基于Ansys Fluent及正交試驗(yàn)的90°彎管沖蝕影響因素分析

魯劍嘯

摘? ? ? ?要：管道系統(tǒng)在物料運(yùn)輸過程中，受固體顆粒的沖蝕，常導(dǎo)致管道彎頭失效。應(yīng)用Ansys Fluent軟件進(jìn)行90°彎管沖蝕模擬，得出入口流速、顆粒質(zhì)量流量、顆粒粒徑、管道直徑、彎徑比均會(huì)影響90°彎管沖蝕率。采用正交試驗(yàn)方法分析得到?jīng)_蝕影響因素主次順序?yàn)椋喝肟诹魉?顆粒質(zhì)量流量>彎徑比>管道直徑>顆粒粒徑;通過方差分析得出，入口流速、顆粒質(zhì)量流量對(duì)彎管沖蝕率的影響高度顯著，入口流速、顆粒質(zhì)量流量、顆粒粒徑間交互作用不顯著。

關(guān)? 鍵? 詞：彎管;沖蝕率;交互作用;正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TG 174.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2019）09-2102-05

Abstract： The pipe elbow is often damaged due to the erosion of solid particles during material transportation.The Ansys Fluent software was used to simulate the 90° elbow erosion.It was found that inlet velocity，particle mass flow rate， particle diameter， pipe diameter and ratio of bending radius to diameter all affected the erosion rate of 90° elbow.By orthogonal experiment， it was concluded that the primary and secondary order factors of various erosion influencing factors were as follows： inlet velocity>particle mass flow rate> ratio of bending radius to diameter> pipe diameter>particle diameter. Through the analysis of variance， it was concluded that the effect of inlet velocity and particle mass flow rate was significant， and the interaction between inlet velocity， particle mass flow rate and particle diameter was not significant.

Key words： Elbow; Erosion rate; Interaction; Orthogonal experiment

管道系統(tǒng)在油品輸送、油氣田開發(fā)過程中應(yīng)用廣泛，但是在管道輸送過程中，管道內(nèi)的流動(dòng)介質(zhì)會(huì)對(duì)管道內(nèi)壁不斷沖刷腐蝕，彎頭處流體流向的改變更是加劇了沖蝕破壞程度。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)彎頭沖蝕進(jìn)行了大量研究，彭文山等[1]研究顆粒流速、流量及粒徑大小對(duì)于彎管沖蝕率的影響，研究表明，在一定范圍內(nèi)，彎管最大沖蝕率隨顆粒流速與顆粒流量的增加而增大，但并不完全隨著顆粒粒徑的增加而增大;孫宗琳[2]、許留云等[3]研究管道流速、顆粒質(zhì)量流量、顆粒直徑、彎徑比對(duì)90°彎管的流場分布及磨損情況，研究表明，進(jìn)口流速、顆粒直徑、顆粒質(zhì)量流量、彎徑比的變化均會(huì)影響管道沖蝕率;徐磊[4]、梁光川[5]、胡炳濤[6]等研究流速、壓力、管徑、彎徑比對(duì)彎頭的沖蝕破壞，研究表明如上因素都會(huì)對(duì)管道的沖蝕破壞有影響;閆宏偉等[7]研究油氣管道彎頭影響因素，得到入口速度和質(zhì)量流量對(duì)油氣沖蝕率有正向促進(jìn)作用。

綜上，以往研究大都為單因素模擬，沒有考慮到不同因素對(duì)沖蝕率的影響程度，且沒有考慮到變量間交互作用對(duì)沖蝕率的影響?；诖?，本文針對(duì)90°彎管進(jìn)行液固兩相流數(shù)值模擬研究，應(yīng)用ANSYS fluent軟件研究入口流速、顆粒直徑、顆粒質(zhì)量流量、彎徑比、管道直徑各種因素與彎管沖蝕率的關(guān)系， 采用正交試驗(yàn)方法分析各種因素對(duì)彎管沖蝕率影響程度的主次順序。

1? 90°彎管沖蝕數(shù)值模擬

1.1? 物理模型

根據(jù)輸油管道系統(tǒng)管徑規(guī)格表，選取公稱直徑D=50、65、80 mm，彎徑比分別為1.5、2、2.5的90°彎管進(jìn)行建模，為保證管內(nèi)流體充分發(fā)展，取進(jìn)出口長度L1=L2=12D，見圖1所示。采用“古錢幣”形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖2所示。為簡化計(jì)算，連續(xù)相介質(zhì)取為水，離散相介質(zhì)取為沙粒，入口類型設(shè)為速度入口，出口類型設(shè)為自由出流，連續(xù)相采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，離散相采用DPM模型，DPM模型中沖蝕率公式[8]為：

1.2? 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1.2.1? 流體速度對(duì)沖蝕率的影響

在管道直徑80 mm，彎管彎徑比2.5，顆粒直徑100μm，顆粒質(zhì)量流量為0.1、0.2、0.3 kg/s工況下，彎管入口流速分別為1、1.5、2、2.5、3 m/s時(shí)，得到流速與彎管沖蝕率的關(guān)系，見圖3所示。

由圖3可知，進(jìn)口流速增加時(shí)，彎管最大沖蝕率隨之增加，并呈指數(shù)分布。保持進(jìn)口流速不變，增大顆粒質(zhì)量流量時(shí)，最大沖蝕率隨之增加。

1.2.2? 顆粒質(zhì)量流量對(duì)沖蝕率的影響

在管道直徑80 mm，彎管彎徑比2.5，顆粒直徑50μm，流體速度為1、1.5、2、2.5、3 m/s工況下，顆粒質(zhì)量流量分別為0.1、2、0.3 kg/s時(shí)，得到顆粒質(zhì)量流量與彎管沖蝕率的關(guān)系，見圖4所示。

由圖4可知，顆粒質(zhì)量流量增加時(shí)，沖蝕率隨之增加，速度為1、1.5、2 m/s時(shí)，質(zhì)量流量與沖蝕率的增長呈線性關(guān)系，速度為2.5、3 m/s時(shí)，質(zhì)量流量與沖蝕率的增長呈指數(shù)關(guān)系。

1.2.3? 顆粒粒徑對(duì)沖蝕率的影響

在管道直徑為80 mm，彎管彎徑比為2.5，流體速度為1、1.5、2、2.5、3 m/s，顆粒直徑為50、100、150 μm工況下，得到顆粒直徑與彎管沖蝕率的關(guān)系，見圖5所示。

由圖5可知，顆粒粒徑不變，流速增加時(shí)，沖蝕率增加;流速不變，顆粒粒徑增加時(shí)，沖蝕率發(fā)生變化，具體如下：

①顆粒質(zhì)量流量為0.1 kg/s時(shí)，隨顆粒粒徑增加，沖蝕率隨之減小;

②顆粒質(zhì)量流量為0.2 kg/s時(shí)，隨顆粒粒徑增加，沖蝕率先減小后增大，顆粒粒徑為100 μm時(shí)，沖蝕率數(shù)值最小;

③顆粒質(zhì)量流量為0.3 kg/s時(shí)，當(dāng)流速v≤1.5 m/s時(shí)，隨顆粒粒徑增加，沖蝕率先減小后增大，v≥2 m/s時(shí)，隨顆粒粒徑增加，沖蝕率減小。

由此可知，顆粒粒徑、顆粒質(zhì)量流量、流速三者間可能存在交互作用。

1.2.4? 管道彎徑比對(duì)沖蝕率的影響

在管道直徑為80 mm，顆粒直徑為100μm，顆粒質(zhì)量流量0.1 kg/s，流體速度為1、1.5、2、2.5、3 m/s，彎徑比為1.5、2、2.5工況下，得到彎徑比與彎管沖蝕率的關(guān)系，見圖6所示。

由圖6可知，隨彎徑比增加，沖蝕率呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，速度v≥2 m/s時(shí)，沖蝕率隨彎徑比變化較大，當(dāng)v≤1.5 m/s時(shí)，沖蝕率隨彎徑比變化不大，當(dāng)彎徑比R/D=2時(shí)，沖蝕率得最小值;當(dāng)管道彎徑比不變時(shí)，隨流速增加，沖蝕率隨之增加。

1.2.5? 彎管直徑對(duì)沖蝕率的影響

在顆粒直徑為100μm，顆粒質(zhì)量流量0.1 kg/s，彎徑比為2，流體速度為1、1.5、2、2.5、3 m/s，彎管直徑為50、65、80μm工況下，得到管道直徑與彎管沖蝕率的關(guān)系，見圖7所示。

由圖7可知，隨管徑增加，彎管沖蝕率呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，D =65μm時(shí)，沖蝕率最大，D =80μm時(shí)，沖蝕率最小。

2? 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與討論

2.1? 試驗(yàn)因素水平確定

通過以上單因素模擬分析發(fā)現(xiàn)，90°彎管沖蝕率與入口流速A、顆粒質(zhì)量流量B、顆粒粒徑C、管道直徑D、彎徑比E直接相關(guān)，故本實(shí)驗(yàn)對(duì)如上因素進(jìn)行正交設(shè)計(jì)，選取5因素3水平試驗(yàn)方案，見表1所示?？紤]到AB、AC、BC間可能存在交互作用，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，選擇L27（313）表[9-13]比較合適，本實(shí)驗(yàn)正交表安排如表2所示，其中第10、12列為誤差列，表2中沒有顯示。

2.2? 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2的極差結(jié)果得出，試驗(yàn)各影響因素的主次順序?yàn)锳>B>AB1>AB2>E>D>C>BC1>BC2>AC2>AC1，即入口流速影響最大。因?yàn)榻换プ饔幂^多，需通過方差分析來全面分析試驗(yàn)結(jié)果，見表3所示。從表3看出，因素A、B對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響高度顯著，交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不顯著。

綜上分析，在本實(shí)驗(yàn)條件下，試驗(yàn)較優(yōu)組合取為A1B1C2D3E3，但較優(yōu)組合沒有在表3的試驗(yàn)中出現(xiàn)過，故根據(jù)較優(yōu)組合進(jìn)行模擬，模擬得到?jīng)_蝕率值為1.96×10-9 kg·m-2·s-1，見圖8所示。

3? 結(jié) 論

（1）不同因素變化對(duì)彎管沖蝕的影響效果不同，90°彎管沖蝕影響因素有：入口流速、顆粒質(zhì)量流量、顆粒粒徑、管道直徑、彎徑比;各影響因素的主次順序?yàn)椋喝肟诹魉?顆粒質(zhì)量流量>彎徑比>管道直徑>顆粒粒徑。

（2）對(duì)于90°彎管沖蝕，分析了入口流速、顆粒質(zhì)量流量、顆粒粒徑間的交互作用，方差分果顯示：交互作用不顯著，不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

（3）試驗(yàn)條件下，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)最優(yōu)組合為A1B1C2D3E3，模擬得到90°彎管的最大沖蝕率為1.96×10-9 kg·m-2·s-1。

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