基于CFD-DEM方法的变径T型流道冲蚀特性研究

目的 研究石油开采过程中,携砂压裂液对变径T型流道壁面冲蚀磨损规律及主要影响因素.方法 针对石油压裂管汇及井下喷砂器等工具中常见的变径T型流道的冲蚀问题,建立了基于CFD-DEM的变径T型流道固液两相流冲蚀磨损预测模型,该模型中颗粒-颗粒、颗粒-壁面碰撞采用逆向迭代碰撞搜索算法,颗粒-流体耦合计算时间步长根据耦合收敛条件自适应调整.将数值方法与正交试验方法结合,分析各因素变化对均值主效应响应的优先排序和各因素的交互作用,并进行了单因素变化对冲蚀规律的影响.结果 单因素分析时入口流速增大,T型流道最大冲蚀速率和冲蚀面积均增大,冲蚀位置向支流道出口处移动,流体携带颗粒能力增强,堆积颗粒数量减小.砂比范围为5％～35％时,最大冲蚀速率与砂比正相关.最大冲蚀速率随粒径的增大而先增大后减小,随变径比的增大而减小.与最大冲蚀速率均值主效应分析结论一致,验证了正交试验结论的准确性.结论 径向流速、切向流速、管壁压力、最大冲蚀速率为衡量变径T型流道冲蚀程度的指标时,入口流速的影响最大,其次是支撑剂粒径、变径比、砂比,入口流速与其他因素的交互作用对冲蚀速率的影响最显著.     

高压隔膜泵单向阀阀隙流场的冲蚀磨损特性分析

目的 探究高压隔膜泵单向阀阀隙流场冲蚀磨损产生的原因及主要影响因素。方法 基于固液两相流基本理论和冲蚀模型,考虑颗粒保护效应及磨蚀效应,采用计算流体力学(CFD)方法模拟单向阀阀隙流场的冲蚀磨损行为,探究矿粉颗粒体积分数、颗粒粒径、单向阀半锥角、胶垫突出高度等参数对单向阀冲蚀磨损特性的影响。结果 矿粉颗粒紧贴阀芯壁面的剪切运动是造成阀芯发生冲蚀磨损失效的主要原因。当矿粉的体积分数由0.1增大到0.5时,由冲蚀造成的最大冲蚀磨损速率随之减小,由磨蚀造成的平均冲蚀磨损速率随之增大。当矿粉粒径为0.025~0.048 mm时,随着矿粉粒径的增大,平均冲蚀磨损速率随之增大。当矿粉粒径超过0.048 mm时,平均冲蚀磨损速率逐渐减小。当单向阀半锥角由30°增大到45°时,阀隙流场的最大流速由12.23 m/s减小至9.19 m/s,矿粉颗粒对阀芯壁面的最大冲蚀磨损速率减小了41.16%。阀隙流场的最大流速和冲蚀磨损速率随着胶垫突出高度h的增大而增大,同时位置也发生了相应变化。结论 矿粉颗粒体积分数的增加会加重粒子对阀芯壁面的损伤程度,随着粒径的增加,泵阀的最大冲蚀磨损速率先增大后减小,增大半锥角可以缓解颗粒对壁面的冲蚀磨损,增大胶垫突出高度会导致冲蚀磨损区域逐渐向胶垫突出位置集中。     

压裂泵泵阀冲蚀磨损的数值模拟

目的 研究压裂泵作业过程中泵阀阀隙流场的冲蚀磨损特性,探究其主要影响因素与影响规律。方法 基于固液两相流基本理论与冲蚀模型,采用计算流体力学(CFD)方法模拟泵阀阀隙流场的冲蚀磨损行为,探究支撑剂粒径、质量流量、泵阀半锥角、阀座孔入口半径、阀盘升程等参数对泵阀冲蚀特性的影响。结果 泵阀的冲蚀磨损主要表现为支撑剂对阀盘边缘处的直接冲击与对阀座锥面处的切削作用。支撑剂粒径由0.062 5 mm增大到0.375 mm时,最大冲蚀速率增大了4.80倍,继续增大到1.5 mm时,最大冲蚀速率减小了76.12％;当其质量流量由5 g/s增大到25 g/s时,最大冲蚀速率增大了3.84倍。当泵阀半锥角由30°增大到50°,阀盘升程由5 mm增大到15 mm时,最大冲蚀速率分别减小了95.55％与92.57％;随着阀座孔入口半径由30 mm增大到50 mm,最大冲蚀速率增大了10.47倍。同时,阀盘升程的增大还会显著影响冲蚀磨损区域的分布。结论 压裂泵泵阀的最大冲蚀速率随支撑剂粒径的增大先增大后减小,随阀座半锥角与阀盘升程的增大而减小,随支撑剂质量流量与阀座孔入口半径的增大而增大。其中,泵阀结构参数对泵阀冲蚀磨损的影响更为显著。     

基于CFD对60.3 mm弯管冲蚀仿真预测

目的提高工业生产过程中弯管冲蚀预测可靠度。方法在拉格朗日坐标系,通过CFD-DPM模型求解在流体作用下固体颗粒对弯管的冲蚀问题,并利用冲蚀方程研究流体速度、固体颗粒直径和固体颗粒质量流量分别与弯管冲蚀之间的关系,预测弯管最大冲蚀位置及模拟数值。结果通过仿真得到弯管冲蚀最大冲蚀位置主要集中在弯管出口的水平两侧和弯管入口的垂直两侧。随着固流体速度u由8 m/s增大至18 m/s时,固体颗粒对弯管的最大冲蚀速率增大了9.912倍;冲蚀固体颗粒的质量流量f由0.2 kg/s增大到0.8 kg/s时,弯管最大冲蚀速率增大了4.527倍;当仿真过程中固体颗粒直径由200μm增大到900μm时,弯管的最大冲蚀速率增大了3.94倍。结论当固体颗粒直径、固体颗粒速度和固体颗粒质量流量不变时,弯管冲蚀随着流体速度的增大而增大,弯管冲蚀区域在弯管出口水平位置逐渐增大。当固体颗粒直径增大,流体速度固体颗粒质量不变时,固体颗粒在惯性力作用下,弯管肘部的冲蚀逐渐增大,弯管出口水平两侧冲蚀逐渐减小。弯管冲蚀在固体颗粒质量流量增大时,呈增长趋势。     

高压管汇三通冲蚀磨损特性研究

目的 研究在页岩气开采过程中,含砂压裂液对高压管汇三通冲蚀磨损的影响规律及主要影响因素.方法 基于两相流颗粒冲蚀理论建立三通冲蚀数值计算模型,预测三通在使用过程中易发生冲蚀磨损的部位,研究三通方位夹角,压裂液入口流量、固相颗粒体积分数、颗粒直径和压裂液密度对三通冲蚀速率的影响.结果 Y型三通和歧型三通冲蚀最严重的部位均在支管与主管的相贯线上.在控制单因素变量的前提下,随着方位夹角从30°增加到150°时,Y型三通的最大冲蚀速率增大了12.7倍.而随着方位夹角从30°增加到90°时,歧型三通的最大冲蚀速率增大了1.85倍,并且最大值出现在60°附近.随着压裂液入口流量从0.5 m3/min增加到2.5 m3/min,Y型三通的最大冲蚀速率增大了232.5倍;随着压裂液入口流量从1 m3/min增加到4 m3/min,歧型三通的最大冲蚀速率增大了7.5倍.同时随着固相颗粒体积分数从2％增加到10％,粒径从200μm增加到600μm,密度从1000 kg/m3增加到1400 kg/m3,Y型三通的最大冲蚀速率分别增大了4.4倍、0.63倍、1.3倍,而歧型三通的最大冲蚀速率分别提高了4.4倍、0.58倍、1.06倍.结论 两种三通的最大冲蚀速率均随着入口流量、固相颗粒体积分数的增加而变大,随粒径的增加而减小.Y型三通的最大冲蚀速率随空间夹角、压裂液密度的增加而变大,但歧型三通的空间夹角为60°时冲蚀最严重,且压裂液密度对其影响较小.     

π型管的冲刷腐蚀数值模拟

目的 基于液固两相流体在管道流输的情况，研究π型管在不同影响因素作用下的冲刷腐蚀程度。方法 目前对π型管的研究尚少，因此确定模型为π型管。针对输气管道中π型管冲蚀磨损失效的问题，运用Ansys fluent软件中的DPM模型和k-ε模型，针对通入气液两相流介质时，液体中颗粒冲击π型管壁面的问题开展数值模拟研究。运用控制变量(管道进口流速、颗粒质量流量、颗粒直径)的方法，观察不同参数对π型管磨损的影响情况。结果 π型管存在A、B两处腐蚀。在一定范围内增加π型管的入口流速，整体最大冲蚀率也发生明显改变，且逐渐递增。在一定范围内增加π型管内固体颗粒粒径，整体最大冲蚀率也发生明显改变，且逐渐减少。在一定范围内增加π型管的质量流量，整体最大冲蚀率也发生明显改变，且逐渐递增。结论 A处的腐蚀范围大于B处的腐蚀范围。整体的最大冲蚀率随着流速的增大而增大。速度越大，流体的曳力越强，对腐蚀程度造成的影响越大。整体的最大冲蚀率随着质量流量的增大而增大。速度增长与最大腐蚀率近似可以看成线性增长，存在正相关关系。改变几组不同粒径颗粒的质量流量，观察整体最大冲蚀率与质量流量近似成线性相关，存在正相关关系。整体的最大冲蚀率随着颗粒直径的减少而逐渐减弱。颗粒直径越小，流体所携带的颗粒能力越强，造成的腐蚀程度越强。通过对比分析不同参数腐蚀程度，从而预测出冲蚀最容易发生腐蚀的位置为A、B两个弯头处。     

油气管道弯头冲蚀仿真研究及影响因素分析

当管道中输送高速流动的油气时,受固体颗粒的冲蚀,常常导致管道弯头失效。从计算流体动力学的角度出发,应用Erosion/Corrosion Research Center冲蚀磨损模型对油气管道弯头的冲蚀进行模拟,并进一步分析了流体的流动状态及自身的微观属性。首先得出了颗粒直径、入口速度及质量流量分别对管道冲蚀速率的影响。其次根据仿真结果得出不同因素对油气管道弯头冲蚀速率影响程度不同,但它们所对应的最大冲蚀位置均集中于弯管外侧。其中固体颗粒直径在小于和大于800μm的情况下,得到的管道弯头冲蚀规律存在显著性差异。而入口速度和质量流量均对油气冲蚀速率具有正向促进作用,且入口速度对冲蚀速率的影响效果更为明显。     

煤炭地下气化生产井井口装置冲蚀规律研究

目的 研究煤炭地下气化生产井口装置采气过程中,携带煤灰、煤渣的粗煤气对井口装置采气流场区域冲蚀磨损的影响规律及主要影响因素。方法 基于气–固两相流理论,采用离散相模型(DPM)描述离散固相颗粒的运动学和运动轨迹,采用雷诺–平均–纳维–斯托克斯(RANS)方程计算连续相的流体动力学特性,通过数值分析得到主要冲蚀磨损位置,以及固体颗粒粒径、颗粒质量流量、粗煤气流速的变化对采气流场区域冲蚀率的影响,并通过实验进行验证。结果 主要冲蚀磨损区域在小四通和侧阀Ⅰ的内部壁面。固体颗粒粒径为20～200μm,小四通内壁面处,颗粒粒径为40μm时最大冲蚀率最大,为8.7×10^–7 kg/(m²·s),是粒径为180μm时的11.9倍。固体颗粒质量流量为2.5×10^–4～12.5×10^–4 kg/s,小四通内壁面处,在质量流量为12.5×10^–4 kg/s时,最大冲蚀率最大,为7.3×10^–7 kg/(m²·s),是质量流量为2.5×10^{–4 ...}     

气固两相流饲料输送管道结构优化研究

目的 针对饲料输送管道气固两相流对弯管壁面冲蚀磨损严重的问题,提出一种在弯管外侧加设辅助气流的新型结构.方法 运用计算流体力学方法,采用离散相模型(Discrete Phase Model,DPM)研究普通和新型弯管的冲蚀磨损情况,模型的有效性通过普通弯管压降梯度实验加以验证.通过分析两种弯管的流场分布情况,进一步研究空气进口速度、颗粒质量流量和颗粒粒径等因素对弯管冲蚀磨损的影响.结果 随着空气进口速度的增加,弯管的平均冲蚀磨损速率先减小、后增大,但新型弯管的平均冲蚀磨损速率降低了7.1％～8.5％,且当空气进口速度为35 m/s时,平均冲蚀磨损速率最小.当颗粒质量流量增加时,弯管平均冲蚀磨损速率基本呈线性增长,但新型弯管平均冲蚀磨损速率的增长速率略小于普通弯管,且平均冲蚀磨损速率降低了8.2％～9.7％.当颗粒粒径增加时,弯管的平均冲蚀磨损速率先急剧增大、后平缓变化,但新型弯管平均冲蚀磨损速率降低了8.2％～17％.结论 通过研究发现,弯管外侧均存在冲蚀磨损,但新型结构均能有效减小弯管的冲蚀磨损.颗粒质量流量对弯管冲蚀磨损的影响最大,且颗粒质量流量越大,平均冲蚀磨损速率越大.颗粒粒径对降低弯管冲蚀磨损的效果最好,且颗粒粒径越小,效果越佳.     

基于DPM模型的离心泵非定常固液两相流及磨损计算

运用离散相模型（ DPM）结合半经验的磨损模型,模拟计算离心泵内非定常固液两相流动,探索固相颗粒运动以及对泵材料磨损的规律。计算中将液相视为连续介质,求解欧拉坐标系下的流体控制方程;把固体颗粒相视为离散介质,在拉格朗日坐标系下求解颗粒运动方程,采用迭代计算方法实现固液两相耦合。选取常用的IS型离心泵作为研究对象,清水作为连续相,石英沙粒作为离散相,粒径为0.05-0.2 mm,泵进口颗粒体积率为0.5%-3%。计算得到了离心泵内固液两相流场特性,得到了泵内固体颗粒群的运动轨迹和材料磨损率分布等有价值的结果。     

天然气水合物喷射破碎压控滑套冲蚀磨损特性研究

目的 研究天然气水合物开采过程中,钻井液对喷射破碎压控滑套冲蚀磨损的影响规律及主要影响因素.方法 基于欧拉-拉格朗日算法的DPM模型,建立了滑套冲蚀磨损数值分析模型,预测了压控滑套在使用过程中易发生冲蚀磨损的区域.探究了不同的钻井液粒径、入口液相流速、质量流量及封堵块位置的变化,对冲蚀磨损过程的影响规律.结果 压控滑套的易冲蚀区域为封堵块面、过流通道口、内壁面三个位置.在控制单因素变量条件下,易冲蚀区域最大冲蚀率和冲蚀面积随着粒径增大而增大,粒径从0.1 mm增大到1.1 mm时,易冲蚀区域平均最大冲蚀率增大了63.4倍,并在不同粒径段呈现不同变化趋势.随着封堵块与滑套距离减小,易冲蚀区域平均最大冲蚀率增加,距离从50 mm降低到5 mm时,平均最大冲蚀率增大了3.8倍,并在不同的距离段呈现不同变化趋势;同时随着封堵块与滑套距离减小,内壁面的冲蚀面积降低明显,封堵块和过流通道冲蚀面积没有显著变化.随着入口流速和流体质量流量的增加,易冲蚀区域最大冲蚀率呈现指数增加,流速从6 m/s增大到14 m/s时,易冲蚀区域平均最大冲蚀率增大了9.5倍,流体质量流量从0.001 kg/s增大到0.007 kg/s时,易冲蚀区域平均最大冲蚀率增大了5.6倍,但冲蚀面积都没有显著变化.结论 滑套封堵块面、过流通道和内壁面最易发生冲蚀破坏.冲蚀颗粒直径应该小于0.3 mm为宜,封堵块与滑套距离应该大于30 mm,同时入口流速和质量浓度越小,冲蚀情况越好.综合最大冲蚀率数值及增长倍数分析,粒径是冲蚀率增长的主要因素.该研究为喷射破碎压控滑套的设计和应用提供了指导意义.     

Experimental and numerical investigation of the effect of process parameters on the erosive wear of die casting dies

This study investigates the causes and the mechanism of erosive wear in die casting dies, which are commonly made of H-13 die steel, by controlled experiments and computer simulations. Experiments were carried out under actual production conditions for a range of process and geometrical conditions with the accelerated erosive wear of core pins being used as a surrogate measure of die erosive wear. This paper reports the results of an investigation of the effect of metal velocity, inlet melt temperature, and the angle of metal impact on erosive wear in die casting dies. The study shows that in die casting, the erosive wear profile exhibits a strong correlation with the impact velocity profile, the erosive wear rate increases with a decrease in the inlet melt temperature, and the maximum erosive wear takes place at a metal impact angle of 72°. This indicates that the primary driver of erosion in die casting is the impact of partially solidified metal or solid particles at high velocities, with diffusion effects not being as critical.     

基于有限元的20#钢冲蚀磨损行为模拟

目的研究固体颗粒对油气井管柱或地面油气输送管道材料的冲蚀磨损规律。方法通过对石英砂颗粒形状特征抽提了颗粒模型,采用有限元方法模拟了其对20~#钢的冲击磨损动力学行为。在不同冲击角度、不同颗粒粒径和不同冲击速度的条件下,分析材料表面冲击破坏应力特征和材料堆积形态。结果在给定的参数条件下,随着冲击角度的增大,最大等效应力先上升后下降,在40°时达到最大值1370 MPa。高角度冲蚀时,表现为凿坑和塑性挤出;低角度冲蚀时,以微切削和犁沟形唇为主,在冲蚀坑两侧及前端有材料堆积,冲蚀坑前端的变形唇高度逐渐增加,在40°时达到最大值0.019 85 mm。随着冲击速度的增大,最大等效应力单调增大,冲击坑深度变化不大,但冲击粒子前端的堆积材料明显增多,变形唇片高度增大。当粒径小于0.15 mm时,最大等效应力随粒径的增加而增大,粒径为0.15 mm时达到最大值1410 MPa。当粒径超过0.15 mm时,最大等效应力随粒径的增加而减小。随粒径的增加,冲蚀坑深度缓慢增加,粒子前端的变形唇片高度明显增加。结论采用有限元方法对石英砂冲击20~#钢的动力学行为进行了成功的模拟,获得了冲击角度、冲击速度以及颗粒粒径的变化对20~#钢冲击过程中应力分布、冲蚀形貌变化的影响规律。     

弯管液固两相流动冲蚀磨损的数值预测

固体颗粒的冲蚀磨损是导致液体管道壁面磨损甚至失效的主要原因。本文基于计算流体动力学（CFD）方法,研究弯管在不同条件下冲蚀磨损分布规律。对8种常用的冲蚀模型分别进行计算评估,结果显示,基于DNV冲蚀模型的预测结果与实验结果吻合较好。基于DNV模型研究不同颗粒属性下弯管冲蚀磨损的分布规律。结果表明:随着颗粒直径从10 μm 增加到200 μm,最大磨损速率先减小后增大;当颗粒质量流量为0.02~0.20 kg/s 时,最大磨损速率随着颗粒质量流量的增大而线性增大;随着颗粒形状系数从0.2增加到1.0,最大磨损速率先增大后减小。研究结果可为实际工程应用提供一定的理论支撑。     

纤维增强环氧树脂复合材料抗固体颗粒流冲蚀磨损研究进展

在生产生活中,固体颗粒流冲蚀磨损会造成经济损失,并且存在安全隐患。环氧树脂复合材料具有较好的强度和耐冲蚀性能,被广泛地应用于颗粒流冲蚀磨损工况下。为进一步提升环氧树脂的耐冲蚀性能,通常通过填料来改性环氧树脂,其中纤维增强环氧树脂表现出优异的耐固体颗粒流冲蚀性能,使得环氧树脂复合材料的应用更加广阔。根据纤维的种类可以将其分为无机纤维(玻璃纤维或碳纤维)、自然纤维及混和纤维增强环氧树脂复合材料。综述了纤维增强环氧树脂复合材料抗固体颗粒流冲蚀性能的研究现状,讨论了不同的纤维增强复合材料表现出的冲蚀行为(塑性、脆性、半塑性、半脆性),重点分析和对比了不同纤维填料特性(纤维类型、纤维含量、纤维取向)增强环氧树脂复合材料在不同工况条件(冲蚀角度、冲蚀速度、磨粒特性)下的耐冲蚀磨损性能,阐明了不同纤维增强环氧复合材料的冲蚀模式和抗冲蚀机理,指出其现存的问题并展望其发展方向和前景。     

Slurry Erosion Studies on Surface Modified 13Cr-4Ni Steels: Effect of Angle of Impingement and Particle Size

Hydroturbine steels, such as 13Cr-4Ni martensitic steels, are generally subjected to heavy-erosive wear and loss of efficiency due to solid particulate entrainment in the water. Surface-modified steels have proven to give better performance in terms of erosive wear resistance. In the present study, an attempt is made to investigate the effect of angle of impingement and particle size on slurry-jet erosion behavior of pulsed plasma nitrided and laser hardened 13Cr-4Ni steels. Laser hardening process has shown good performance at all angles of impingement due to martensitic transformation of retained austenite. Plastic deformation mode of material removal was also an evident feature of all laser-hardened surface damage locations. However, pulsed-plasma nitrided steels have exhibited chip formation and micro-cutting mode of erosive wear. Erosion with 150-300 μm size was twice compared to 150 μm size slurry particulates.