基于FLUENT的异径弯管冲蚀磨损研究

在许多工程领域,由于固体颗粒撞击引起的侵蚀问题一直存在,会引起异径弯管等部件出现侵蚀磨损现象。本文考虑了异径弯管中含砂介质流体对管壁冲蚀的作用,建立了异径弯管离散相DPM的模型,研究进出口管径比、中心引导线半径、流速、介质颗粒直径与介质浓度对冲蚀速率的影响。结果表明：异径弯头在含砂介质下的侵蚀区域主要位于异径弯头与小口径管的过渡部位,随着管径比的增加,异径弯头的侵蚀面积逐渐从异径弯管90°向0°扩大;在同等条件下,随着管径比的增大,异径弯管的冲蚀速率最终趋于平缓。冲蚀速率随入口速度及颗粒直径增大而增长,颗粒的质量流量、颗粒直径与冲蚀速率呈线性增长的关系;引导线直径在70～230 mm区间内,引导线直径与冲蚀率曲线呈M型。     

压裂双弯头液固两相流冲蚀影响数值分析

在水力压裂过程中,地面高压管汇受管内携砂压裂液的复杂流动影响,长期承受着严峻的冲蚀破坏。在各类高压管汇构件中,弯管的冲蚀损伤最为严重。为改善压裂双弯头冲蚀磨损状况,采用DPM模型、RNG k-ε湍流模型,综合分析了斯托克斯数(St)、重力方向、粒径及流速对串联双弯头冲蚀磨损的影响。结果表明：冲蚀磨损区域主要由St和重力方向共同决定;St<1时,最大冲蚀率随颗粒尺寸增大呈线性增加,St>1时呈指数增长;St相同时,速度对冲蚀磨损程度的影响远比颗粒尺寸强烈;向下流重力方向下,损伤区域随St增加完全转移至第二弯头的临界粒径显著小于向上流临界粒径;重力方向对同向冲击颗粒的冲蚀损伤虽有增强效应,其对冲蚀磨损程度影响远不及颗粒尺寸因素作用大。     

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。     

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。     

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。     

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。     

含砂原油对方形补偿器的冲蚀模拟

为研究不同因素对方形补偿器内固体颗粒冲蚀作用规律的影响,基于DPM模型,结合流固耦合稳态模拟及控制变量的方法,对热补偿能力相同的四种标准方形补偿器内壁面的冲蚀速率进行计算。结果表明,4种补偿器内的冲蚀速率随固体颗粒质量流率的增加而增大,其中,Ⅲ型补偿器C弯管局部冲蚀集中区最大占比达到96.2%,Ⅰ型补偿器冲蚀速率与质量流率近似呈线性正相关;在不同粒径范围内,4种补偿器先后出现波动的冲蚀速率变化周期,各型补偿器最大冲蚀速率差距明显。其中,Ⅳ型补偿器内的冲蚀速率可达到1×10^-7 kg/(m²·s)量级,明显高于其它3类补偿器;在热补偿量一定的情况下,弯径比为1.5的Ⅳ型补偿器最大冲蚀速率达到弯径比为2.75的Ⅰ型补偿器的6倍,随弯径比的增加,各型补偿器的冲蚀区域均出现明显的扩大。其中,Ⅳ型补偿器在外弧面区出现最大范围0°～240°的“带状”磨蚀区域,最大冲蚀速率逐渐下降并在弯径比为1.5时达到最低值。因此,应根据流体介质中固体颗粒粒径、质量流率及补偿器结构合理选择补偿器类型,从而减轻管件局部点蚀与大范围磨蚀对管道内表面电化学腐蚀保护膜的破坏,以...     

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。     

带障碍90°方形弯管气固两相流冲蚀失效分析

为了研究固体颗粒属性及流场作用对输气管道冲蚀磨损的影响规律,建立了带障碍90°输气管道物理模型,利用Fluent软件进行仿真分析,分别针对不同的入口流速、不同的颗粒质量流量、不同颗粒粒径、不同颗粒形状系数进行了数值模拟分析。结果显示:流体入口流速从10 m/s增加到20 m/s时,弯管冲蚀速率一直增大;颗粒质量流量增大时,弯管冲蚀速率也随之增大,呈正相关关系;颗粒质量流量一定时,随着颗粒粒径增大,弯管冲蚀速率呈先减小后增大的趋势;颗粒形状从接近于圆形逐渐变尖锐(形状系数从1逐渐变小)的过程中,弯管冲蚀速率逐渐增大。     

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。     

煤液化多相流输送弯管冲蚀磨损数值研究

针对煤液化中液-固两相流输送过程造成管道系统的冲蚀磨损失效问题,以90°圆形截面弯管结构为研究对象,采用标准k-ε湍流模型、颗粒轨道模型和冲蚀磨损模型,对弯管内的流动特性和壁面磨损率进行数值计算。研究表明,靠近弯管背部的流场速度高于腹部,粒子向背部聚集,导致背部的冲蚀磨损较其它部位更为严重。因此,实际管道系统中的弯管背部应为定点测厚重点监测区域。     

异面三通管冲蚀磨损的数值模拟研究

在管道输送过程中,油品中夹带的微小固体颗粒会对管道壁面产生冲蚀磨损。采用DPM冲蚀预测模型,模拟在不同流速、不同颗粒直径、不同质量流量下管道的冲蚀分布规律,预测异面三通管中受冲蚀磨损比较严重的区域。结果表明:固体颗粒对异面三通管的冲蚀主要集中在三管交汇处的弯面、水平管段的上侧管壁以及两水平管的交汇处,对管道弯头底部的冲蚀较小;管道的最大冲蚀率随流体入口速度的增大呈指数增长;管道的最大冲蚀率随颗粒直径的增大开始时缓慢增大,当颗粒直径增大到一定值时管道的最大冲蚀率随之呈线性增长趋势;管道的最大冲蚀率随着颗粒的质量流量的增大且呈线性增长。     

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。     

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。     

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。     

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。     

固体颗粒对水力旋流器冲蚀磨损特性的影响

针对工业污水处理系统中水力旋流器壁面的冲蚀磨损问题,采用FLUENT软件中RSM模型和DPM模型模拟水力旋流器内液、固两相流的流动情况,并以Grant和Tabakoff碰撞模型求解器壁冲蚀磨损速率。研究了不同颗粒流速、粒径和质量流量条件下器壁冲蚀磨损规律以及最大冲蚀磨损位置。结果表明:旋流器壁面最大冲蚀磨损率随着颗粒流速的增大而呈指数递增,与质量流量呈正相关关系,但与颗粒粒径呈不完全线性增长关系;旋流器壁面冲蚀磨损率随着颗粒流速、粒径和质量流量的改变而不同,其中颗粒流速变化的影响最大、质量流量次之、粒径的影响最小;固体颗粒碰撞和磨削旋流器壁面而引起局部磨损,并且影响最大冲蚀磨损区域的出现位置。     

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。     

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。     

高压异径管应力-冲蚀耦合损伤特性及结构优化

冲蚀损伤是管道失效的主要原因,通过数值模拟研究了高压异径管的应力-冲蚀耦合损伤演化特性。将自定义应力-冲蚀模型嵌入COMSOL Multiphysics,分析了流速、出口压力、质量流率、粒径、上游段长度等参数对内高压异径管冲蚀损伤演化的影响,并对异径管过渡段进行优化设计,提出了最佳几何构型。研究表明：在应力-冲蚀耦合下,上游段长度未达到临界长度前,最大冲蚀速率随着上游段长度的增大而增大,且冲蚀热点会不断下移。一旦上游段长度达到临界值,冲蚀形貌便会趋于稳定。管内应力的增加会引起管壁冲蚀加剧,且随着应力不断接近管道屈服应力,应力加速效应会更加显著,而流速、颗粒粒径、颗粒浓度是影响应力-冲蚀的主要因素。此外,冲蚀率随着过渡段倾角θ的减小而减小,不同流速下过渡段倾角的最佳取值存在差异。综合考虑成本及结构安全性,笔者认为θ=10°～15°为异径管的最佳构型。