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。     

仿生弯管的冲蚀磨损分析

为研究弯管的抗冲蚀磨损性能,仿照扇贝表面建立不同仿生弯管模型,根据流体动力学和冲蚀磨损原理,借助Fluent流体计算软件对不同模型进行仿真模拟。研究表明:在相同边界条件下,正常弯管的冲蚀面积以及速率最大,仿生弯管的冲蚀面积随着仿生肋条的偏心距离增大而减小,冲蚀速率随着仿生肋条的偏心距离增大而增大。     

充填输送管道冲蚀磨损分析

为研究高体积分数固-液两相流对输送管道的冲蚀磨损程度,采用计算流体力学（CFD）和固液两相流理论,建立冲蚀磨损及流场模型,采用欧拉模型中的稠密离散相模型（DDPM）,利用Ansys中的流体动力学模块,对输送管道中的颗粒流场特性和颗粒对管道的冲蚀磨损进行分析。结果表明,入口速度较低时冲蚀主要集中在水平管靠近出口附近,随着入口速度的增加,冲蚀区域逐渐移到弯管附近,且管道的最大冲蚀量有降低的趋势;冲蚀率的大小既与冲蚀速度有关,也与颗粒体积分数有关,当两者符合一定关系时,冲蚀率达到最大。     

水平弯管盐泥流动磨损仿真分析

盐泥为工业制盐流程中卤水净化工艺后产物，盐泥随意排放不仅污染环境，也会对资源造成极大浪费，需对盐泥进行无害化资源化处理。盐泥为固液两相流流体，对盐泥的无害化资源化处理需要管路的输送，为了探究盐泥在弯管中流动时对管道的冲蚀磨损速率，利用Fluent仿真软件对其进行分析。选用RNG k-?湍流模型和DPM模型，盐泥对弯管的冲蚀模型和颗粒碰撞恢复模型采用E/CRC冲蚀磨损模型和Grant and Tabaoff壁面碰撞恢复函数，考虑液固两相之间的耦合，对盐泥在水平弯管中的流动进行研究。研究结果表明：盐泥对水平弯管弯头压力分布场呈现为外侧压力大、内侧压力小，而速度分布场则与压力场恰好相反。盐泥颗粒与弯管内壁发生首次碰撞的部位在弯头外侧的出口段，一些颗粒还会发生多次碰撞。弯管内壁存在冲蚀磨损弯，弯头外侧磨损速率显著大于弯头内侧，而且磨损最严重的部位发生在弯头出口20°附近。     

弯管冲蚀失效流固耦合机理及数值模拟

针对流体输送管道失效研究中存在的问题,主要研究腐蚀与流体流动的交互作用对管道冲蚀破坏的作用机理。建立流固耦合数理模型,推导出在任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler, ALE)描述下的粘性流体N-S方程和腐蚀产物保护膜固体区域的控制方程,分析管壁边界层多相流介质流动与腐蚀产物保护膜破损之间的耦合作用。以弯管的冲蚀失效为例,结合弯管的结构特性、多相流的物性参数,运用ANSYS有限元分析软件,采用物理环境顺序耦合法进行流固耦合数值模拟,分析管壁腐蚀产物保护膜的变形程度和受力状态,判定弯管冲蚀破坏的危险区域和失效趋势;现场测厚数据与仿真计算结果基本吻合,验证仿真计算的可靠性和可行性,该方法可用于管道输送系统的风险预测、安全评估和工艺改造。     

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。     

气固两相流管道冲蚀规律研究

冲蚀是造成管壁减薄和穿孔的重要原因之一,为此采用FLUENT软件建立了气固两相流管道冲蚀模型。通过模拟计算,明确了气固两相流管道受冲蚀最严重部位,分析了气固两相流管道最大冲蚀率和颗粒沉积密度随气体流量、固体量和压力的变化规律,并针对管道冲蚀最严重部位提出了结构优化措施。结果表明:1)阀后弯管是冲蚀最严重部位。2)最大冲蚀率和颗粒沉积密度随气体流量、固体量和调节阀开度的变化规律分别是,随着气体流量增加,最大冲蚀速率增大,颗粒沉积密度减小;随着压力升高,最大冲蚀速率减小,颗粒沉积密度增大;随着固体量增加,最大冲蚀速率增大,颗粒沉积密度增大。3)将阀后弯管改为盲三通结构可有效降低管道冲蚀率。     

天然气集输管道90°弯头冲蚀磨损规律研究

针对输气管道中90°弯头冲蚀磨损失效的问题,依据现场实际工况,利用CFD仿真软件建立相应的模型,探究集输管道输送气固两相流介质时固体颗粒冲击弯头壁面的冲蚀磨损规律。采用RNG k-ε湍流模型、DPM模型和E/CRC冲蚀磨损模型研究集输压力、不同重力方向、集输流速、集输管径以及颗粒大小对弯头冲蚀磨损的影响。结果表明:集输压力越大,弯头冲蚀磨损程度减轻,且磨损区域呈现由中部向出口、由外侧向内侧凹曲面移动的现象;重力会影响弯头冲蚀磨损程度以及磨损区域,重力场和气相主流场趋势相同时会加剧磨损;当气流速度超过临界集输流速时,冲蚀磨损情况加剧且最大磨损率出现区域后移;集输管径越小、颗粒直径越大时,冲蚀磨损越严重。     

喷砂射孔压裂工具弯曲段多相流动冲蚀模拟研究

目前,水力喷砂射孔压裂应用日益广泛,相关设备在含固相颗粒多相流动环境下部分区域冲蚀作用明显,严重影响后续施工效果。弯曲管件作为地面设备的重要组成部分,相关学者将研究重点放在了液固两相冲蚀磨损机理上,而气(氮气)-液-固三相流动条件下的冲蚀研究较少。基于此,以一定尺寸的弯管为研究对象,采用数值模拟方法分析了弯管内部气-液-固三相共存情况下管壁的冲蚀磨损情况,得到了三相流动条件下内管壁的冲蚀磨损规律。     

煤制氢激冷气装置三通磨损数值模拟

采用标准k-ε湍流模型、颗粒随机轨道模型（DPM）和冲蚀磨损模型,对气固两相流冲蚀条件下的煤制氢三通及下游管道的壁面磨损率和管内速度特性进行了数值计算。计算数据表明,支管与主管转角处以及主管下游两侧是易磨损位置,流动磨损失效案例的解剖分析验证了数值预测的准确性。研究可为含固多相流管道磨损预测与优化设计提供参考。     

Numerical simulation on the erosion wear of a multiphase flow pipeline

The devices in coal chemical industries operate with harsh conditions, involving the high temperature, high pressure, and high concentration of pulverized coal particles. Therefore, leakages or perforations of pipelines occur frequently. In this paper, the numerical prediction on the erosion wear of a coal slurry transmission pipeline was conducted. The dense discrete phase model-kinetic theory of granular flow (DDPM-KTGF) and a modified erosion model were adopted to calculate the particle trajectories and erosion rates. In the numerical calculation, the erosion rate curve of 1Cr9Mo steel obtained in the experiments is incorporated into the erosion model. The results showed that the regions with high erosion risks predicted by the modified erosion model were in agreement with the experimental results. Then, the calculation method is validated. It is also found that the particle movements involve partial agglomeration under the drag of centrifugal force and the secondary flow, when they pass through the elbow. Larger particles are prone to impact on the back of the bend, which has more pronounced effect on the erosion wear. The positions of the maximum erosion rate on all the elbows were discussed, which provides a reference for the inspection on the wall thickness of pipeline.     

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。     

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。     

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。     

空间Z形管路液-固两相流冲蚀特性分析

空间Z形管路是油气开采过程典型的结构形式,在工程作业中受到高压高速液-固两相流的作用,容易导致管路系统产生冲蚀磨损失效。基于液-固两相流冲蚀磨损理论,选取合适的冲蚀磨损理论模型,讨论了流速、颗粒直径、质量流量、黏度以及重力等不同流体参数对管路系统弯头处的冲蚀磨损情况。结果表明:管路弯头处的冲蚀区域受内流场的影响存在明显差异,出口端弯头处的最大冲蚀率大于进口端弯管端。流速、颗粒直径、质量流量与整体管路最大冲蚀率呈正相关关系,黏度与整体管路最大冲蚀率呈负相关关系。分析了不同工况下空间Z形管路的冲蚀特性,获得了流体参数对管路冲蚀的影响规律,为工程实际复杂管路系统冲蚀磨损寿命预测提供技术参考。     

Upstream swirl-induction for reduction of erosion damage from slurries in pipeline bends

Industries which transport slurries and other particle-laden liquids in pipes expend the equivalent of millions of pounds every year to repair erosion damage caused by solid particle impingement. It is against this background that the perceived relationship between pipeline erosion and imposed swirling flow fields in pipe bends is important. Definitions of flow fields and particle dispersions which minimise erosive wear are sought to facilitate the development of new designs and geometries for slurry handling equipment. Such an approach is pertinent to industries handling valuable or hazardous material in the face of increasing safety, efficiency and economic requirements. Robust erosive wear models must be developed to explore the advantages of swirl flow and subsequent particle dispersion.

Collaboration between the universities of Nottingham and Southampton is aimed at the reduction of wear at critical locations in slurry handling pipelines by applying swirl-inducing pipes upstream of pipe bends. This paper details the improved particle distributions, particle impingement conditions and lower flowrates resulting from such swirl flow. These factors are discussed in terms of current erosion models and the predicted reduction in wear rates. Parallel visualisation studies using simulant particle-laden liquids augment computational modelling of the flow patterns.     

Fluid dynamic mechanisms of particle flow causing ductile and brittle erosion

Traditional prediction of erosion focuses on the use of velocity and impact angle of particles as independent variables in analytically derived models. This approach is most suitable for numerical predictions of erosion in disperse flow fields where particle trajectories may easily be followed prior to impact. For dense particle flows, the prediction of individual particle or particle cluster movement is nearly never attempted by following trajectories. Instead, two-fluid Eulerian–Eulerian approaches are used in which a continuous particle fluid phase is considered.The present study shows that the impact velocity and angle of attack of particles at the eroding surface are difficult to obtain for dense flows, thus being difficult to consider as parameters for predicting erosion. Instead, it is proposed that the normal and the shearing components of the viscous dissipation of the particulate phase are more suitable as independent flow variables governing the erosion process. These variables describe deformation and cutting wear processes, respectively, and are readily derived from the flow field.Eulerian erosion models are proposed, based on these independent variables. It is possible to implement previous results and theories concerning the material–mechanical interaction between the abrasive and an eroding surface to achieve model improvements. In this work, only a simple model taking into account a threshold elastic strain limit is proposed, to more correctly model the deformation wear.The particle-flow boundary condition — a partial-slip condition — significantly influences the erosion process, particularly the cutting erosion. The boundary condition depends on parameters such as the local particle phase flow, the mean diameter and the sharpness of the abrasive as well as the surface roughness.A simple 2D test application — a jet stream of particles impinging a tilted plate — is presented, and the qualitative angular behaviour of ductile and brittle erosion is reproduced at the target position. A scheme is presented for determination of material constants and suitable boundary conditions to be used in the proposed erosion models.     

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。     

离心压缩机内固粒运动规律与冲蚀磨损的数值模拟

针对离心压缩机叶轮的冲蚀磨损问题,利用FLUENT中离散相模型、质量冲蚀率模型,对压缩机内部不同粒径的固体颗粒的运行轨迹、运动速度、偏聚浓度及造成的叶片冲蚀率的分布进行了数值模拟。结果表明:粒径为5~20μm的绝大部分的固体颗粒流经大叶片压力面附近流道;固体颗粒在运动到叶片前缘过程中速度迅速升高,在压力面腹侧会有所减小,后缘处重新升高;大叶片后缘根部固体颗粒浓度高、运行速度快,冲蚀磨损严重,且固体颗粒直径越大对大叶片压力面造成的冲蚀磨损越严重。     

螺旋槽小孔节流动静压空气轴承颗粒冲蚀研究

为研究空气轴承在运转过程中细小颗粒对壁面冲蚀情况，借助三维建模工具建立动静压空气轴承模型，从连续方程、可压缩流体润滑方程、气体状态方程出发，推导出等温条件下稳态气体润滑Reynolds方程；结合离散相模型(DPM)颗粒平衡方程，分析颗粒运动轨迹和颗粒对壁面的最大冲蚀速率。借助Fluent仿真软件分析气源压力、主轴转速、粒径参数对气体轴承壁面冲蚀的影响。结果表明：随着粒径尺寸的增加，相同运行工况下，壁面冲蚀磨损速率呈现先增加后降低趋势；随着主轴转速的增加，壁面冲蚀磨损的面积在增加，但最大壁面冲蚀磨损速率在下降，同时壁面磨损面积向主轴正向旋转的方向延伸。