煤液化弯管冲蚀磨损的数值模拟研究

针对煤液化工业管道系统中弯管部位的冲蚀磨损问题,通过二次开发将磨损模型嵌入到FLUENT中模拟计算磨损率大小及磨损位置,将计算结果与试验数据相对比以验证模型的正确性,再将磨损模型应用到煤液化管道的冲蚀磨损预测研究中。结果表明:煤粉直径小于80μm时,磨损率随着粒径增大明显降低;最大磨损率与冲击速度成指数增长;最大磨损率随着管道弯曲角度增大而降低;弯径比为3时磨损率较小且磨损分布均匀。     

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。     

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。     

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...     

高压压裂液对JY-50压裂弯管冲蚀行为影响的数值模拟

目的研究在水力压裂作业中,高压压裂液对JY-50压裂弯管冲蚀磨损的影响规律及其主要影响因素。方法基于液-固两相流理论、FLUENT冲蚀模型,为消除误差,应用FLUENT3次重复性分析并取平均值,得到支撑剂密度、粒径、质量浓度、压裂液流速的变化对弯管冲蚀行为的影响。结果压裂弯管的易冲蚀区域为弯管段靠近出口的内壁面外侧区域和接近弯管出口的直管区域。随着支撑剂密度和粒径的增大,最大冲蚀速率均增大,支撑剂密度从2500 kg/m3增大到3500 kg/m3时,最大冲蚀速率增长了0.69倍,粒径从0.074 mm增大到0.54 mm时,最大冲蚀速率增长了1.45倍,但二者对平均冲蚀速率数值影响变化不大。支撑剂质量浓度的增大,导致冲蚀速率呈近似线性增大,从40 kg/m3增大到210 kg/m3时,最大冲蚀速率增长了2.3倍,平均冲蚀速率增长了1.526倍。流速从5 m/s增大到25 m/s时,最大冲蚀速率平均增长了34.30倍,平均冲蚀速率也增长了34.85倍。结论对JY-50压裂弯管冲蚀行为及影响进行了数值模拟,获得了压裂液的参数变化对压裂弯管的冲蚀影响规律,综合最大冲蚀速率和平均冲蚀速率数值及其增长倍数分析,压裂液流速是冲蚀速率增长的主要因素,对弯管冲蚀磨损影响显著。     

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。     

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。     

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。     

90°弯管冲蚀磨损仿真分析

在石油行业中,冲蚀磨损已成为输送管道损坏的一个重要原因.针对石油输送管道中90°弯管内壁冲蚀严重的问题,采用CFD数值模拟的方法对液固两相流弯管冲蚀进行研究,并对数值分析模拟结果采用最小二乘法进行非线性拟合,获得了颗粒直径、颗粒质量流率、流体速度、流体粘度、管道直径、管道弯径比等因素对90°弯管冲蚀磨损的影响规律,同时...     

流线型孔板流量计液固两相流冲蚀磨损数值模拟

目的探究在管输液固两相流体时,固体颗粒对孔板流量计造成的冲蚀磨损。方法运用基于欧拉-拉格朗日算法的DPM模型,对液固两相流体计量工艺中孔板流量计的冲蚀问题进行数值仿真,预测孔板流量计在液固两相流体流量计量工艺中易发生冲蚀磨损的区域。探究入口液相速度、固体颗粒粒径以及等数量颗粒冲击壁面时,固体颗粒粒径对孔板最大冲蚀速率的影响,并对比管输液固两相流体时,固体颗粒粒径对不同形状的孔板造成的冲蚀磨损速率大小。结果在孔板流量计的突缩管段易产生严重的液固冲蚀失效,最大冲蚀速率随着液相入口速度的增大而增加。当固体颗粒的质量流量相等时,最大冲蚀速率随着颗粒粒径的增加而减小;当单位时间内流经孔板的固体颗粒数量相等时,冲蚀磨损速率随着固体颗粒粒径的增加而增大。在液固两相流管道体系中,固体颗粒对凸型孔板造成的冲蚀磨损行为最弱。结论大颗粒对孔板的冲蚀磨损比较严重,在孔板计量过程中应严格注意。在流体中存在大量大颗粒时,采用凸型孔板流量计能有效改善冲蚀磨损情况。     

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.     

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。     

冰水两相流管道冲蚀磨损影响与防护

目的研究低温条件下冰晶颗粒随水流进入弯管并对弯管造成的冲蚀磨损,确定弯管关键防护区域。方法通过欧拉-拉格朗日双向耦合法,研究了冰晶颗粒的斯托克斯数、流速、粒径、质量流率以及管道弯径比对磨损特性的影响。结果冰晶颗粒的斯托克斯数会显著影响最大磨损率区域变化,当斯托克斯数由2.8增大至5.84时,最大磨损率区域由弯头内侧拱壁向弯头外拱壁与出口管道连接处转移,斯托克斯数高出或低于该范围时,最大磨损率位置不再发生变化,斯托克斯数的增加在一定范围内对最大磨损率没有绝对性影响。流速、粒径和质量流率的增大会使得最大磨损率不断升高,粒径和流速的变化会改变最大冲蚀磨损区域,而质量流率的改变对最大冲蚀磨损区域没有明显影响。弯径比的增大也会使得最大冲蚀磨损区域由弯头内拱壁向外拱壁与直管连接处转移,并降低最大磨损率。结论冰水两相流弯管的最大冲蚀磨损区域主要集中在弯头内拱壁、弯头外拱壁与出口直管连接处、靠近弯头侧壁三处,且大弯径比的管道可实现减磨防护。     

固液两相流管道冲蚀试验分析及防护方案

目的 分析液相流动、颗粒、管道结构参数对固液两相流弯管冲蚀的影响,设计一种弯管防蚀减磨防护方案。方法 通过循环管路试验分析流速、颗粒粒径和颗粒形状对弯管冲蚀率的影响,并通过数值模拟探讨渐扩式防护方案对固液两相流在弯管段流场分布的影响。结果 采用失重法分析试验结果,在含砂(质量分数2.5%,砂粒直径20~40目)的X80钢管结构下,冲蚀后贴片的质量损失率达到6.85%。经分析,试验贴片表面的主要损伤特征为弯头外拱壁的冲蚀率高于内拱壁,两侧壁面的质量损失率介于内外壁之间。采用数值模拟渐扩管(3∶4、3∶5、1∶2)对冲蚀的影响,在高流速(2.5 m/s)时,扩径比为1∶2渐扩管的冲蚀率下降了约30%,效果最为明显;在流体流速低于0.5 m/s时,粒径为200 μm的颗粒沉积增大了弯管外壁的局部磨损。尖角颗粒和球形颗粒对壁面的冲蚀效果不同,模拟的壁面冲击力有明显区别。结论 弯管段是典型的三维螺旋流动,在弯管段外拱壁的壁面附近为流动的高压低速区,内拱壁面附近流动为低压高速区。在冲蚀–腐蚀交互的过程中,管道外拱壁的局部损伤主要是因多次受到固体颗粒的冲击而积累的冲刷和磨损作用,内拱壁的损伤机理以腐蚀增重作用更为显著,而固体颗粒受到流体沿管壁方向轴对称的二次流剪切作用,对管道两侧壁面的损伤主要贡献了犁削和磨蚀作用,颗粒形状也影响了壁面损伤机制。防护方案是弯管段采用渐扩段圆管。数值试验表明,在颗粒粒径和流速一定时,采用特定比例的渐扩弯管段降低了流体通过弯管时的流速和湍流强度,能够达到减小冲蚀率的效果。     

椭圆歧型三通冲蚀磨损数值模拟

目的 解决石油化工行业中高压三通管汇因冲蚀磨损导致失效率高的问题,降低石油化工生产中的不可控成本,提高歧型三通管的使用寿命和管汇区的安全系数。方法 采用 模型,基于固–液两相流冲蚀理论建立椭圆截面歧型三通管冲蚀磨损数值模拟模型,预测椭圆截面歧型三通管在工作时发生冲蚀磨损的几何位置。研究椭圆截面歧型三通管的椭圆形状和方位夹角对管道最大冲蚀率的影响,对比i=0.85时的椭圆截面和i=1时的普通圆截面2种歧型三通管在不同质量流率、颗粒直径、液体流量、流体黏度下对管道最大冲蚀率的影响。结果 夹角为60°时,管道最大冲蚀率最大,夹角为50°和70°时,管道最大冲蚀率比较接近,夹角为40°时,管道最大冲蚀率最小。不同夹角时均满足:当i由0.76增大至1过程中,管道最大冲蚀率先缓慢减小,后迅速增大,在i=0.85附近有最小值,最大值比最小值增大3.66倍;i=1减小至i=0.76过程中,相贯线处冲蚀率逐渐减小,主管中部的冲蚀率逐渐增加,且冲蚀区域逐渐由主管中部转移到主管上部,冲蚀最严重的区域由相贯线处转变为相贯线附近的回旋涡流区(低流速区)。i=1时,在不同固相颗粒质量流率和主管流量下,最大冲蚀率均明显大于i=0.85时的,增大倍数分别为1.9倍和1.93倍;在不同固相颗粒直径和流体黏度下,最大冲蚀率均明显大于i=0.85时的,增大倍数分别为2.74倍和2.36倍。结论 椭圆截面歧型三通管i值由0.76增大到1过程中,最大冲蚀率先减小后增大,且在i=0.85附近有最小值;i=0.85时,最大冲蚀率在不同工况下的变化趋势与i=1时基本一致,但冲蚀率的降低效果十分显著。     

材料冲蚀磨损的数值模拟研究现状及展望

总结了几种经典的冲蚀磨损理论模型,分析了各个模型的优缺点,认为至今仍没有一个公认的普遍适用的理论模型可用于预测材料的抗冲蚀性能。综述了国内外冲蚀磨损数值计算模型,发现以往的冲蚀数值模型很少涉及到温度对冲蚀的影响,对多粒子冲蚀的模拟与实际工况仍存在较大差距。介绍了冲蚀模拟中对冲蚀模拟的准确性具有至关重要作用的关键技术,包括材料本构模型、失效准则、数值计算算法,接触计算算法等,最后提出了冲蚀磨损今后的研究和发展方向。