基于流固耦合的彎管優(yōu)化設(shè)計(jì)

安連想

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州 730060）

0 引言

雖然現(xiàn)代工業(yè)有了快速發(fā)展，技術(shù)水平有了較大提升，但是沖蝕磨損問題始終存在，例如流體管道彎頭等。特別是液固兩相流的沖蝕失效現(xiàn)象更為嚴(yán)重，直接影響管道使用壽命，通過對(duì)管道流體流動(dòng)情況實(shí)施仿真分析，能夠模擬出不同條件下管道內(nèi)流體流動(dòng)特性，從而明確沖蝕最嚴(yán)重區(qū)域，找到?jīng)_蝕規(guī)律，進(jìn)而對(duì)管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升使用壽命。

1 彎管流固耦合分析

1.1 彎管的物性設(shè)置

本文主要以304 不銹鋼彎管（管徑Φ133×3.5 mm）作為案例進(jìn)行分析，在進(jìn)行沖蝕分析時(shí)做出如下假設(shè)。

（1）彎管架構(gòu)勻稱，內(nèi)部各位置力學(xué)參數(shù)無差異。

（2）固相與水相介質(zhì)物性參數(shù)伴隨溫度變動(dòng)而變動(dòng)的幅度有限。

（3）流體流進(jìn)彎管前已發(fā)展到要求形態(tài)。

（4）彎管橫向設(shè)立，較少受重力作用。

（5）石英砂密度為2600 kg/m3，在流體中融合勻稱。

彎管的工況介質(zhì)物性參數(shù)見表1。

1.2 彎管流固耦合分析

（1）等效應(yīng)變分析。通過ANSYS 軟件對(duì)該彎管在不同流速（0.5 m/s、1 m/s、3 m/s、5 m/s、7 m/s、9 m/s）下進(jìn)行等效應(yīng)變，以及隨速度變化情況進(jìn)行觀察。

結(jié)果顯示（圖1），不同流速下等效應(yīng)變分布大體上一致（依次為2.359 0×10-6m，9.233 6×10-6m，7.612 2×10-6m，2.034 0×10-6m，6.300 6×10-6m），但是在彎管段以及彎管段和下游直管接觸位置變化較大，而彎管上游直管部分變化較小。

（2）等效應(yīng)力剖析。利用ANSYS 工具對(duì)此彎管在各種流動(dòng)速度（9 m/s、7 m/s、5 m/s、1 m/s、0.5 m/s）下等效應(yīng)力和伴隨流速所發(fā)生的變動(dòng)狀況加以剖析。

可以知道，流動(dòng)速度不一樣情況下，等效應(yīng)力分布大多相同（具體是1.256 500 MPa、0.774 630 MPa、0.405 520 MPa、0.151 740 MPa、1.839 8×10-2MPa、4.702 3×10-3MPa）。然而在彎管段和彎管段及下游直管相接地點(diǎn)出現(xiàn)很大變動(dòng)，而彎管上端直管出現(xiàn)小程度變化。整體而言，彎管等效應(yīng)力與流動(dòng)速度間體現(xiàn)為拋物線遞增形態(tài)。

表1 彎管的工況介質(zhì)物性參數(shù)

圖1 不同流速下彎管等效應(yīng)變情況

（3）總位移剖析。利用工具ANSYS 對(duì)此彎管在各種流動(dòng)速度（9 m/s、7 m/s、5 m/s、1 m/s、0.5 m/s）位置移動(dòng)情況和伴隨速度出現(xiàn)的變動(dòng)狀況加以剖析。

從結(jié)果可知，不同流速下總位移分布大體上一致（依次為1.414 5×10-8m、5.564 0×10-8m、4.884 2×10-8m、1.350 4×10-8m、2.638 1×10-8m、4.351 5×10-8m）。但是在彎管段以及彎管段和下游直管接觸位置變化較大，而彎管上游直管部分變化較小。

1.3 分析結(jié)果

綜上所述，彎管在不同流速下的等效應(yīng)變、等效應(yīng)力以及總位移分布大體上一致，但是在彎管段以及彎管段和下游直管接觸位置變化較大，而彎管上游直管部分變化較小?？偟膩碚f，等效應(yīng)變、等效應(yīng)力以及總位移和流速之間表現(xiàn)出拋物線遞增關(guān)系。

2 彎管優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化分析

通過分析可知，隨著流速增加，沖蝕增加的程度也越來越大，但是隨著彎管直徑的下降沖蝕率會(huì)有非常大的下降。為了降低彎管受到的沖蝕程度，在符合實(shí)際應(yīng)用情況下要降低管內(nèi)物質(zhì)的流動(dòng)速度，同時(shí)要盡可能增大彎管的曲率半徑、降低管徑，能夠有效緩解彎管所受到的沖蝕破壞。另外，可以采取增加盲通管、增加擋板等方式對(duì)彎管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 增加盲通管

從彎管結(jié)構(gòu)自身因素考慮，可以在彎管彎頭流速變化較快的區(qū)域設(shè)置盲通管（選擇彎管直徑為Φ108 mm），對(duì)其實(shí)施沖蝕分析，所得結(jié)果如圖2 所示。從圖2 中可知，雖然增加了盲通管，但是對(duì)于沖蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域（彎管以及彎管下游管道緊連區(qū)域），沖蝕效果沒有明顯改善。在盲通管端部出現(xiàn)流動(dòng)旋渦，顆粒出現(xiàn)堆積情況，造成此處嚴(yán)重沖蝕?？偟膩碚f，采用設(shè)置盲通管的方式進(jìn)行彎管結(jié)構(gòu)優(yōu)化，無法實(shí)現(xiàn)降低最大沖蝕的目的。但是盲通管裝卸相對(duì)方便，并且不用對(duì)磨損的彎管進(jìn)行整體更換，能夠有效降低維修成本，因此設(shè)置盲通管能夠起到對(duì)彎管段的有效保護(hù)。

圖2 添加盲通管后的分析結(jié)果

2.3 改變彎管方向角

選擇直徑為Φ108 的彎管，將其彎曲半徑設(shè)置為r=5DN、流速設(shè)置為v=5 m/s。逐一改變彎管的方向角（分別為30°、45°、50°、55°、60°、65°）對(duì)其進(jìn)行沖蝕模擬，能夠得到模擬效果。根據(jù)模擬效果得知，伴隨彎管方向角度的增大，最大沖蝕率表現(xiàn)出先下降，后升高，然后再下降的態(tài)勢(shì)（得到的最大充實(shí)率依次為1.87×10-5kg/（m2·s）、1.53×10-5kg/（m2·s）、1.51×10-5kg/（m2·s）、1.34×10-5kg/（m2·s）、3.38×10-5kg/（m2·s）、2.19×10-5kg/（m2·s）、2.44×10-5kg/（m2·s）、2.24×10-5kg/（m2·s））。彎管方向角為50°時(shí)，最大沖蝕率達(dá)到最小數(shù)值，彎管方向角為60°時(shí)，其數(shù)值達(dá)到最高。為此可把彎管方向角管控在50°左右，可將沖蝕影響大幅減小。

2.4 添加擋板

在流固耦合下彎管所發(fā)生的沖蝕磨損并非造成彎管整體破壞，而是局部磨損較為嚴(yán)重。尤其是彎管區(qū)域接近彎管下游直管段位置更為嚴(yán)重?？梢钥紤]在磨損較為嚴(yán)重的區(qū)域（彎頭50°～80°）設(shè)置可拆式擋板，相當(dāng)于對(duì)該位置進(jìn)行管壁加厚，能夠增強(qiáng)對(duì)沖蝕的抵抗能力，延長(zhǎng)彎管使用壽命。此外，采用法蘭連接彎管的方式，并不用更換整個(gè)彎管段，能夠大大節(jié)省成本。

2.5 優(yōu)化結(jié)果

（1）采取盲通管的方式進(jìn)行彎管優(yōu)化設(shè)計(jì)無法明顯降低最大沖蝕率，但是能夠避免對(duì)磨損彎管進(jìn)行整體更換，能夠有效降低維護(hù)成本，對(duì)于彎管的保護(hù)具有相應(yīng)作用。

（2）將彎管方向角控制在50°左右能夠有效降低最大沖蝕率，大大提升彎管使用壽命。

（3）在局部磨損較為嚴(yán)重的位置（彎頭50°～80°）設(shè)置可拆卸式擋板，相當(dāng)于增加管壁厚度，能夠延長(zhǎng)彎管壽命，即使擋板發(fā)生沖蝕刺穿也便于更換。

（4）可以綜合采用上述優(yōu)化措施，能夠進(jìn)一步提升彎管使用壽命。

3 結(jié)束語

本文主要以304 不銹鋼彎管為例，進(jìn)行彎管流固耦合分析，在此基礎(chǔ)上提出彎管優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，為彎管的工業(yè)設(shè)計(jì)提供一定參考作用。