半球形突起弯管冲蚀特性数值研究

目的 设计一种带有半球形突起的表面结构,以减轻弯管在气固两相流中受到的冲蚀,并对其冲蚀分布和内部的流场结构进行分析.方法 采用CFD-DPM方法,将气相作为连续相,颗粒作为离散相,结合双向耦合、RNG k-ε湍流模型、Finnie冲蚀预测模型、Grant颗粒反弹模型和粗糙度模型进行计算,将试验数据与计算结果进行对比,以...     

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。     

弯管固体颗粒冲蚀理论与防冲蚀研究进展

在石油化工领域,管道输送系统的弯管非常容易遭受管内固体颗粒的冲蚀,使管道承压能力降低,增加管道输送的安全风险.首先对油气行业广泛采用的API RP 14E和DNV冲蚀准则进行了描述和分析,进而概述了国内外被较多专家学者提及的弯管固体颗粒冲蚀理论和模型,包括经典的微切削理论模型、变形磨损理论模型以及适用性较强的E/CRC...     

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.     

具有仿生内表面结构的弯管抗冲蚀特性数值分析

Pipeline erosion is an important problem that cannot be ignored in gas-solid two-phase flow. Erosion damages not only waste materials, consume energy and reduce equipment efficiency, but also accelerate equipment failure and reduce service life of equipment, resulting in greater economic losses. To solve this problem, from the perspective of bionics, the anti-erosion characteristics of transverse groove bionic surface with the triangle groove, rectangle groove and isosceles trapezoidal groove in gas-solid two-phase flow elbow were designed by referring to the body surface morphology of desert tamarisk and desert scorpion, and the erosion law of the elbow with bionic surface was discussed under different flow rates and mass flow rates. The best combination of erosion resistance was obtained by orthogonal test simulation design. CFD-DPM method, Finnie erosion model and Realizable k-ε model with vortex modification were adopted to carry out numerical simulation on the anti-erosion characteristics of the elbow with bionic surface structure by considering the bidirectional coupling between particle and fluid and study the effect of different flow rates and particle mass flow rates on the erosion. On the basis of numerical simulation, orthogonal test method was used to analyze the effect of three main parameters of the triangle groove bionic structure on anti-erosion characteristics. The numerical simulation results showed that the erosion of the elbow with bionic surface structure mainly occurred at the bottom of the groove in the 35°-60° area of the elbow, and the erosion was less in the concave area at the top. The three kinds of groove surface bionic structures could improve the wear resistance of the elbow. The maximum erosion rate of the ordinary elbow was 1.2×10-4 kg/(m2·s). The triangle groove had the best erosion resistance, and the maximum erosion rate was 38.33% higher than that of the ordinary elbow, followed by that of rectangle groove, which was 28% higher, and that isosceles trapezoidal groove, which was only 8.33% higher. The variation trend of the maximum erosion rate of the three biomimetic surface structures was the same as that of the ordinary elbow at different flow rates and particle mass flow rates, and the order of anti-erosion performance did not change with the change of flow rates and particle mass flow rates. Orthogonal test results showed that the affecting factors of erosion in the triangle groove were groove spacing, groove width and groove depth in turn. Under the simulation conditions, the best combination was the triangle groove with width of 4 mm, depth of 4 mm and spacing of 3mm, and the anti-erosion performance was improved by 41.5% compared with that of ordinary elbow. The bionic surface structure of the groove enhances the turbulence intensity of the fluid, leading to the flow field change around the groove structure, which is easy to be drawn by the fluid and reduces the collision between the particles and the wall. The height difference between the top and bottom of the groove absorbs the kinetic energy of particle collision and reduces the collision velocity, thus reducing erosion. The surface bionic structure with the best erosion resistance is the triangle groove, rectangle groove and isosceles trapezoidal groove. The affecting factors of erosion in the triangle groove are groove spacing, groove width and groove depth. This conclusion can provide a new idea for the design of anti-erosion characteristics of elbow. © 2023 Chongqing Wujiu Periodicals Press. All rights reserved.     

高速固体颗粒冲击下30CrMo钢的冲蚀机理测试研究

目的 随着中国西北部地区油气勘探开发难度不断增加,钻井井控装置的节流管汇面临日益严重的高速颗粒冲蚀磨损问题,为有效支撑节流管汇的冲蚀预测、结构优化以及防冲蚀措施制定等工作的开展。方法 依据标准ASTM-G76,采用气-固喷嘴冲蚀试验法,使用空气射流冲蚀试验机,开展了节流管汇材料30CrMo钢的冲蚀试验,并利用三维显微镜、扫描电镜（SEM）等设备,对试验结果进行了失重分析、三维轮廓分析和微观形貌分析。结果 冲蚀速率随冲击角（15°～90°）增加而减小,随颗粒冲击速度（107～149 m/s）增加而增大;冲蚀面积随冲击角增加而减小,几乎不随颗粒冲击速度变化;冲蚀深度随冲击角增加而先增大后减小（在60°冲击角附近最大）,随颗粒冲击速度增加而增大;30CrMo钢的冲蚀机制受冲击角影响,不受颗粒冲击速度影响;在低冲击角（15°、30°）下以犁削机制为主,在中等冲击角（45°）下以犁削、压实与开裂的混合机制为主,在高冲击角（60°、90°）下则以压实与开裂机制为主。结论 高速固体颗粒冲击下30CrMo钢的材料移除过程为典型的塑性材料冲蚀行为;冲击角通过冲蚀机制影响冲蚀速率,颗粒冲击速度通过颗粒冲击...     

储气库管柱冲蚀理论及预测研究进展

储气库的管柱冲蚀规律较复杂,且冲蚀预测难度较大,开展循环注采工况下的储气库管柱冲蚀理论、冲蚀预测方法研究具有必要性及迫切性。目前,针对储气库强采强注工况下的管柱冲蚀报道极少。综述了塑性材料及气主导体系管柱冲蚀机理、冲蚀预测方法,对保障储气库管柱注采安全具有一定借鉴意义。以塑性材料冲蚀机理为出发点,详细介绍了适用于管柱塑性材料的微切削、变形切削、挤压-薄片、局部变形、二次冲蚀及靶面热熔等六大典型冲蚀理论,并汇总其优缺点。指出适用于储气库管柱的冲蚀准则（材料的临界冲蚀流量、临界冲蚀流速、表面延展性、质量损失、体积损失、强度衰减）及冲蚀表征指标（冲蚀比、临界塑性应变、冲蚀损失率、材料剩余最小安全系数）,针对这些指标介绍了目前国内外典型的旋转式、射流式、管流式、单颗粒冲蚀式实验系统,以及基于实验数据的冲蚀预测经验模型,如使用频率最高的E/CRC模型和Oka模型等。描述了基于CFD预测冲蚀的普遍流程及不足,分析了基于人工智能预测管柱冲蚀的可行性,这对保障储气库安全高效注采具有一定的理论指导及现实意义。     

基于CFD-DEM耦合方法的喷砂冲蚀特性

传统喷砂在实践中多以经验为主,缺乏理论支撑。研究喷砂工艺的冲蚀磨损规律及其影响因素。在 CFD-DEM 耦合的基础上,引入 Archard wear 模型求解喷砂气固两相流对平板的冲蚀过程,预测颗粒冲击状态和冲蚀区域效果,研究不同的喷射角度、砂粒粒径及供砂速率对平板冲蚀深度总量的影响规律及其变化原因。结果表明：喷砂作用于平板形成的冲蚀区域形貌大致为盆地状,但又因喷射角度的不同会造成类椭圆形或类圆形区域。在控制单因素变量条件下,冲蚀深度总量随着喷射角度增大先缓慢增大至峰值,随后基本上呈线性减小,因此喷砂作业时应尽量保持倾斜,以喷射角度 50°为宜,另外,从能量出发,喷射角度 50°时法向-切向累积接触能量都相对较大;同时砂粒粒径在 0.25 mm＜d＜0.55 mm 范围内,冲蚀深度总量下降最快;冲蚀深度总量随供砂速率增大呈线性梯度增大。以数值模拟和试验验证相结合的形式给喷砂工艺提供了一种较为可行的研究方法。     

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。     

基于Fluent的异径偏心弯管环烷酸冲蚀分析

在高温环烷酸腐蚀环境中,应用Fluent软件对不同结构尺寸的异径偏心弯管弯头与变径后直管段内的流场进行了数值模拟。根据流速、剪切力等流体力学参数的变化情况,结合高温环烷酸腐蚀机理,分析了流场对异径偏心弯管冲蚀的影响,预测并验证了异径偏心弯管易腐蚀的部位。结果表明:异径偏心弯管弯头两侧与外侧还有变径后直管段180°~360°附近壁面上的剪切力较大,易发生环烷酸冲蚀;弯头内侧剪切力随直管段长度增大而增大,弯头两侧剪切力随直管段长度增大而减小,弯头外侧剪切力不随直管段长度改变而改变。因此,在实际检测中,对于直管段较长的异径偏心弯管,除了弯头两侧与外侧,还要注意弯头内侧的检查。     

弯管液固两相流冲蚀失效模拟分析

目的分析流体参数、砂粒参数、环境参数对液固两相流弯管冲蚀失效的影响。方法利用FLUENT模拟弯管冲刷腐蚀,分析流速、粒径、砂粒质量流量、操作压力、重力方向对弯管冲蚀的影响。结果管内流速从2 m/s增加到10 m/s,最大冲刷腐蚀速率从8.86×10-8 kg/(m2·s)增加到2.45×10-7kg/(m2·s);颗粒粒径从75μm增加到200μm,再增加到550μm,最大冲蚀速率先从2.04×10-7 kg/(m2·s)减小至1.5×10-7 kg/(m2·s),后增加到2.66×10-7 kg/(m2·s);砂粒流量从0.05 kg/s增加到0.25 kg/s,最大冲蚀速率从8.56×10-8 kg/(m2·s)增加到3.20×10-7 kg/(m2·s);管内操作压力从0.1 MPa增加到0.9 MPa,最大冲蚀速率从1.50×10-7 kg/(m2·s)减少至1.25×10-7 kg/(m2·s);弯头出口由垂直向下位置变化为垂直向上,冲刷腐蚀速率从1.50×10-7 kg/(m2·s)逐渐增加至1.86×10-7 kg/(m2·s)。结论流速与冲刷腐蚀呈正相关关系;随着砂粒直径的增加,最大冲刷腐蚀速率先减小后增加;在一定范围内,最大冲刷腐蚀速率随着砂粒流量增加而增加;管内操作压力的变化对冲蚀减弱现象影响不明显;出口垂直向上时,冲蚀破坏最严重。     

真空度对真空冷喷涂气固两相流的影响

目的真空度直接影响着真空冷喷涂时气体流动特性和颗粒撞击速度,研究真空度对气体和颗粒流动特性的影响。方法确定真空冷喷涂系统结构,采用FLUENT软件进行真空冷喷涂气固两相流研究,通过数值模拟研究真空度对流场和颗粒撞击速度的影响,并研究相同压力比下的气固两相流特性。结果当入口压力一定时,喷管内的气体轴线速度、密度和温度与环境压力大小无关;而在射流区,环境压力越小,则气体轴线速度波动越小、密度越低,但到达基板后的气体温度均接近喷管入口温度。环境压力对大粒径颗粒的撞击速度影响较大,颗粒撞击速度随环境压力增大而先增后减,最佳环境压力可根据气相云图和气体密度来确定。当进出口压力比相同时,喷管内和射流区域内的气相速度云图基本相同,气体轴线速度曲线基本重合,而基板前的颗粒速度不同,此时环境压力越低,颗粒速度越高,越有利于形成涂层。结论采用计算流体动力学分析方法厘清了真空度对真空冷喷涂气固两相流的影响,为涂层制备奠定了理论基础。     

气-固两相流雾化喷嘴的磨损分析

目的为了解决雾化法磁性磨料制备过程中,雾化喷嘴容易发生冲蚀磨损而无法形成有效流场的问题,分析雾化喷嘴的冲蚀磨损机理,为雾化喷嘴的设计提供理论依据。方法选用Al2O3硬质磨料颗粒、Si C材料的喷嘴,运用理论分析与计算机模拟(CFD)相结合的方法,探究雾化喷涂冲蚀磨损的机理,并研究雾化压力与最大冲蚀磨损率的关系。结果运用理论分析,得出了雾化喷嘴的冲蚀磨损形式为脆性断裂与微切削两种。运用CFD计算机模拟分析,得出了雾化喷嘴的冲蚀磨损分布图,其冲蚀磨损率随着雾化压力的增加而增加。当雾化压力为3 MPa时,雾化喷嘴的最大冲蚀磨损率达到了5.3×10-7 kg/(m2·s);当雾化压力为5 MPa时,雾化喷嘴的最大冲蚀磨损率达到了1.3×10-6 kg/(m2·s),较3 MPa时增加了59%。结论可以采取将硬质磨料注入与雾化工序分离的方法来改进雾化喷嘴的结构,从而减少在制备磁性磨料过程中硬质磨料颗粒对雾化喷嘴内壁的冲蚀磨损。     

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...     

文丘里管冲刷腐蚀数值模拟

目的 预防液固两相流冲刷腐蚀对管道内表面性能的影响,特别是在发生冲刷腐蚀可能性较大的变径管处。方法 基于计算流体力学和流固耦合原理,通过CFD中流固耦合技术,利用标准k-?涡流进行数值分析与离散相模型（DPM）进行流场分析。探究冲蚀角度、流体速度、固体颗粒粒径、颗粒质量流量对文丘里管冲刷腐蚀行为的影响规律,预测变径管处发生冲刷腐蚀行为的位置及严重程度。结果 文丘里管收缩角度从10°增加至70°时,最大冲蚀率先增加到3.82?10?5 kg/(m2?s),而在45°降到最小,后再次增加至6.23?10?5 kg/(m2?s);入口流速从8 m/s增加至20 m/s时,最大冲蚀率从9.44?10?7 kg/(m2?s)增加到5.09? 10?6 kg/(m2?s);冲刷固体颗粒粒径从6.25 μm 增加至300 μm时,最大冲蚀率从8.32?10?7 kg/(m2?s)减小7.64? 10?8 kg/(m2?s);质量流量从0.002 kg/s增加到0.008 kg/s时,最大冲蚀率从8.41?10?8 kg/(m2?s)增加到4.21? 10?7 kg/(m2?s)。结论 冲刷腐蚀行为随着冲蚀角度增大,先增强后减弱,再增强;随流速增大而显著增强;随着粒径增大而逐渐减弱;随着质量流量的增大而增强。在文丘里管的收缩段（节流区）最易发生冲刷腐蚀行为,且管道下半部冲刷腐蚀行为更严重。应采用收缩角为45°的文丘里管、控制流体速度、减少小粒径颗粒及降低质量流量,来抑制冲刷腐蚀行为。     

基于斯托克斯数的弯管冲蚀数值模拟

利用计算流体力学数值模拟软件Fluent,采用DPM模型中的稳态方法和随机轨道模型,进行颗粒的运动轨迹追踪。考虑到离散相对连续相的影响,采用相间耦合方法,基于斯托克斯数(St)进行了一系列颗粒对弯管管壁的冲蚀数值模拟。结果表明:弯管入口直管段,冲蚀速率很小且均匀;在随后的弯管段,颗粒聚集较多,该处冲蚀速率较大;出口直管段,当St1时,冲蚀情况由弯管外侧沿着管壁逐渐均匀过渡到整个管壁四周,管壁最大冲蚀速率随St的增大而略有增大,但增幅很小。当St1时,颗粒在内外管壁之间变性跃移,管壁冲蚀呈现不连续的点状冲蚀,管壁最大冲蚀速率随St的增大而略有增大,增幅很小,但明显大于St1时的最大冲蚀速率。