基于CFD-DPM耦合方法的多級(jí)串聯(lián)彎管內(nèi)液固兩相流沖蝕特性研究

高凌霄，楊賀琦，李小平，敬登偉，馬利靜

(1.中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452;2.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

0 前言

隨著我國(guó)陸地油氣產(chǎn)量逐年萎縮與國(guó)家對(duì)石油的需求量穩(wěn)步增長(zhǎng)，油氣資源蘊(yùn)藏量相對(duì)較為豐富的海上油田成為我國(guó)石油產(chǎn)量的增長(zhǎng)及產(chǎn)量接替的重要組成部分[1]。研究表明，我國(guó)絕大多數(shù)海上油田分布在疏松砂巖地層中，這使得海上油氣開(kāi)采過(guò)程的出砂問(wèn)題尤為嚴(yán)重[2]。出砂引起的各種腐蝕危害不僅增加了開(kāi)采難度，也導(dǎo)致尤其生產(chǎn)成本的大幅增加[3]。此外，作為油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的油氣輸送工具，管道中的砂粒侵蝕會(huì)導(dǎo)致石油和天然氣開(kāi)采過(guò)程中的嚴(yán)重設(shè)備故障，并可能限制最大生產(chǎn)率。因此，預(yù)測(cè)油氣生產(chǎn)管道中砂粒沖蝕引起的腐蝕情況是降低管道失效率的關(guān)鍵因素。

關(guān)于單相和兩相系統(tǒng)中侵蝕率的預(yù)測(cè)，已有大量研究，但關(guān)于氣-液-砂多相流在不同管道結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)侵蝕情況研究還相對(duì)較少[4]。Liu等人提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的基于CFD的模型，用于預(yù)測(cè)環(huán)形流中的侵蝕率。在他們的工作中，假設(shè)彎管部位液膜厚度不變，模擬中間接考慮了薄膜液體的緩沖效應(yīng)，從而觀察到環(huán)狀流彎管中的侵蝕明顯減少[5]。Parsi等人建立CFD模型研究了標(biāo)準(zhǔn)彎管處兩種不同粒徑顆粒的侵蝕率，發(fā)現(xiàn)液膜厚度在侵蝕程度中起著重要作用[6]。Zahedi等人分別使用VOF和多流體VOF方法模擬了76.2 mm標(biāo)準(zhǔn)彎頭中低液體流速和高氣體流速的空氣-水流動(dòng)，作者同時(shí)模擬了顆粒軌跡和流動(dòng)，并預(yù)測(cè)了幾種表觀氣速和液速下的材料腐蝕情況[7]。結(jié)果表明，與VOF模型相比，多流體VOF模型存在一些收斂問(wèn)題，需要更多的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)。相比之下，VOF模型更穩(wěn)定，需要更少的計(jì)算機(jī)時(shí)。Ogunsan等人將歐拉多流體VOF模型與拉格朗日方法耦合，證明模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，并發(fā)現(xiàn)最大侵蝕率出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)彎頭的45°處[8]。Sedrez等人用超聲波傳感器測(cè)量了攜帶300 μm砂粒的空氣-水多相流彎管中的壁厚損失。通過(guò)將歐拉-拉格朗日方法對(duì)不同的流動(dòng)條件進(jìn)行的CFD模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，證明了CFD模擬的有效性[9]。

上述已有的數(shù)值模擬研究主要針對(duì)簡(jiǎn)單的單彎管工況，而未考慮實(shí)際管道輸運(yùn)過(guò)程中更為復(fù)雜但可能有效降低含砂流體沖蝕的結(jié)構(gòu)，例如多級(jí)串聯(lián)彎管。本研究的主要目標(biāo)即是開(kāi)發(fā)一個(gè)計(jì)算模型，以便更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)彎管中含砂顆粒的侵蝕速率。通過(guò)計(jì)算油氣連續(xù)相流場(chǎng)、管壁侵蝕率和顆粒軌跡，預(yù)測(cè)侵蝕最嚴(yán)重區(qū)域，重點(diǎn)分析顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡以及顆粒在管壁處的碰撞規(guī)律，總結(jié)出管道侵蝕與砂粒運(yùn)動(dòng)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過(guò)對(duì)比單個(gè)彎管與多級(jí)串聯(lián)彎管內(nèi)液固兩相流沖蝕特性的差異，為未來(lái)含砂多相流體輸運(yùn)管道的設(shè)計(jì)及腐蝕防護(hù)提供理論指導(dǎo)。

1 模型建立

本文利用Ansys Fluent軟件對(duì)90°彎管沖蝕進(jìn)行數(shù)值模擬研究，具體包括連續(xù)相(液相)流場(chǎng)模擬、離散相固體顆粒軌跡跟蹤和彎管沖蝕速率計(jì)算三個(gè)部分。本文首先將模擬帶顆粒的湍流液體在管道中的流動(dòng)形態(tài)，然后根據(jù)拉格朗日離散相模型，分析流場(chǎng)中離散相顆粒所受力情況，從而求出顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。最后，在顆粒與管壁發(fā)生碰撞時(shí)，利用沖蝕預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)顆粒對(duì)管壁的沖蝕范圍。

1.1 連續(xù)相模型

本文采用湍流模型模擬連續(xù)相(液相)流場(chǎng)。對(duì)于不同的問(wèn)題，需要考慮流體的可壓縮性、計(jì)算精度的要求、計(jì)算機(jī)設(shè)備的性能和時(shí)間限制，選擇最合適的湍流模型。Realizablek-ε湍流模型可以增強(qiáng)在強(qiáng)逆壓梯度情況下的邊界層性能，且適用于平面射流、圓形射流、旋轉(zhuǎn)流等復(fù)雜流動(dòng)工況[10-12]。本文選用Realizablek-ε湍流模型對(duì)管道彎頭沖蝕磨損進(jìn)行數(shù)值模擬，其中，湍流動(dòng)能(k)及其能量耗散率(ε)輸運(yùn)計(jì)算方程如下

(1)

其中

式中xi、xj——空間坐標(biāo)；

ui——速度矢量；

ρ——液體密度；

κ——湍流動(dòng)能；

μ——分子黏度；

ut——湍流粘度；

σκ、σε——方程k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)，σκ=1.0，σε=1.2；

GΚ、Gb——湍流動(dòng)能的產(chǎn)生;

GΚ——由平均速度梯度導(dǎo)致的湍動(dòng)能項(xiàng);

Gb——由浮力因素引起的湍動(dòng)能項(xiàng)；

YΜ——可壓縮湍流脈動(dòng)對(duì)總耗散率的貢獻(xiàn)；

Ε——用戶(hù)定義源項(xiàng)；

υ——方向與重力方向平行的速度分量；

Sij——應(yīng)變變化率張量；

C2、C1ε、C3ε——常數(shù)，C2=1.9,C1ε=1.44,對(duì)于流動(dòng)方向與重力方向相同C3ε=1，對(duì)于流動(dòng)方向與重力方向垂直C3ε=0。

1.2 離散相模型

(3)

式中ρ——流體流體密度/kg·m-3；

u——流體相對(duì)速度/m·s-1；

up——固體顆粒速度/m·s-1；

μ——流體的分子粘度/Pa·s；

ρp——固體顆粒的密度/kg·m-3；

dp——固體顆粒直徑/m；

Re——相對(duì)雷諾數(shù);

CD——曳力系數(shù);

“對(duì)，去找穿著制服的交通警察。如果你和媽媽分開(kāi)了，媽媽會(huì)很難過(guò)很難過(guò)的，所以我們一起出門(mén)時(shí)，你要跟緊媽媽?！?/p>

gy——y方向重力加速度/m·s-2,gy=9.81 m/s2。

1.3 沖蝕模型

McLaury模型是ANSYS Fluent軟件中一種應(yīng)用于預(yù)測(cè)水中固體顆粒沖蝕速率的侵蝕模型，該模型主要應(yīng)用于泥漿流，其表達(dá)式如下[16-17]

E=AVnf(θ)

(4)

A=F(Bh)k

(5)

(6)

式中E——沖蝕率，代表單位時(shí)間內(nèi)單位面積管壁壁面的質(zhì)量損失；

F——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

V——固體顆粒撞擊壁面速度；

θ——顆粒撞擊壁面的角度；

Bh——壁面的布氏硬度值，其大小為156；

k——指數(shù)項(xiàng)，由于本模擬選區(qū)的是碳鋼材料，此處k值選取為-0.59；其他均為常數(shù)，具體數(shù)值見(jiàn)下表1。

表1 McLaury模型常數(shù)表

固體顆粒在彎管內(nèi)運(yùn)動(dòng)期間，粒子可能會(huì)與管壁碰撞，然后反彈回流體域。增強(qiáng)壁面函數(shù)(Enhanced Wall Function)可用于處理近壁問(wèn)題，本文采用Grant和Tabakoff提出的壁面反彈恢復(fù)系數(shù)公式來(lái)處理近壁區(qū)域的流動(dòng)工況[18]

en=0.993-0.037θ+4.75×10-4θ2-2.61×10-6θ3

(7)

et=0.988-0.029θ+6.43×10-4θ2-3.56×10-6θ3

(8)

式中en和et——法向和切向的反彈系數(shù)；

θ——固體顆粒的入射速度和表面切線之間的角度。

2 計(jì)算模型及驗(yàn)證

2.1 彎管幾何模型與網(wǎng)格劃分

本文選用內(nèi)徑D=50 mm的90°彎管作為研究對(duì)象，單彎管由入口直管段L1、彎頭部分、出口直管段L2三部分組成，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示；串聯(lián)雙彎管由入口直管段L1、上(下)游彎頭、連接直管段L、出口直管段L2五部分組成，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。為確保流體和顆粒得到充分發(fā)展，定義進(jìn)口直管段和出口直管段長(zhǎng)度為20D，即L1=L2=1 000 mm，彎頭曲率半徑R=50 mm。

如圖2所示，運(yùn)用ICEM CFD軟件采用O型劃分方法對(duì)彎管進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。為提高模擬計(jì)算精度、節(jié)約計(jì)算成本，依據(jù)謝振強(qiáng)等人[19]提出的網(wǎng)格劃分建議，本文模型中彎頭軸向和周向網(wǎng)格尺寸范圍為(10～20)dp(dp為顆粒直徑)。此外，為避免由于不同網(wǎng)格類(lèi)型和大小的劃分而導(dǎo)致模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差，本文進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示，以網(wǎng)格數(shù)量為自變量，彎管最大沖蝕率為因變量，探究不同網(wǎng)格數(shù)量下最大沖蝕率變化情況。由圖3可以看出，當(dāng)選取的網(wǎng)格數(shù)量小于13×105時(shí)，計(jì)算得到的最大沖蝕率隨網(wǎng)格數(shù)量增加有明顯的波動(dòng)性增加，而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于該值時(shí)，計(jì)算的最大沖蝕率基本不再隨網(wǎng)格數(shù)量的增加而變化。故為最大限度節(jié)省計(jì)算資源并降低計(jì)算誤差，本文選用網(wǎng)格數(shù)量為1 377 000的網(wǎng)格劃分方法對(duì)彎管進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。經(jīng)檢驗(yàn)，其網(wǎng)格質(zhì)量均在0.75以上。

2.2 邊界條件設(shè)置

本文研究中邊界條件設(shè)置如下：連續(xù)相密度定義為998.2 kg/m3，離散相固體顆粒密度定義為2 650 kg/m3。對(duì)于連續(xù)相計(jì)算區(qū)域，給出管道的進(jìn)口速度值，而管道出口的壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。此處，壓力設(shè)置為常壓而湍流的強(qiáng)度范圍設(shè)定為5%，并選取SIMPLE為壓力-速度耦合方案，空間微分的梯度為Green-Gauss節(jié)點(diǎn)，壓力設(shè)定為PRESTO！且選擇離散格式，其他計(jì)算項(xiàng)均選用二階迎風(fēng)差分格式。壁面為靜止壁面且無(wú)滑移，采用增強(qiáng)壁面函數(shù)(EWF)對(duì)近壁區(qū)域進(jìn)行處理；對(duì)于離散相固體顆粒，速度與連續(xù)相液體保持一致，管道入口和出口均設(shè)置為逃逸(Escape)條件，管壁設(shè)置為反彈(Reflect)條件，壁面反彈恢復(fù)系數(shù)公式見(jiàn)式(7)式(8)。假設(shè)管道中入射顆粒均為相互獨(dú)立且形狀均勻的球形粒子，同時(shí)忽略粒子與粒子之間的相互作用帶來(lái)的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 彎管沖蝕分布情況

以管道內(nèi)徑為50 mm、彎管曲率半徑為50 mm、流體流速為10 m/s、顆粒質(zhì)量流量為0.20 kg/s、顆粒直徑為28 μm的工況為例，本文首先對(duì)彎管內(nèi)的流場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算，獲得了彎管壁面沖蝕分布、彎管壁面最大沖蝕率、彎管流場(chǎng)的壓力分布、速度分布和顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡等關(guān)鍵參數(shù)信息。

從圖4可以看出，對(duì)于單彎管的情形，沖蝕集中在彎管外側(cè)壁中心區(qū)域，沖蝕區(qū)域呈橢圓形分布，最大沖蝕位置在彎管外弧60°～90°范圍內(nèi)且沖蝕區(qū)域呈上寬下窄的梭形分布，最大沖蝕率為2.06×10-3kg/(m2·s)，而彎管內(nèi)壁幾乎未發(fā)生沖蝕，這與李睿等人數(shù)值模擬所得結(jié)論一致且在顆粒軌跡圖中得到了證實(shí)，也從側(cè)面證明了本研究中采用的數(shù)理模型的可靠性[11]。從圖5可以看出，粒子在進(jìn)入彎管前其運(yùn)動(dòng)軌跡與上游直管軸線近乎平行，后進(jìn)入彎管區(qū)域強(qiáng)烈地撞擊彎管外弧管壁并發(fā)生反彈，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生顯著變化。又由彎頭部分局部放大圖可知，彎頭外側(cè)中心線兩側(cè)的粒子發(fā)生交錯(cuò)流動(dòng)，即彎頭外側(cè)中心線右邊的粒子流向中心線左邊，中心線左邊的粒子流向中心線右邊，這與彎管外側(cè)壁沖蝕分布圖案完美契合。在流體作用下，反彈后的粒子并未流向彎管內(nèi)側(cè)，而是順應(yīng)流線流出彎管區(qū)域，彎管內(nèi)側(cè)出現(xiàn)一塊無(wú)碰撞區(qū)域，部分顆粒進(jìn)入下游直管道后與壁面發(fā)生二次碰撞，這便進(jìn)一步解釋了為什么彎管內(nèi)壁幾乎未發(fā)生沖蝕。

圖6顯示了彎管流場(chǎng)的壓力分布，圖7為速度分布。從兩圖中可知，彎管外側(cè)壓力明顯上升，形成高壓區(qū)，而速度下降；彎管內(nèi)側(cè)的壓力值大小沿彎管徑向逐漸降低，并指向彎管曲率中心形成順壓梯度，在彎管內(nèi)側(cè)，壓力達(dá)到最小值，流速最高。同時(shí)從彎管0°～90°各截面壓力和速度分布可知，流體進(jìn)入彎頭后彎頭外側(cè)壓力先增加后下降，內(nèi)側(cè)趨勢(shì)則與之相反；而彎頭外側(cè)速度逐漸增加，內(nèi)側(cè)速度呈先增加后下降趨勢(shì)。針對(duì)上述現(xiàn)象，作者推測(cè)在離心力作用下彎管內(nèi)側(cè)流體流向彎管外側(cè)并對(duì)彎管外壁進(jìn)行擠壓，造成彎頭外側(cè)壓力高而內(nèi)側(cè)壓力低，彎管內(nèi)側(cè)動(dòng)能由彎管內(nèi)側(cè)比壓能轉(zhuǎn)化而增加，導(dǎo)致彎管內(nèi)側(cè)流體的流速升高。

3.2 顆粒流量對(duì)彎管局部沖蝕的影響

為了研究不同顆粒質(zhì)量流量對(duì)彎管局部沖蝕的影響程度，本文選擇直徑為28 μm的顆粒，假定液體流速均為10 m/s，研究了0.05～0.25 kg/s流量范圍內(nèi)顆粒質(zhì)量流量對(duì)彎管的局部沖蝕情況，基于沖蝕云圖的分析，進(jìn)一步得到了不同砂粒質(zhì)量流量下的平均及最大沖蝕率。由圖9的云圖可以看出，隨著顆粒質(zhì)量流量的不斷增加，彎管內(nèi)部砂粒碰撞產(chǎn)生的沖蝕區(qū)域位置及面積大小基本無(wú)變化。但在圖8中，最大沖蝕率和平均沖蝕率呈顯著的線性上升趨勢(shì)，這與Hong等人的研究結(jié)果一致，說(shuō)明管道中顆粒含量的增加會(huì)增強(qiáng)管壁的沖蝕磨損[13]。推測(cè)隨著顆粒質(zhì)量流量的增加，管道中的顆粒數(shù)量也會(huì)隨之增加，從而導(dǎo)致單位面積上顆粒對(duì)管壁的沖擊頻率增加，最終使得管壁沖蝕速率顯著增加。

3.3 液體流速對(duì)彎管沖蝕的影響

同樣，在其他影響因素一定的工況下(顆粒直徑為28 μm、顆粒質(zhì)量流量為0.20 kg/s)，本文取不同液體流速進(jìn)行研究，得到不同液速下彎管沖蝕云圖、最大沖蝕率和平均沖蝕率。如圖10所示，隨著液速的不斷增加，彎管沖蝕區(qū)域未發(fā)生明顯變化，主要集中在彎管內(nèi)壁外側(cè)和下游直管道連接處，而彎管最大沖蝕區(qū)域隨液速增大而不斷擴(kuò)大。不同流速與彎管最大沖蝕率和平均沖蝕率關(guān)系曲線如圖11所示。結(jié)果與徐上在探究彎管入口速度與沖蝕速率關(guān)系時(shí)得到的規(guī)律基本一致，即彎管的最大沖蝕率隨流速的增加而顯著增大，且增長(zhǎng)速度加快[21]。作者推測(cè)上述現(xiàn)象的產(chǎn)生可能受以下兩方面因素影響：一方面，流體中的固體顆粒隨著流體的流速增加而具有更大的動(dòng)能，從而以更大的速度對(duì)彎管產(chǎn)生碰撞，并導(dǎo)致沖蝕加劇。同時(shí)，當(dāng)流速達(dá)到某一程度時(shí)，固體顆粒的隨流性得到改善，連續(xù)相和離散相雙向耦合作用提高，顆粒的湍流動(dòng)能增加，這進(jìn)一步加劇了顆粒對(duì)管壁的沖蝕[21]；另一方面，隨著流速不斷增加，固體顆粒與管壁碰撞頻率隨之增高，彎管內(nèi)壁在兩方面因素的共同作用下沖蝕程度將愈發(fā)嚴(yán)重。

3.4 串聯(lián)彎管連接長(zhǎng)度對(duì)彎管沖蝕的影響

如前述，目前文獻(xiàn)中已有的數(shù)值研究主要針對(duì)簡(jiǎn)單的單彎管工況，而未考慮實(shí)際管道輸運(yùn)過(guò)程中更為復(fù)雜但可能有效降低含砂流體沖蝕的結(jié)構(gòu)，例如多級(jí)串聯(lián)彎管。本文通過(guò)對(duì)比單個(gè)彎管與多級(jí)串聯(lián)彎管內(nèi)液固兩相流沖蝕特性的差異，為未來(lái)含砂多相流體輸運(yùn)管道的設(shè)計(jì)及腐蝕防護(hù)提供理論指導(dǎo)。為探究串聯(lián)彎管不同連接長(zhǎng)度對(duì)彎管沖蝕的影響，本文選擇顆粒直徑為28 μm、液體流速為10 m/s、顆粒質(zhì)量流量為0.20 kg/s的工況，取串聯(lián)彎管連接長(zhǎng)度3～18D進(jìn)行分析，得到了不同連接長(zhǎng)度下的最大沖蝕率、平均沖蝕率和串聯(lián)彎管沖蝕云圖。圖12依次為不同連接長(zhǎng)度(L)的上游彎頭的沖蝕云圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，兩個(gè)彎頭之間的距離從3D增加到18D，但是上游彎頭的沖蝕模式幾乎沒(méi)有變化。此外，上游彎管最大沖蝕區(qū)始終位于同一位置。推測(cè)可能是因?yàn)樯嫌沃惫苤械牧鲃?dòng)條件(包括速度和壓降)對(duì)于所有連接長(zhǎng)度都是相同的，導(dǎo)致上游彎頭中的沖擊速度和沖擊位置相同。進(jìn)一步觀察可發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)彎管結(jié)構(gòu)中，最大侵蝕區(qū)均出現(xiàn)在上游彎頭外弧中心線附近。推測(cè)可能原因?yàn)椋荷嫌沃惫芎诵膮^(qū)域的流速更高，更大的曳力使顆粒加速，此外，管壁和顆粒之間的摩擦阻力降低了顆粒的速度，故而核心區(qū)域的顆粒比靠近管壁的顆粒運(yùn)動(dòng)得更快。當(dāng)連續(xù)相從上游管道進(jìn)入彎管后，在彎管處發(fā)生90°方向變化，而核心區(qū)域的顆粒撞擊彎管壁面的速度高于靠近管壁的顆粒，因此具有較大動(dòng)能，從而在該區(qū)域產(chǎn)生較為嚴(yán)重的沖蝕。

圖13顯示了下游彎頭的沖蝕分布情況。該沖蝕云圖不同于上游彎頭變化模式。隨著兩個(gè)彎管之間的連接長(zhǎng)度從3D增加到18D，在下游彎管中可以觀察到?jīng)_蝕的顯著變化。當(dāng)連接長(zhǎng)度L=3D時(shí)，下游彎頭沖蝕區(qū)呈“W”型分布，且下游彎管與連接直管相交位置出現(xiàn)沖蝕斑塊群；當(dāng)連接長(zhǎng)度L=6D時(shí)，下游彎頭沖蝕區(qū)兩個(gè)最大沖蝕位點(diǎn)關(guān)于彎管外側(cè)中心線基本對(duì)稱(chēng)；當(dāng)連接長(zhǎng)度L=9D過(guò)渡到L=18D時(shí)，下游彎頭沖蝕區(qū)呈“V”型分布，且最大沖蝕區(qū)域向管道外側(cè)中心線集中。

通過(guò)與圖4單彎管沖蝕分布對(duì)比可知，多級(jí)串聯(lián)彎管的上游彎管與單級(jí)彎管在相同流動(dòng)條件下的沖蝕分布圖案類(lèi)似，均為橢圓狀。這體現(xiàn)了單個(gè)彎管與多級(jí)串聯(lián)彎管內(nèi)液固兩相流沖蝕特性的共性，然而單彎管與多級(jí)彎管沖蝕特性的差異主要體現(xiàn)在下游流動(dòng)中。通過(guò)進(jìn)一步分析圖12和圖13上下游彎管沖蝕云圖，不難發(fā)現(xiàn)隨著連接長(zhǎng)度的增加，串聯(lián)彎管的最大沖蝕位點(diǎn)發(fā)生變化，逐漸由上游彎管轉(zhuǎn)移到下游彎管，這對(duì)含砂多相流輸運(yùn)管道設(shè)計(jì)具有重大指導(dǎo)意義，并且下文對(duì)最佳連接長(zhǎng)度的確定進(jìn)行了詳細(xì)分析闡釋。

圖14為不同連接長(zhǎng)度與最大沖蝕率和平均沖蝕率曲線。可以看出，平均沖蝕率隨連接長(zhǎng)度增加整體呈下降趨勢(shì)，而最大沖蝕率呈現(xiàn)先增大后減小而后又逐步增大趨勢(shì)。連接長(zhǎng)度從3D增加到6D最大沖蝕率上升可能因?yàn)榛炝黝w粒交換動(dòng)量空間不足，未得到充分發(fā)展，多處于湍流狀態(tài)，撞擊壁面頻率增加，導(dǎo)致壁面沖蝕嚴(yán)重。當(dāng)連接長(zhǎng)度從9D增加到18D時(shí)，混合顆粒流變成完全發(fā)展的流動(dòng)，類(lèi)似于上游管道中的流動(dòng)，故而最大沖蝕率不斷增加，這一趨勢(shì)也在文獻(xiàn)的研究工作中得到了佐證[22]?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，未來(lái)在含砂多相流體輸運(yùn)管道的設(shè)計(jì)中，串聯(lián)彎管的最佳連接長(zhǎng)度建議可選在9～15D范圍內(nèi)，以降低液體中固體顆粒對(duì)壁面的沖蝕作用。

4 結(jié)論

本文基于CFD-DPM耦合方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)彎管中含砂顆粒的侵蝕速率的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。通過(guò)模擬連續(xù)相(液相)流場(chǎng)、跟蹤離散相固體顆粒軌跡和計(jì)算彎管沖蝕速率，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)更有可能發(fā)生嚴(yán)重侵蝕的位點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比單個(gè)彎管與多級(jí)串聯(lián)彎管內(nèi)液固兩相流沖蝕特性的差異，為未來(lái)含砂多相流體輸運(yùn)管道的設(shè)計(jì)及腐蝕防護(hù)提供理論指導(dǎo)。本文取得的主要結(jié)論如下：

(1)研究彎管內(nèi)的流場(chǎng)分布，彎管外側(cè)壓力高速度低，極易發(fā)生沖蝕破壞，而彎管內(nèi)側(cè)存在無(wú)碰撞區(qū)域，發(fā)生沖蝕可能性小，這與已有文獻(xiàn)結(jié)論基本一致。

(2)管道中顆粒含量的增加會(huì)增強(qiáng)管壁的沖蝕磨損，顆粒質(zhì)量流量與彎管最大沖蝕率和平均沖蝕率呈正相關(guān)；隨著流體流速增加，沖蝕加劇，并且流速越大，最大沖蝕率和平均沖蝕率增長(zhǎng)斜率越大。

(3)隨著串聯(lián)彎頭之間的連接長(zhǎng)度增加彎管平均沖蝕率整體呈下降趨勢(shì)，而最大沖蝕率先增大后減小又逐步增大。未來(lái)在含砂多相流體輸運(yùn)管道的設(shè)計(jì)中，為降低壁面沖蝕磨損，串聯(lián)彎管連接長(zhǎng)度可選在(9～15)D范圍內(nèi)。