盲通管与直弯管的内壁液固双相流冲蚀数值模拟初探
发布时间：2021-10-17 16:33
针对管道在流体流向急剧改变处受到的冲刷腐蚀问题,采用离散相DPM（Discrete Phase Model）模型,利用FLUENT软件对盲通管和直弯管进行分析仿真。通过改变入口速度、质量流量、固体颗粒大小、直弯管弯曲半径及盲通管的不同堵头长度和管径来探究每个因素对冲蚀速率的影响。结果表明:在其他条件相同情况下,盲通管和直弯管的最大冲蚀率随入口速度的增长呈现指数上升的趋势;随着固相颗粒直径增加,直弯管的最大冲蚀率呈线性增加,盲通管最大冲蚀率在颗粒直径为250～400μm呈平缓趋势,在小于250μm和大于400μm的范围内线性增长;随着直弯管弯曲半径的增大,直弯管的最大冲蚀率线性减小;通过改变盲通管的堵头长度发现盲通管堵头的长度变化不会对冲蚀率的大小产生明显影响,但盲通管的冲蚀速率会随着盲通管管径变大而减小,冲蚀区域随着管径的变大而减小且位置逐渐向管道上端移动。数值模拟的研究结果可为优化管道铺设提供相应的理论依据。
【文章来源】：材料保护. 2020,53(02)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
弯管模型及网格划分
冲刷腐蚀一般是指流体或固体颗粒以一定的速度和角度对物体表面进行冲击，发生材料损耗的一种现象，所以分析颗粒的大小、速度、质量流速以及管道形状变化对管道受到的最大冲蚀速率变化具有重要意义。图2数值模拟的条件为直弯管、盲通管管径都为50mm，直弯管的弯径比R/D=0.5，管长L1=L2=10.0D=500 mm，盲通管的盲管长度D2为20 mm，粒子直径为200μm，入口速度为20 m/s，质量流速为0.8 kg/s，得出的2种管道冲蚀云图。由图2a可以看出盲通管受到冲蚀最大的部位在管道的下端管壁对称两侧，根据其粒子追踪图(图2b)可看出，这个位置产生较大冲蚀率是因为一部分液体会堆积在盲管处，随后的水流会与堆积的液体发生碰撞产生二次流，因此盲通管堵头底端不会受到较大的冲蚀，并且粒子随水流的二次流有较大的动能，对下端壁面进行碰撞和冲刷。粒子在堵头处发生堆积，导致粒子之间在堵头处会发生碰撞反弹，以小于90°的倾角再次撞击到下游管壁，加重了该位置的冲蚀情况。对于无盲通管的直弯管来说，冲蚀最严重部位在弯头连接处下端外拱管壁外侧，从弯管的速度矢量图来分析，流体进入弯接头处，靠近弯管外侧的流体的速度较大，携带的颗粒动能较大，因此弯管冲蚀最严重部位发生在弯管转向处下侧外端的管壁。
为了探究2种管道在液体连续相不同速度下的冲蚀情况，设定数值模拟的条件为直弯管、盲通管两者管径都为50 mm，直弯管的弯径比R/D=0.5，管长L1=L2=10.0D=500 mm，盲通管的盲管长度D2为20 mm，选用粒子直径200μm、质量流速0.8 kg/s、密度1 500kg/m3的颗粒，入口速度10～35 m/s，以5 m/s为递增区间。如图3所示，最大冲蚀率随入口速度的增大而增大，在流速为20 m/s以前，直弯管与盲通管的最大冲蚀率相差不大，速度为20 m/s之后，盲通管最大冲蚀率将呈指数增长，而直弯管先是平缓，然后在25 m/s之后最大冲蚀率急剧增加，原因是流速的增加使颗粒的动能增大，撞击在壁面上的能量也变大，有效增加了冲蚀效果。通过拟合函数:y=A1×exp(-x/t1)+y0,y为最大冲蚀速率，x为液体连续相的入口速度(以下类同)。其各项系数值及各项系数误差，95%的置信区间如表1所示。由设定粒子直径为200μm，入口流速为20 m/s，密度1 500 kg/m3的颗粒，质量流速0.5～1.7 kg/s，以0.2kg/s为递增区间，得到颗粒在不同质量流速下的最大冲蚀率对比见图4。由图4可知:随着质量流速的增加，直弯管和盲通管的最大冲蚀率呈线性增长，且在相同的质量流速下，颗粒撞击在管壁面上的动能大小不变，但是频率增加，导致最大冲蚀率呈线性增长。盲通管的最大冲蚀率是直弯管的2倍左右。通过拟合函数:y=a+bx，其各项系数值及各项系数误差，95%的置信区间如表2所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]输油管道90°弯管冲蚀磨损数值模拟研究[J]. 孙宗琳,邢振华,张孟昀,段鹏飞,吴玉国. 辽宁石油化工大学学报. 2018(02)
[2]压裂球座冲蚀磨损规律研究和结构优化[J]. 向正新,李思行,钱利勤,夏成宇,涂忆柳. 工程设计学报. 2017(05)
[3]固体颗粒对液/固两相流弯管冲蚀作用分析[J]. 彭文山,曹学文. 中国腐蚀与防护学报. 2015(06)
[4]T型弯头不同工况的冲蚀磨损数值模拟研究[J]. 何兴建,李翔,李军. 化工设备与管道. 2015(03)
[5]液固两相流中固体颗粒对弯管冲蚀破坏的位置预测[J]. 王凯,李秀峰,王跃社,陈彦霖,韩双,何仁洋. 工程热物理学报. 2014(04)
[6]海底管道沙粒侵蚀的数值模拟及侵蚀公式评价[J]. 王思邈,刘海笑,张日,刘鸣洋. 海洋工程. 2014(01)
[7]提升管出口T型弯头压降特性的实验分析[J]. 汪贵磊,陈勇,严超宇,魏耀东. 化工学报. 2014(02)
硕士论文
[1]液固两相流弯管冲蚀研究与抗冲蚀优化[D]. 赵联祁.中国石油大学(华东) 2016
本文编号：3442077
【文章来源】：材料保护. 2020,53(02)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
弯管模型及网格划分
冲刷腐蚀一般是指流体或固体颗粒以一定的速度和角度对物体表面进行冲击，发生材料损耗的一种现象，所以分析颗粒的大小、速度、质量流速以及管道形状变化对管道受到的最大冲蚀速率变化具有重要意义。图2数值模拟的条件为直弯管、盲通管管径都为50mm，直弯管的弯径比R/D=0.5，管长L1=L2=10.0D=500 mm，盲通管的盲管长度D2为20 mm，粒子直径为200μm，入口速度为20 m/s，质量流速为0.8 kg/s，得出的2种管道冲蚀云图。由图2a可以看出盲通管受到冲蚀最大的部位在管道的下端管壁对称两侧，根据其粒子追踪图(图2b)可看出，这个位置产生较大冲蚀率是因为一部分液体会堆积在盲管处，随后的水流会与堆积的液体发生碰撞产生二次流，因此盲通管堵头底端不会受到较大的冲蚀，并且粒子随水流的二次流有较大的动能，对下端壁面进行碰撞和冲刷。粒子在堵头处发生堆积，导致粒子之间在堵头处会发生碰撞反弹，以小于90°的倾角再次撞击到下游管壁，加重了该位置的冲蚀情况。对于无盲通管的直弯管来说，冲蚀最严重部位在弯头连接处下端外拱管壁外侧，从弯管的速度矢量图来分析，流体进入弯接头处，靠近弯管外侧的流体的速度较大，携带的颗粒动能较大，因此弯管冲蚀最严重部位发生在弯管转向处下侧外端的管壁。
为了探究2种管道在液体连续相不同速度下的冲蚀情况，设定数值模拟的条件为直弯管、盲通管两者管径都为50 mm，直弯管的弯径比R/D=0.5，管长L1=L2=10.0D=500 mm，盲通管的盲管长度D2为20 mm，选用粒子直径200μm、质量流速0.8 kg/s、密度1 500kg/m3的颗粒，入口速度10～35 m/s，以5 m/s为递增区间。如图3所示，最大冲蚀率随入口速度的增大而增大，在流速为20 m/s以前，直弯管与盲通管的最大冲蚀率相差不大，速度为20 m/s之后，盲通管最大冲蚀率将呈指数增长，而直弯管先是平缓，然后在25 m/s之后最大冲蚀率急剧增加，原因是流速的增加使颗粒的动能增大，撞击在壁面上的能量也变大，有效增加了冲蚀效果。通过拟合函数:y=A1×exp(-x/t1)+y0,y为最大冲蚀速率，x为液体连续相的入口速度(以下类同)。其各项系数值及各项系数误差，95%的置信区间如表1所示。由设定粒子直径为200μm，入口流速为20 m/s，密度1 500 kg/m3的颗粒，质量流速0.5～1.7 kg/s，以0.2kg/s为递增区间，得到颗粒在不同质量流速下的最大冲蚀率对比见图4。由图4可知:随着质量流速的增加，直弯管和盲通管的最大冲蚀率呈线性增长，且在相同的质量流速下，颗粒撞击在管壁面上的动能大小不变，但是频率增加，导致最大冲蚀率呈线性增长。盲通管的最大冲蚀率是直弯管的2倍左右。通过拟合函数:y=a+bx，其各项系数值及各项系数误差，95%的置信区间如表2所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]输油管道90°弯管冲蚀磨损数值模拟研究[J]. 孙宗琳,邢振华,张孟昀,段鹏飞,吴玉国. 辽宁石油化工大学学报. 2018(02)
[2]压裂球座冲蚀磨损规律研究和结构优化[J]. 向正新,李思行,钱利勤,夏成宇,涂忆柳. 工程设计学报. 2017(05)
[3]固体颗粒对液/固两相流弯管冲蚀作用分析[J]. 彭文山,曹学文. 中国腐蚀与防护学报. 2015(06)
[4]T型弯头不同工况的冲蚀磨损数值模拟研究[J]. 何兴建,李翔,李军. 化工设备与管道. 2015(03)
[5]液固两相流中固体颗粒对弯管冲蚀破坏的位置预测[J]. 王凯,李秀峰,王跃社,陈彦霖,韩双,何仁洋. 工程热物理学报. 2014(04)
[6]海底管道沙粒侵蚀的数值模拟及侵蚀公式评价[J]. 王思邈,刘海笑,张日,刘鸣洋. 海洋工程. 2014(01)
[7]提升管出口T型弯头压降特性的实验分析[J]. 汪贵磊,陈勇,严超宇,魏耀东. 化工学报. 2014(02)
硕士论文
[1]液固两相流弯管冲蚀研究与抗冲蚀优化[D]. 赵联祁.中国石油大学(华东) 2016
本文编号：3442077
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