方法，運(yùn)用Ansys-Fluent軟件的離散相模型(Discrete Phase Model，DPM)結(jié)合Tulsa大學(xué)的顆粒磨損模型，分別在法蘭平順、凸出和凹進(jìn)3種連接情況下，進(jìn)行管道固液兩相流的數(shù)值計(jì)算，旨在得到管道磨損的一般規(guī)律。

1 計(jì)算模型和方法

1.1 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

選取常規(guī)的兩段水平管道(內(nèi)徑D=0.7m，每段管長(zhǎng)L=6.0m)和一個(gè)連接法蘭(墊圈厚度為5mm)作為研究對(duì)象，其中管道法蘭連接處分為平順、凸出、凹進(jìn)3種情況，凸出和凹進(jìn)的內(nèi)徑分別為0.696、0.704m。分別構(gòu)造上述流體計(jì)算域的三維模型，將計(jì)算域模型導(dǎo)入ICEM軟件中進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格劃分，得到如圖1所示的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元，計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)為150萬(wàn)以上，網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)Skewness值均小于0.90，滿足計(jì)算精度要求。在計(jì)算域中設(shè)置重力加速度9.81m/s2，方向與管道流動(dòng)方向垂直。

a. 管道外觀

b. 凸出(左：橫截面；右：中心剖面法蘭連接處局部)

c. 凹進(jìn)(左：橫截面；右：中心剖面法蘭連接處局部)

1.2 介質(zhì)參數(shù)和工藝參數(shù)

計(jì)算使用的介質(zhì)和工藝操作參數(shù)見表1，其中水是連續(xù)相，固體顆粒是離散相。固液兩相流動(dòng)是等溫過(guò)程，無(wú)相變發(fā)生。為簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)定顆粒為球形。

1.3 計(jì)算方法

采用多相流的拉格朗日方法，運(yùn)用Ansys-Fluent軟件的DPM模型計(jì)算管內(nèi)的固液兩相流。固體顆粒對(duì)材料的磨損值Er一般可表示為：

表1 固液介質(zhì)物性及操作參數(shù)

(1)

式中C(dp)——顆粒粒徑、硬度和形狀的函數(shù)；

E——磨損率；

vp——粒子撞擊速度。

對(duì)于式(1)中的磨損率E，許多學(xué)者提出了各自的磨損計(jì)算模型，較經(jīng)典的有Finnie模型[7]和Tabakoff模型。Tulsa大學(xué)磨蝕研究中心提出的磨損模型[8]是文獻(xiàn)中使用較多的模型，筆者運(yùn)用該模型進(jìn)行管道表面的磨損計(jì)算。對(duì)于碳鋼來(lái)說(shuō)：

E=Af(α)vp1.73B-0.59

(2)

(3)

其中，A是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，A=1.95×10-5，B是鋼材的布氏硬度；X=3.147×10-9，Y=3.609×10-10，Z=2.532×10-9。對(duì)于濕潤(rùn)表面：a=-3.84×10-8，b=2.27×10-8。計(jì)算軟件的DPM模塊目前僅適用于小粒徑顆粒相(dp≤0.2mm)的情形，但從文獻(xiàn)結(jié)果來(lái)看，不同粒徑顆粒對(duì)管道磨損率分布的影響差異不明顯，且磨損率基本在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，因此使用小粒徑顆粒的磨損計(jì)算所得結(jié)果仍具有一定的參考價(jià)值。設(shè)置非穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)Δt=1ms，通過(guò)監(jiān)測(cè)計(jì)算域固液兩相流態(tài)的穩(wěn)定程度判斷計(jì)算是否結(jié)束。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 固液兩相流管道磨損率

圖2為計(jì)算得到的在一般工況(來(lái)流速度5.0m/s，顆粒體積率30%，粒徑0.2mm)下流動(dòng)穩(wěn)定后管道底部表面的磨損率云圖。由于固體顆粒均勻釋放進(jìn)入管道后需要一段距離(約3m)才開始進(jìn)入正常的流動(dòng)狀態(tài)，因此在圖2中僅關(guān)注管道入口3m后(點(diǎn)劃線右側(cè))的磨損情況。由圖可見，因固體顆粒的沉降，管道底部磨損率較大，當(dāng)法蘭連接為非正常的情況(凸出和凹進(jìn))下，第2節(jié)管道的磨損相對(duì)明顯一些。

圖2 管道底部表面的磨損率云圖

為考察管道表面的具體磨損情況，圖3給出了后處理得到的單元管道表面平均磨損率E。由圖3可見，在平順、凸出和凹進(jìn)的3種場(chǎng)合，管道表面平均磨損率E分別是6.20×10-6、6.48×10-6、6.54×10-6kg/m2·s，相對(duì)于平順場(chǎng)合，凸出和凹進(jìn)情況下管道表面平均磨損率分別增加了4.3%和5.2%。

圖3 管道表面的平均磨損率

2.2 固液兩相流法蘭磨損率

圖4為計(jì)算得到的上述工況下法蘭連接處的表面磨損率云圖。由圖可見，最大磨損率均出現(xiàn)在底部位置，在連接處凸出的情況下最大磨損率發(fā)生在前臺(tái)階(圖4a)，在凹進(jìn)的情況下最大磨損率發(fā)生在后臺(tái)階(圖4b)。

圖4 法蘭連接處最大磨損位置

為考察法蘭連接處的具體磨損情況，圖5分別給出了后處理得到的法蘭連接處平均磨損率E結(jié)果。由圖5可見，在平順、凸出和凹進(jìn)的3種場(chǎng)合，法蘭連接處平均磨損率E分別是4.45×10-6、1.25×10-5、1.01×10-5kg/m2·s，相對(duì)于法蘭連接處平順的場(chǎng)合，凸出和凹進(jìn)情況下法蘭連接處平均磨損率分別增加了64.4%、55.9%。

圖5 法蘭連接處的平均磨損率

2.3 固體顆粒來(lái)流參數(shù)的影響規(guī)律

2.3.1 固體顆粒比重

圖6給出了在法蘭平順場(chǎng)合，不同固體顆粒比重情況下，顆粒(來(lái)流速度5.0m/s，顆粒體積率27%，粒徑0.2mm)在管道表面和法蘭連接處造成的平均磨損率E結(jié)果曲線。由圖可見，隨著顆粒比重的增大，管道材料和法蘭連接處的磨損量均有所增加。

圖6 顆粒比重對(duì)磨損率的影響

2.3.2 顆粒來(lái)流體積率

圖7給出了在法蘭平順場(chǎng)合，不同顆粒體積率來(lái)流情況下，顆粒(來(lái)流速度5.0m/s，顆粒密度2 300kg/m3，粒徑0.2mm)在管道表面和法蘭連接處造成的平均磨損率E結(jié)果曲線。由圖可見，隨著來(lái)流中固體體積率的增大，管道材料和法蘭連接處的磨損量均有所增加。

圖7 來(lái)流顆粒體積率對(duì)磨損率的影響

3 結(jié)論

3.1 在所給定的邊界條件(來(lái)流速度5.0m/s，來(lái)流固相體積率3%～27%，固相密度1 300～2 300kg/m3，粒徑不大于0.2mm)下，因固體顆粒的沉降沖刷，一般在管道底部出現(xiàn)較大的磨損率。

3.2 在法蘭連接處非平順的場(chǎng)合，管道表面平均磨損率預(yù)計(jì)增加5%左右，而法蘭連接處自身的磨損率增加量更為明顯。

3.3 顆粒比重和來(lái)流顆粒體積率的增加也會(huì)使管道材料和法蘭連接處的磨損量有所增加。

[1] 鄭文.潛式排泥管道的工藝規(guī)則[J].中國(guó)修船，2003，16(3)：31～33.

[2] 黃寶元，張偉嬌，陶岳杰.疏浚排泥管道磨損研究及開發(fā)方向[J].廣東化工，2012，39(6)：310～312.

[3] 鄧軍，楊永全，沈煥榮，等.水流含沙量對(duì)磨蝕的影響[J].泥沙研究，2000，(4)：65～68.

[4] 曹連喜.論固體物料水力輸送中的管道磨損[J].有色金屬(礦山部分)，1997，(4)：19～22.

[5] 謝翠松，段文忠，謝葆玲，等.水輪機(jī)沙粒磨損問(wèn)題研究[J].湖北水力發(fā)電，2002，(1)：37～40.

[6] Karimi A，Schmid R K.Ripple Formation in Solid-Liquid Erosion[J].Wear，1992，156(1)：33～47.

[7] Finnie I.Some Observations on the Erosion of Ductile Metals[J].Wear，1972，19(1)：81～90.

[8] Ahlert K R.Effects of Particle Impingement Angle and Surface Wetting on Solid Particle Erosion on ANSI 1018 Steel[D]. Tulsa：University of Tulsa，1994.

2016-03-15，

2016-11-03)

浙江豐利炭黑粉碎生產(chǎn)線持續(xù)熱銷

目前我國(guó)90%以上的炭黑是用油爐法工藝生產(chǎn)，該工藝因粉塵污染等問(wèn)題，使炭黑生產(chǎn)行業(yè)一直難以擺脫“黑”時(shí)代。針對(duì)這一狀況，國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)——浙江豐利粉碎設(shè)備有限公司組織科研人員進(jìn)行攻關(guān)，吸收消化國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)再創(chuàng)新，自主成功研發(fā)新款粉碎設(shè)備，用機(jī)械研磨的物理方法，對(duì)炭黑進(jìn)行粉碎，由集料器、脈沖及風(fēng)機(jī)等配套裝置對(duì)粉碎后的物料進(jìn)行收集，然后用機(jī)械沖擊的方法對(duì)物料進(jìn)行表面包覆改性，提高其分散性，得到滿足使用要求的改性炭黑。整套設(shè)備運(yùn)用“超微粉碎-改性”一體化生產(chǎn)工藝，解決了炭黑生產(chǎn)的粉塵污染問(wèn)題，使整個(gè)產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中清潔環(huán)保。整套流程采用自動(dòng)控制，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，提高了生產(chǎn)效率，從而降低了生產(chǎn)成本。

該生產(chǎn)線已被國(guó)內(nèi)炭黑主要生產(chǎn)企業(yè)采用，熱銷日本、泰國(guó)等東南亞市場(chǎng)。

(吳紅富)

浙江豐利熱線0575-83105888、83100888、83185888、83183618

豐利網(wǎng)址www.zjfengli.com

CalculatingAbrasionRateattheJointbetweenSludgePipelineandFlangeBasedonDiscretePhaseModelMethod

HUANG Si1, HE Jing1, ZHOU Jin-ju2, HE Dong-ping2, PENG Tian-yang2

(1.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology; 2.CCCCGuangzhouDredgingCo.,Ltd.)

For purpose of discovering the rule of abrasion that solid-liquid flow incurs at the pipeline and flange joint, having two horizontally-arranged sludge pipes with 0.7m diameter and a connecting flange selected for the study was implemented, including making use of discrete phase model (DPM) and semi-empirical erosion model to calculate the abrasion rate at the flange connections where smooth, convex and concave situations appear respectively. The calculation results show that, the inflow velocity calculated can be 5.0m/s with 3% to 27% for the inlet solid volume rate, and the solid density ranges from 1 300 to 2 300kg/m3with the solid particle diameter less than 0.2mm; and the position at maximum erosion and average erosion ratio under various flange connections can be obtained, including the relationship between erosion ratio and solid density and particle volume ratio at smooth conditions.

sludge pipeline, flange, abrasion, discrete phase model

黃思(1962-)，教授，從事流體機(jī)械的教學(xué)與科研工作，huangsi@scut.edu.cn。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2017)01-0069-04