基于流固耦合的离心压缩机轴系振动特性分析

为探究滑动轴承结构参数对离心压缩机轴系振动特性的影响规律,以某型离心压缩机轴承-转子系统为研究对象,首先采用多参考系模型、mixture两相流模型、liner层流模型以及UDF程序,利用隐式耦合求解法对考虑黏温特性的滑动轴承油膜流场进行求解,得到油膜流场压力分布进而对转子系统进行了单向稳态流固耦合分析,探究了轴承间隙比、宽径比对轴系振动特性的影响规律。结果表明：(1)油膜压力随轴承间隙比的增大而减小;临界转速随轴承间隙比的增大而小幅度减小,最大降幅为0.89%;轴系稳定性随间隙比增大呈现先减后增的变化趋势,研究轴系在间隙比为0.0014处稳定性最好。(2)油膜压力随轴承宽径比的增大而增大;临界转速随轴承宽径比的增大而增大,最大增幅为6.9%;轴系稳定性并未随轴承宽径比的增大而呈现规律性变化,研究轴系在宽径比为0.8处稳定性最佳。因此,轴承结构参数对轴系振动特性的影响并非是完全规律性的,我们需要根据旋转机械的实际工况选择合适的轴承结构参数。     

钻井液固液分离旋流器壁面磨损特性

针对石油钻井过程中,由于钻井液中泥沙等固体颗粒产生的冲蚀磨损导致的旋流器失效问题,采用CFD-DPM模型开展以非牛顿流体为钻井液时旋流器冲蚀磨损研究,探讨不同流速、稠度系数、流动性指数、含砂体积比和入口倾角对旋流器内壁冲蚀磨损的影响。结果表明：旋流器内壁磨损呈螺旋状,锥段处磨损率随着半径的减小而增大,底流口处是受损最为严重的部位;在流速5～15 m/s、含砂体积比1%～9%时旋流器的最大冲蚀率随着流速增大呈指数型增长,冲蚀面积明显扩张;低流速下含砂体积比对最大冲蚀率影响较弱,而高流速下最大冲蚀率与含砂体积比呈正相关;入口倾角的增大同时增大了向下的轴向速度,使得颗粒能更快地到达底流口减小了与壁面的接触,其冲蚀率呈线性减小;最大冲蚀率随稠度系数的增大整体呈现平缓下降的趋势,随着流动性指数的增大而急速下降,流动性指数对冲蚀破坏的影响相比稠度系数更剧烈一些。     

固液两相流泵叶轮用Cr26高铬铸铁的冲蚀率模型及影响因素

采用正交试验方法对Cr26高铬铸铁进行了冲蚀试验,基于冲蚀率理论计算模型对试验数据进行多元非线性回归,得到了Cr26高铬铸铁的冲蚀率计算模型并进行了验证;通过试验和模型计算对冲蚀率随其影响因素的变化规律进行了定量描述。结果表明:所建立的Cr26高铬铸铁冲蚀率计算模型具有较高的准确性;冲蚀率随冲蚀角度的增大先增大后减小再略微增大,最大冲蚀率出现在冲蚀角度40°附近,在低冲蚀角度下磨损形式以切削磨损为主,在高冲蚀角度下磨损形式以变形磨损为主;随着固体颗粒粒径的增大,冲蚀率增大,切削磨损占比增大,变形磨损占比减小;随着冲蚀速度的增加,切削磨损占比减小,变形磨损占比增大。     

三通换向阀阀内泥浆冲蚀磨损数值模拟研究

针对泥水盾构机接管系统中三通换向阀阀芯及管道易受泥浆冲蚀磨损问题,应用计算流体动力学中DPM(Discrete Phase Model)模型对阀芯缩径弯管与等径弯管进行对比分析。研究结果表明:泥浆流经等径弯管时对管壁造成的冲蚀磨损程度比流经缩径弯管时的冲蚀磨损程度严重;缩径弯管中凸台可以起到有效的扰流作用,消耗泥浆流体具有的动能,有利于减缓泥浆对弯管外壁面的冲蚀磨损;泥浆流经不同变直径管道时,对管壁造成的冲蚀磨损程度不同;其中泥浆从缩径弯管流向等径弯管处的冲蚀磨损率小于从等径弯管流向缩径弯管处的冲蚀磨损率。     

混合粒径固体颗粒对滑套球座冲蚀磨损的影响

随着超长水平井施工排量和加砂量的不断增加,滑套球座冲蚀磨损日益严重。目前对液固两相流冲蚀磨损的研究较多,但均未考虑混合粒径固体颗粒对冲蚀磨损的影响。研究不同粒径混合的支撑剂对球座的冲蚀磨损,基于欧拉双流体理论,运用Fluent软件对混合粒径固体颗粒对滑套球座的冲蚀磨损进行数值模拟。结果表明：混合粒径固体颗粒与单一粒径固体颗粒对球座冲蚀磨损规律有所不同,单一粒径固体颗粒对球座冲蚀磨损速率随着粒径的增大而减小;混合粒径固体颗粒对球座冲蚀磨损速率不仅和支撑剂粒径有关,而且和不同粒径固体颗粒的比例有关,即冲蚀磨损速率随混合固体颗粒中小粒径固体颗粒比例的增大而表现出先减小后增大的趋势。模拟结果为水平井分段压裂材料的选择提供了依据。     

基于CFD数值模拟的异面三通管冲蚀磨损规律研究*

针对管道在输送过程中,由流体中固态颗粒产生的冲蚀磨损导致的失效问题,通过CFD-DPM模型开展关于不同流速、颗粒直径、含砂体积比和异面管夹角对异面三通冲蚀磨损性能影响的分析。结果表明：三管交汇处的弯面是管道主要发生冲蚀磨损的位置,水平两管弯头上侧管壁处是受损最为严重的部位;在流速2~10 m/s、含砂体积比1%~9%、异面管夹角90°~150°、颗粒直径0.1~0.5 mm时,管道的最大冲蚀率随着流速增大呈指数型增长,冲蚀面积明显扩张;低流速下,含砂体积比对最大冲蚀率影响较弱,高流速下,最大冲蚀率与含砂体积比呈线性正相关;异面管夹角的增大降低了管道对固体颗粒的流动约束性,其冲蚀率呈线性减小;最大冲蚀率随颗粒直径的增大整体呈现平缓上升的趋势,大颗粒产生的冲蚀破坏相比小颗粒更为集中一些。     

页岩气压裂双弯头弯管冲蚀规律研究

为研究页岩气压裂双弯头弯管的冲蚀规律,基于液-固两相流模型和冲蚀理论建立双弯头弯管冲蚀模型,研究典型工况参数、双弯头弯管结构参数对双弯头弯管冲蚀速率的影响。研究表明:最大冲蚀速率发生在压裂液首先流经的第一个弯头外拱内壁后半部分,第二个弯头冲蚀区域前移且冲蚀区域增大;双弯头弯管的最大冲蚀速率,随压裂液流体速度、支撑剂颗粒体积分数的增加均增大,随着支撑剂颗粒粒径、双弯头弯管曲率半径的增大均减小;双弯头弯管上弯头与下弯头装配转角为20°~40°时,双弯头弯管的最大冲蚀速率较大。     

槽参数对高温密封汽液固流动特性及性能的影响

以高温动压型机械密封为研究对象,基于Eulerian多相流模型和蒸发冷凝模型,建立涉及高温汽化、固体颗粒、黏温效应及牛顿流体内摩擦效应的动压型机械密封润滑膜汽液固三相流动模型,模拟研究槽深、槽宽比、螺旋角及槽径比对润滑膜汽化、固体颗粒分布规律及密封性能的影响关系。研究表明：润滑膜固体颗粒体积分数随槽深、槽径比的增大而增大,且在槽宽比为0.5时出现最大值,而固体颗粒体积分数随螺旋角的变化规律与转速有关;润滑膜平均汽相体积分数随槽深的增大而减小,随螺旋角的增大而增大,槽宽比为0.7时平均汽相体积分数出现最大值,槽径比在0.3以上时平均汽相体积分数随槽径比的增大而增大;槽深8 μm时润滑膜汽相、固体颗粒相出现突变,槽深低于8 μm时处于气相较高、固体颗粒相较小状态,槽深高于8 μm时则相反;基于汽液固流动的密封性能分析表明,选用9 μm左右的槽深、0.6左右的槽径比、16°～20°的螺旋角、0.3~0.4的槽宽比时对密封性能有利,采用8 μm以上的槽深及小于0.5的槽宽比时,转速较高时选用较小槽径比、转速较低时选用较大槽径比时有利于抑制汽化。     

基于ANSYS Workbench的天然气渐扩管冲蚀磨损仿真模拟

为了研究含砂天然气集输管道渐扩管的冲蚀磨损现象。运用ANSYS软件建立渐扩管流场的Euler多相流、流固耦合及冲蚀模型,分析渐扩管的应力分布、流动特性及冲蚀效果,并与突扩管进行比较;通过改变管道入口流速、颗粒粒径、颗粒质量流率等参数,对渐扩管流场特性及冲蚀规律进行分析。结果表明,渐扩管应力集中在喉部及出口管段内壁面,冲蚀区域集中在出口管段下表面及出口处,出口管段冲蚀区域呈“椭圆形”,出口处冲蚀区域呈“U”形;突扩管应力集中在进口管段与出口管段交界处的上壁面,冲蚀区域位于进口管段;渐扩管冲蚀速率随入口流速增加先增大后减小再增大,随颗粒粒径的增加先增大后减小最终趋于稳定,随颗粒质量流率增加呈线性增长;相同条件下,突扩管最大等效应力是渐扩管的1.73倍,变形位移是渐扩管的1.77倍,而渐扩管冲蚀较为严重,最大冲蚀速率是突扩管的1.7倍。     

砂粒粒径对航空涡轴发动机压气机叶片冲蚀磨损的影响研究

高原、沙漠和沿海等服役环境中不同粒径的砂粒不可避免地对涡轴发动机压气机叶片造成冲蚀磨损,破坏叶片叶型和动力学特性,严重危及涡轴发动机使用寿命和直升机飞行安全。基于Finnie冲蚀磨损理论推导了颗粒对金属表面的磨损率表达式,分析颗粒粒径对材料冲蚀磨损率的影响,以某型涡轴发动机压气机动叶和静叶为研究对象,设计搭建砂粒冲击速度测试装置和钛合金冲蚀磨损实验装置,通过典型砂粒粒径下冲蚀磨损实验获取磨损率表达式中与靶材材料和冲击速度相关的关键参数,结合气固两相流动力学分析开展砂粒粒径对压气机动叶和静叶冲蚀磨损的影响研究。结果表明：砂粒粒径与冲击速度存在内在关联,材料冲蚀磨损率与砂粒冲击速度呈幂函数关系。实验条件下,砂粒粒径由177 μm增至423 μm时,其冲击速度平均降低约17%。压气机动叶和静叶的磨损集中区域不随砂粒粒径的改变而变化,但磨损程度差异明显,其中177 μm砂粒对动叶和静叶造成的最大冲蚀磨损率浓度值相比423μm砂粒分别增加91%和131%。研究结果为涡轴发动机压气机叶片抗磨损设计提供了理论参考。     

Cavitation–silt erosion in sand suspensions

Cavitation–silt erosion in sand suspensions has elicited research attention. However, erosion characteristics in various conditions of liquids remain unknown due to their complex mechanisms. Thus, the effects of sand size, concentration, and temperature of sand suspensions on cavitation–silt erosion and viscosity were experimentally investigated in the present work. The findings proved the existence of critical sand size. The silt–cavitation erosion decreased with the increase of sand concentration when the sand was smaller than the critical size, and it increased with the increment of the sand size and temperature. A good relationship between the viscosity and the sand size, concentration, and temperature was determined. Moreover, the cavitation–silt erosion mechanisms were obtained on the basis of the viscosity and impingement erosion analysis standpoint.     

挖掘机多路阀阀口冲蚀磨损研究

针对挖掘机多路阀阀口易发生冲蚀磨损导致性能下降及失效的问题,以回转联作为研究对象,建立了以DPM离散相模型和Edwards冲蚀模型为基础的计算模型,并通过Fluent软件模拟了不同流量、阀口开度和颗粒属性下的阀口冲蚀磨损情况,针对发生冲蚀磨损最严重的阀芯区域,分析并得到了冲蚀磨损分布和冲蚀磨损率随流量、阀口开度和颗粒属性的演化规律。结果表明:阀口的冲蚀磨损情况会随流量、阀口开度和颗粒属性的变化而规律变化,对于阀芯部位,磨损面积会随阀口开度变小而变小、随流量增大而增大;开度减小和流量的增加会引起阀芯冲蚀磨损率增大,其中冲蚀磨损率对阀口开度的变化较为敏感,在小开度情况下会出现磨损率的大梯度变化情况,而流量则对冲蚀磨损率影响较为平缓;当固体颗粒在油液中的质量一定时,颗粒直径的变化对阀芯冲蚀磨损率有较大影响。     

冲击形式产生的冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损试验研究

舰船等海洋运输装备在海水中行驶时,船体表面受到含沙海水的冲蚀磨损,舰船行驶速度变化引起的空蚀磨损,以及海水的腐蚀磨损,因此舰船表面材料的破坏形式是冲击式的冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损。为了研究联合磨损的影响因素,研制冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损试验台,并实验研究沙粒浓度、沙粒尺寸、含盐浓度以及冲蚀速度对45钢试件的联合磨损影响规律。实验结果表明:冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损程度强于冲蚀和空蚀交互磨损或单纯腐蚀磨损,在较低的沙粒浓度和较低的含盐浓度条件下,金属材料联合磨损质量损失与沙粒浓度、沙粒尺寸、含盐浓度和冲蚀速度均成正比关系。磨损面形貌分析表明:随着沙粒浓度、沙粒尺寸、含盐浓度、冲蚀速度的增加,试件表面的冲蚀沟和空蚀孔的磨痕深度和面积增大,而在人造海水中,试件表面不仅存在冲蚀沟和空蚀孔,还产生了腐蚀坑。     

结构参数对压裂双弯头冲蚀及流致变形的影响*

双弯头管汇是水力压裂地面高压管汇系统中的关键部件,由于高压大排量携砂压裂液在其中多次强制转向,双弯头管汇长期遭受着严重的冲蚀磨损和流致变形。为改善管件冲蚀磨损状态,从管汇结构参数的角度研究其对冲蚀率的影响。采用计算流体力学(CFD)数值模拟,结合离散相模型(DPM)和流固耦合(FSI)方法,对双弯头结构管汇在工况条件下的流致冲蚀和变形情况进行综合分析,研究双弯头结构参数,如连接直管长度、管道内径及弯头间连接角度对冲蚀和变形的影响。结果表明:随着连接直管长度增加,冲蚀率先减小后变化不大,而结构变形程度逐渐增大,综合考虑冲蚀磨损和结构变形,双弯头之间的连接直管长度宜设计为管道外径的4倍;大口径管道的冲蚀磨损程度更低,但会带来更大的变形,因此双弯头管汇的管内径不宜过大或过小;当2个弯头间的连接角度为0°时,冲蚀和变形程度达到最小。     

考虑载荷模拟作用的高压弯头冲蚀数值仿真

在水力压裂过程中,地面高压管汇在管内复杂固液两相流冲击和管体恶劣载荷的耦合作用下,弯头、三通及接头等薄弱部件长期遭受严重的冲蚀磨损,极易导致管件发生断裂破坏,对现场人员及设备构成严重威胁。开展载荷作用下的高压管汇典型材料冲蚀磨损试验,根据试验结果,基于E/CRC冲蚀模型构建一种考虑应力状态影响的新型冲蚀数学模型,所构建的新模型与冲蚀试验数据之间的准确度可达95%以上。采用计算流体力学离散相模型（CFD-DPM）,开展高压管汇件冲蚀性能的三维数值模拟,考察高压弯头在不同压裂工况下的冲蚀磨损程度及空间分布情况。结果表明：在固液两相流冲击下,主要冲蚀区位于靠近弯头出口处的弯头外侧,且管件的最大冲蚀率也位于该处;在弯头内侧二次流涡流的影响下,部分颗粒在流经弯头后会在下游直管内侧积聚,从而在这个区域造成次要冲蚀区;随着流动颗粒斯托克斯系数增加,主要冲蚀区面积增大,次要冲蚀区面积减小;此外,在嵌入新型冲蚀数学模型后,可观察到随着操作压力增大,高压管汇弯头部位的冲蚀磨损率明显增加。     

聚焦型微通道内气泡生成特性数值模拟

微气泡因具有比表面积小和稳定性好等特点被广泛应用于污水处理和矿物浮选等领域。为了高效获得稳定的微气泡,利用COMSOL软件研究了聚焦型微通道中气、液相流速、表面张力、液相黏度和壁面润湿性对气泡生成的影响。结果表明:当气相流速增加时,气相克服表面张力的能力增强,气泡的脱离尺寸和频率增大,脱离时间减小;液相流速增加时作用在微气泡上的惯性力和剪切力增大,气泡脱离时间和脱离尺寸均减小;表面张力增大时气泡脱离时间和脱离尺寸增大,脱离频率减小;液相黏度增大时,作用于气泡的黏性力随之增大,气泡的脱离时间和脱离直径均随之减小,脱离频率增大;接触角从40°增大到180°,气泡的脱离尺寸和脱离时间整体先增大后减小,脱离频率先减小后增大。     

Characterization of erosion of gas pipelines by dry sand

In oil and gas industry, the economic considerations determine the selection of low cost materials, in general, carbon steel, for pipelines. However, another type of deformation that is not well understood is its erosion resistance. The objective of this study was to investigate the factors affecting the erosion of carbon steel in a dry sand stream. In this work, a laboratory built test rig was used to erode representative carbon steel plates with accelerated sand streams. The results revealed that the normal incidence sand stream of larger particles and higher impact velocities causes more erosion of the carbon steel. The highest erosion rate of 6.75 ± 0.16 was predicted at an impact angle of 90°, which was three times higher than the erosion rate at impact angle of 30°. Similarly, the erosion caused by the smaller particles was not as severe as the larger particles. The cross-section profiles revealed that the crater depth was increased from 7° to 32.8° with an increase in sand size from 200 µm to 600 µm. The deepest crater of 32.8° was induced by the largest sand size of 600 µm.     

结构参数对双蜗壳型旋风分离器内流场分布的影响

用智能五孔球探针测试仪对不同排气芯管结构形式和不同排气芯管插入深度下双蜗壳型旋风分离器内三维速度和静压进行了测量,以获得这两种结构参数对分离器内部流场的影响.试验结果表明,分离器内切向速度随排气芯管插入深度的增加先减小后急剧增加,锥形排气芯管与圆管相比使得分离器内部流场大部分区域旋转增强.利用积分离散化的方法计算了分离空间内的下行流量,发现排气芯管插入深度为300mm时能有效的减少短路流和旋涡流动.