油罐內(nèi)壁除銹數(shù)值模擬

王 毅，肖日宏

（武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063）

2015年國(guó)務(wù)院發(fā)布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》關(guān)于加油站地下油罐的要求：加油站地下油罐應(yīng)于2017年底前全部更新為雙層罐或完成防滲池設(shè)置。而對(duì)于完成雙層罐的改造，油罐內(nèi)壁的除銹為首要步驟。

現(xiàn)存的除銹方式有手工除銹、化學(xué)除銹、超聲波除銹、激光除銹、磨料空氣射流除銹、高壓水射流除銹、磨料水射流除銹等，其中，磨料水射流因其打擊力強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

磨料水射流是指在水射流中混入磨料，水將動(dòng)能傳遞給磨料，使磨料保持一個(gè)很高的速度打擊靶面，從而達(dá)到除銹的效果。針對(duì)磨料水射流，薛勝雄、黃汪平等人[1]利用磨料水射流進(jìn)行船舶除銹試驗(yàn)，對(duì)C級(jí)銹板的除銹質(zhì)量可達(dá)到Sa2.5級(jí)，相較于氣動(dòng)噴砂和清水射流除銹，除銹效率更高。劉力紅、曹寒冰[2]模擬了前混合磨料水射流高壓管道流場(chǎng)，采用歐拉多相流模型，得到了不同磨料濃度、高壓管直徑及水流量等參數(shù)的影響。孫可明、張旭[3]等人利用磨料水射流的液固兩相湍流數(shù)學(xué)模型，分析了噴嘴收縮段水和磨料的流動(dòng)，得到了不同內(nèi)錐角的噴嘴、體積分?jǐn)?shù)的磨料對(duì)射流效果的影響。陳林、雷玉勇等人[4]基于Fluent對(duì)后混合磨料水射流進(jìn)行噴嘴內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬，利用高雷諾數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程紊流封閉的數(shù)學(xué)模型和歐拉模型進(jìn)行3種典型的后混合磨料噴嘴形狀混合腔的模擬，得到了后混合磨料水射流存在一個(gè)最優(yōu)圓柱長(zhǎng)度，使磨料出口速度達(dá)到最大值。大多數(shù)文獻(xiàn)均考慮歐拉模型，沒有考慮到磨料顆粒作用于靶面的過程。針對(duì)這一問題，本文以油罐除銹為研究目標(biāo)，從計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，建立CFD數(shù)值模型對(duì)磨料水射流的除銹效果進(jìn)行仿真，從而使實(shí)際除銹過程能實(shí)現(xiàn)較好的除銹效果并兼具良好的經(jīng)濟(jì)性。

1 數(shù)值模型

1.1 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在工程上的應(yīng)用最為廣泛、最為成功。k為流體的湍動(dòng)能，ε為流體的耗散率，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型即求湍動(dòng)能方程和耗散率的方程。該模型忽略分子間黏性力的影響，因此在彎管流動(dòng)中使用會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。本模型磨料水射流不涉及彎管流動(dòng)，因此可選取標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。

1.2 DPM模型

DPM模型是以歐拉-拉格朗日方法為基礎(chǔ)建立的，它把流體作為連續(xù)介質(zhì)，在歐拉坐標(biāo)系內(nèi)加以描述，對(duì)此連續(xù)相求解輸送方程，而把顆粒作為離散體系，通過積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道，可以計(jì)算出這些顆粒的軌道及由顆粒引起的質(zhì)量傳遞。在計(jì)算顆粒的軌道時(shí)，F(xiàn)luent跟蹤計(jì)算顆粒沿軌道的質(zhì)量、動(dòng)量的得到與損失，可在隨后的連續(xù)相的計(jì)算中發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)相影響離散相的目的。同時(shí)，考慮到離散相相對(duì)連續(xù)相的作用，本模型中把水作為連續(xù)介質(zhì)，磨料作為顆粒，水輸送顆粒打擊靶面，因此選取DPM模型可達(dá)到較好的仿真效果。

1.3 噴嘴的選型和網(wǎng)格的劃分

對(duì)于一般的連續(xù)射流，工程上常用的噴嘴有3種，即流線型、圓錐短直線型和圓錐長(zhǎng)直線型。本文噴嘴選取為圓錐短直線型[5]，其幾何參數(shù)有：噴嘴的收縮角α＝13°，噴嘴進(jìn)口直徑D＝6 mm，噴嘴出口直徑d＝1 mm，錐形直線段長(zhǎng)度L1＝21.94 mm，圓柱段長(zhǎng)度L2與噴嘴直徑d的比值為3.

因?yàn)樯淞髁鲃?dòng)是軸對(duì)稱的，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，模型劃分的軸對(duì)稱物理模型及網(wǎng)格如圖1所示。為充分研究流體在流場(chǎng)中的特性，流場(chǎng)設(shè)為長(zhǎng)50 mm、寬20 mm的矩形。由于實(shí)際工作中工作條件的限制，靶距選取為20 mm，磨料種類選取常用磨料石英砂，其密度為2 650 kg/m3，磨料與水的混合方式選取前混合[6]。

圖1 軸對(duì)稱物理模型及網(wǎng)格

1.4 除銹作用力分析

磨料射流破壞時(shí)，材料的破壞首先從表面開始，具有動(dòng)能的水射流攜帶磨料打擊破壞材料，并將其能量傳遞給材料，這種能量足夠克服銹層微粒間的結(jié)合能，通過機(jī)械應(yīng)力破壞其結(jié)合力。油罐的銹層屬于堅(jiān)硬而脆的附著物，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于銹層的抗拉強(qiáng)度，其拉伸破壞為磨料水射流除銹的首要破壞因素。因此，靶面所受到的壁面剪切力（Wall Shear Stress）及磨料對(duì)靶面的沖蝕磨損率（DPM Erosion Rate）是衡量除銹效果的主要因素。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同射流壓力對(duì)射流特性的影響

對(duì)除銹噴嘴的射流入口壓力進(jìn)行7種工況（10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa、60 MPa、70MPa）的數(shù)值模擬，磨料數(shù)量、網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量和質(zhì)量、邊界條件和求解參數(shù)均保持不變，據(jù)此分析射流入口壓力的變化對(duì)靶面剪切力和沖蝕磨損率的影響。圖2為30 MPa下靶面徑向剪切力的分布曲線，圖3為不同入口射流壓力下靶面所受的最大壁面剪切力和沖蝕磨損率。

由圖2可知，壁面剪切力在射流中心點(diǎn)周圍呈雙峰曲線形式（關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱），從周圍最大剪切力區(qū)域至射流中心，剪切力迅速減小至零。在最大剪切力區(qū)域之外，隨著與射流中心距離的越來越大，剪切力的數(shù)值越來越小。因此可以認(rèn)為磨料水射流除銹時(shí)存在一個(gè)核心作用區(qū)。

由圖3可知，壁面最大剪切力隨著射流壓力的增加而增加，而沖蝕磨損率為單峰曲線，在30 MPa時(shí)為最大值。壁面最大剪切力在增加相同的射流壓力時(shí)增量在30 MPa時(shí)最大。因此，對(duì)于前混合磨料水射流，入口射流壓力為30 MPa時(shí)除銹效果較好，靶面所受的最大剪切力為0.08 MPa左右，沖蝕磨損率為 2.25×10-8kg/（m2·s）。

2.2 不同磨料數(shù)量對(duì)射流特性的影響

在DPM模型中設(shè)置不同的磨料顆粒數(shù)量，射流入射壓力、網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量和質(zhì)量、模型的邊界條件和求解參數(shù)設(shè)置均相同，從而得到不同的磨料數(shù)量（15，30，45，60，75）工況的數(shù)值模擬，據(jù)此分析不同磨料數(shù)量對(duì)靶面最大剪切力和沖蝕磨損率的影響。圖4為不同磨料數(shù)量下靶面所受的最大剪切力和沖蝕磨損率。

圖2 靶面的徑向剪切力分布

圖3 不同射流壓力下的最大剪切力及壁面磨損率

圖4 不同磨料數(shù)量下靶面的最大剪切力和沖蝕磨損率

由圖4可知，隨著磨料數(shù)量的增加，壁面最大剪切力基本保持不變，壁面沖蝕磨損率隨著磨料數(shù)量的增加近似呈線性增長(zhǎng)。但由于實(shí)際工況中泵機(jī)輸送管道的直徑限制和噴嘴直徑的限制，出現(xiàn)了磨料堵塞輸送管道，帶來泵機(jī)的損壞。因此根據(jù)泵機(jī)輸送管道的規(guī)格選擇磨料數(shù)量45的工況可帶來較好的除銹效果和經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)論

本文針對(duì)前混合磨料水射流對(duì)油罐內(nèi)壁除銹效果進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，探究磨料水射流工作壓力及磨料數(shù)量對(duì)除銹效果的影響，以壁面剪切力和DPM沖蝕磨損率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到以下結(jié)論：①磨料水射流打擊靶面除銹的最大剪切力不在靶面的中心點(diǎn)，其存在一個(gè)核心作用區(qū)，在此核心作用區(qū)內(nèi)可達(dá)到較好的除銹效果。②隨著磨料水射流入口射流壓力的增加，靶面最大剪切力隨之增加，靶面沖蝕磨損率在30 MPa時(shí)為最大值，在30 MPa射流壓力下，其除銹效率相較于20 MPa射流壓力提高了93%.③隨著磨料數(shù)量的增加，靶面沖蝕磨損率隨之增加，靶面最大剪切力基本保持不變。此時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況條件合理安排磨料數(shù)量，以達(dá)到除銹要求和較好的經(jīng)濟(jì)性。