彎管中氣固兩相流沖蝕模擬研究

李 滄, 孫寶財(cái)

(甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院, 甘肅 蘭州 730000)

管道在化工行業(yè)運(yùn)輸流體的生產(chǎn)過程中有很重要的作用，尤其在天然氣等氣體運(yùn)輸過程中，含有固體微粒的氣體流動(dòng)與管道表面產(chǎn)生碰撞，引發(fā)管道磨損的沖蝕現(xiàn)象[1].沖蝕現(xiàn)象在生產(chǎn)中會(huì)損壞管道，造成設(shè)備報(bào)廢，管道泄漏等，嚴(yán)重的沖蝕磨損，可對(duì)油氣集輸產(chǎn)生破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失.曹學(xué)文[2]認(rèn)為沖蝕磨損所造成的機(jī)械損壞占工業(yè)生產(chǎn)損壞的八成以上.國內(nèi)外很多學(xué)者通過沖蝕物理實(shí)驗(yàn)對(duì)沖蝕模型的磨損機(jī)理進(jìn)行了研究[3-8].王凱等[9]對(duì)管道中含固體砂粒的液體流動(dòng)所造成的沖蝕磨損位置進(jìn)行了研究.Zhu等[10]對(duì)管道彎頭處產(chǎn)生的磨損現(xiàn)象進(jìn)行了研究.韓志武等[11]研究制造了一種關(guān)于氣/固沖蝕的射流式檢測(cè)設(shè)備，排除了其他檢測(cè)設(shè)備在測(cè)試過程中留存的流場(chǎng)不穩(wěn)定等缺點(diǎn).崔鋮等[12]采用有限元分析法對(duì)不同的沖蝕參數(shù)條件下彎管的沖蝕速度進(jìn)行分析，黃勇等[13]對(duì)管道彎頭內(nèi)固體微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡以及彎管的抗沖蝕優(yōu)化進(jìn)行研究.成芳等[14]利用Fluent軟件和液固兩相流理論，研究了發(fā)生在彎管的沖蝕率與管徑的關(guān)系，可知增大管徑可減小沖蝕率.在氣固兩相流中，微粒的直徑、質(zhì)量流率和材質(zhì)等條件均會(huì)對(duì)管道彎頭處的沖蝕率產(chǎn)生影響.

在氣固兩相流中，通過改變流動(dòng)參數(shù)討論沖蝕規(guī)律的研究較少，且通過控制流體參數(shù)而控制管道沖蝕率的研究較少.故本文研究了不同流動(dòng)條件下輸氣管道的沖蝕規(guī)律以及輸氣管道中固體雜質(zhì)微粒的流動(dòng)規(guī)律，在管道中最易產(chǎn)生沖蝕破壞的位置以及與流體流動(dòng)參數(shù)的相關(guān)性，通過控制流動(dòng)參數(shù)控制管道沖蝕率，對(duì)于氣體在管道中的運(yùn)輸有重大的意義.本文經(jīng)過FLUENT模擬，通過改變流體的運(yùn)動(dòng)速度，固體雜質(zhì)微粒的質(zhì)量流量以及固體雜質(zhì)微粒的微粒直徑，得到90°彎管的沖蝕磨損率大小，位置及規(guī)律.在工程應(yīng)用中可以通過檢測(cè)流體的流速等數(shù)據(jù)，估計(jì)管道發(fā)生沖蝕的可能性，提前控制流體流速等參數(shù)，提高輸氣管道安全運(yùn)行的周期.

1 模型建立

1.1 控制方程

在FLUENT-DPM模擬過程中，主相氣體看做連續(xù)相，次相固體雜質(zhì)微?？醋鲭x散相，各相的性質(zhì)保持穩(wěn)定.

1.1.1連續(xù)相連續(xù)性方程及動(dòng)量方程

本文涉及的連續(xù)性方程即為質(zhì)量守恒表達(dá)式，而流體流動(dòng)的連續(xù)性表達(dá)式和動(dòng)量表達(dá)式可表示為[15-16]

式中：α為連續(xù)流體的體積率，%；ρg為流體相密度，kg/m3；p為靜壓，Pa；ui為主相氣體流體在笛卡爾坐標(biāo)i方向的流速分量，m/s；gi為坐標(biāo)i方向上的體積力，N；τij為粘性應(yīng)力張量，N/m；Fi為主相流體與次相流體的互相作用力，N.

1.1.2離散相運(yùn)動(dòng)方程

微粒作用力均衡公式在笛卡爾坐標(biāo)系下的方程式為[17]

式中：ug為連續(xù)相在x方向的速度，m/s；ρp為離散相微粒在x方向的密度，kg/m3；up為離散相微粒速度，m/s；FD為微粒的單位質(zhì)量阻力，N.

微粒的單位質(zhì)量阻力FD表達(dá)式為

(5)

式中：CD為阻力系數(shù)；μg為連續(xù)相動(dòng)力粘度，pa·s；dP為離散相微粒粒徑，mm；Re為雷諾數(shù).

1.1.3k-ε湍流模型

考慮到管道內(nèi)多相流介質(zhì)的混合流動(dòng)效果，主次相均存有自由流狀況，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型被選用對(duì)動(dòng)量模型方程進(jìn)行封鎖求解.湍動(dòng)能及其耗散率運(yùn)輸方程為[18]

(6)

1.1.4固體微粒沖蝕模型

本文采用Fluent中的沖蝕模型，模擬計(jì)算管道彎頭內(nèi)壁面上由于固體雜質(zhì)微粒的沖擊造成的沖蝕率Rerosion[19]：

(7)

式中：C(db)表示微粒直徑函數(shù)，C(db)=1.8×10-9；f(α)表示沖蝕角度函數(shù)，f=1;α為微粒軌跡與壁面的沖蝕角度；v表示固體微粒的相對(duì)速度；b(v)為微粒相對(duì)的函數(shù)，b=0；Af表示受沖蝕壁面的面積.由此獲得的沖蝕率Rerosion的量綱是由沖蝕磨損量/(面積·時(shí)間)運(yùn)算得到.

1.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

建立90°彎管幾何模型，將其直徑D設(shè)置為20 mm，入口管道長(zhǎng)度設(shè)置為100 mm，出口管道長(zhǎng)度設(shè)置為100 mm，管道彎頭的曲率半徑設(shè)置為30 mm.由于彎管流道的幾何特殊性，對(duì)彎頭處的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，一共劃分了76 896個(gè)網(wǎng)格單元，管道網(wǎng)格如圖1所示.

1.3 計(jì)算條件設(shè)置

本文模擬長(zhǎng)輸管道中粘度較小的甲烷(CH4)的輸送過程，流體的流動(dòng)速度較大，故使用標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon湍流模型.進(jìn)口流體設(shè)置為velocity(速度入口)，出口流體采取outflow(自由出口).忽略微粒間可能產(chǎn)生互相碰撞的作用，忽略壁面滑移的影響.采用離散相(DPM)模型定義雜質(zhì)微粒的屬性.假設(shè)微粒為惰性球形，密度為2 046 kg/m3.求解器使用較為常見的Simple求解方式進(jìn)行耦合計(jì)算機(jī)計(jì)算.

2 數(shù)值模擬及結(jié)果討論

2.1 不同的流體速度對(duì)彎管沖蝕率的影響

假設(shè)主相流體介質(zhì)為甲烷(CH4)，次相流體為固體雜質(zhì)微粒，其微粒直徑為1×10-6m，微粒的質(zhì)量流量為1×10-20kg/s不變，在不同的流體速度沖擊下，90°管道彎頭的沖蝕率云圖如圖2所示.

由圖2可知，當(dāng)流體速度較小時(shí)，在進(jìn)口管道和彎管拐彎處都發(fā)生沖蝕；流體入口速度越來越大，管道彎頭的沖蝕率也越來越大，且管道彎頭的沖蝕現(xiàn)象主要集中在彎管拐彎處；隨著流體的入口速度進(jìn)一步增加，彎管的沖蝕率進(jìn)一步增大，且彎管的沖蝕現(xiàn)象主要集中在彎管拐彎與出口管道處.

當(dāng)氣相流體為甲烷(CH4)時(shí)，相同的固體雜質(zhì)微粒參數(shù)(微粒直徑為1×10-6m、質(zhì)量流量為1×10-20kg/s)，90°管道彎頭的沖蝕率隨入口流體速度的變化情況如圖3所示，不改變其他流動(dòng)條件，只改變固體微粒的質(zhì)量流量為1×10-15kg/s，90°彎管的的沖蝕率(用Ef表示)隨流體入口速度的變化情況如圖4所示.

由圖3和圖4可知，管道彎頭的沖蝕率伴隨入口速度的增大而增大.對(duì)比圖3和圖4，保持氣相流體為甲烷不變，彎管的幾何參數(shù)不變，固體雜質(zhì)微粒的直徑為1×10-6m不變，只改變固體雜質(zhì)微粒的質(zhì)量流量，在相同的入口速度下，彎管的沖蝕率也有相同的規(guī)律，但整體沖蝕率較大.在本文工況下，當(dāng)流體進(jìn)口速度為25 m/s時(shí)，管道的沖蝕率較小.綜上可知，隨著流體進(jìn)口速度越來越大，管道彎頭的沖蝕率呈現(xiàn)先變大，后變小，再變大的規(guī)律，而沖蝕率的減小是由于在管道中發(fā)生沖蝕的位置發(fā)生改變?cè)斐傻?

2.2 雜質(zhì)微粒質(zhì)量流量對(duì)管道彎頭沖蝕率的影響

假設(shè)主相流體為甲烷(CH4)，流體的入口速度保持20 m/s不變，固體雜質(zhì)微粒的直徑為1×10-6m不變，管道彎頭的沖蝕率隨固體雜質(zhì)微粒質(zhì)量流量的改變情況如圖5所示.

由圖5可知，當(dāng)氣相流體設(shè)置為甲烷(CH4)時(shí)，流體的進(jìn)口速度保持20 m/s，固體雜質(zhì)微粒的直徑設(shè)置為1×10-6m，只改變固體雜質(zhì)微粒的質(zhì)量流量，隨著固體雜質(zhì)微粒質(zhì)量流量的逐漸變大，管道彎頭的沖蝕率也越來越大，兩者近似呈現(xiàn)正比關(guān)系.

2.3 雜質(zhì)微粒的直徑對(duì)彎管沖蝕率的影響

氣相流體設(shè)置為甲烷(CH4)，流體的進(jìn)口速度設(shè)置為20 m/s，固體雜質(zhì)微粒的質(zhì)量流量設(shè)置為1×10-20kg/s，彎管的沖蝕率隨固體雜質(zhì)微粒直徑的變化趨勢(shì)如圖6所示.

由圖6可知，在只改變固體微粒粒徑的流體流動(dòng)過程中，存在一個(gè)關(guān)于固體雜質(zhì)微粒粒徑的閾值(3×10-7m).當(dāng)固體雜質(zhì)微粒的直徑小于3×10-7m，管道彎頭的沖蝕率隨固體雜質(zhì)微粒直徑的變大而減??；固體雜質(zhì)微粒直徑大于3×10-7m，彎管的沖蝕率隨固體雜質(zhì)微粒直徑的變大而越來越大.由此可推測(cè)，在本文模擬的工況下，當(dāng)固體雜質(zhì)微粒直徑小于3×10-7m時(shí)，固體雜質(zhì)微粒對(duì)管道的磨損處于侵蝕或刻蝕階段，當(dāng)固體雜質(zhì)微粒直徑大于3×10-7m時(shí)，固體雜質(zhì)微粒對(duì)管道的磨損處于沖蝕階段.

3 結(jié)論

通過模擬，保持氣相流體為甲烷不變，管道的幾何模型不變，得到如下結(jié)論:

1) 只改變流體的進(jìn)口速度，管道彎頭的沖蝕率隨進(jìn)口速度的逐漸變大呈現(xiàn)先變大，后變小，再變大的規(guī)律.整體上管道彎頭的沖蝕率隨流體進(jìn)口速度的增大而增大，由于管道沖蝕現(xiàn)象發(fā)生的位置發(fā)生改變，在本文工況下，沖蝕率在流體進(jìn)口速度為25 m/s時(shí)減??；

2) 只改變固體雜質(zhì)微粒的質(zhì)量流量，管道彎頭的沖蝕率隨固體雜質(zhì)微粒質(zhì)量流量的增大而增大，兩者近似呈現(xiàn)正比關(guān)系；

3) 在本文工況下，只改變固體微粒粒徑的流動(dòng)過程中，微粒直徑小于3×10-7m時(shí)，管道彎頭的沖蝕率隨微粒直徑的變大而減小，微粒直徑大于3×10-7m時(shí)，管道彎頭的沖蝕率隨微粒直徑的變大而變大.