振动对冰级船海水管道冲蚀磨损的影响及防护

目的研究海水管道在振动工况下受冰晶颗粒的冲蚀磨损规律,提出极地船海水管道系统优化措施,保障船舶在极地区域安全航行。方法通过CFD(计算流体动力学)中的离散相模型、冲蚀磨损模型和动网格技术,研究不同振动工况下冰晶两相流对水平和竖直方向布置的90°弯管冲蚀磨损特性,预测管道使用寿命变化情况。结果弯管磨损严重区域随振动工况发生改变,振动对水平弯管的磨损比对竖直弯管的大;振幅一定时,竖直弯管使用寿命均高于水平弯管,水平弯管从218.64 d降低到最小的12.75 d,竖直弯管从332.40d降到43.12 d。振幅为1 mm时,水平弯管在频率为10~20 Hz之间出现使用时间转折突变的现象,从112.01d增大到173.24 d,然后又大幅减小。结论振动对90°海水管道的使用寿命产生显著影响,80 Hz、2 mm振动工况的管道使用寿命比无振动时减少了205.89天。     

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。     

外加FeSi75对Sialon-Si_3N_4-SiC耐液固两相流冲蚀磨损的影响

以工业级Si_3N_4粉、FeSi75合金粉、Al_2O_3微粉、SiC颗粒等为原料,在最终温度1450 ℃下保温3 h,氮化反应烧成制备了Sialon-Si_3N_4-SiC复相耐磨材料.采用XRD、SEM等方法分析研究了外加FeSi75合金粉在0%～20%(质量分数, 下同)范围内的不同加入量对制得的复相耐磨材料性能和液固两相流冲蚀磨损的影响.结果表明:当外加FeSi75合金粉达到20%时,试样的体积密度为2.54 g/cm~3,抗弯强度达到71.38 MPa.随着FeSi75合金粉的增加,其耐液固两相流冲蚀磨损性能得到改善,加入20%FeSi75合金粉的试样,在相同实验条件下具有比95 Al_2O_3瓷更优的耐液固两相流冲蚀磨损的性能.     

液固两相介质流中Cu-Cr-Zr合金的冲蚀磨损行为

利用MCF-30冲蚀磨损实验机,对固溶态及随后经过不同形变热处理的Cu-Cr-Zr合金进行液固两相流冲蚀磨损实验,并运用扫描电镜对其微观形貌进行观察与分析。结果表明：在两种不同介质冲蚀磨损实验中,固溶态合金冲蚀磨损质量损失最大,且随形变时效后加工变形程度的增大,冲蚀磨损质量损失呈先逐渐下降然后上升的变化趋势;添加少量石英砂（10 g/L）后,合金冲蚀磨损质量损失约增加19%-35%;铜合金线材二次加工变形率在50%-80%之间时,具有良好的抗冲蚀磨损性能。     

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。     

SiC-改性环氧树脂耐磨涂料的液-固两相流冲蚀磨损行为

以改性环氧树脂为基体,以SiC微粉为增强相,制备了SiC-改性环氧树脂耐磨涂料.对试样进行液-固两相流冲蚀磨损研究的结果显示该耐磨涂料的具有好的抗冲蚀磨损性能,其抗冲蚀磨损能力与90Al2O3陶瓷相近;结合试样冲蚀磨损后表面的显微结构(SEM)分析研究说明SiC-改性环氧树脂耐磨涂料冲蚀磨损机理以显微切削为主;SiC微细颗粒能够改变裂纹扩展方向,消耗裂纹扩展能量,对耐磨涂料抗液固两相流冲蚀磨损的能力将起到重要的颗粒增强的作用.     

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。     

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。     

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。     

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。     

稠油热采四通管冲蚀特性影响因素数值模拟研究

目的 对稠油热采过程中的四通管进行气固两相流冲蚀研究,基于不同影响因素分析其冲蚀变化规律,并构建四通管最大冲蚀速率的预测模型。方法 基于气固两相流理论,构建CFD-DPM-EPM数值模型,研究不同流速、颗粒质量流量以及颗粒粒径对四通管冲蚀的影响,预测四通管最大冲蚀速率发生位置及数值大小,并建立了关联流速、颗粒质量流量和颗粒粒径的四通管冲蚀速率数学模型。结果 在四通管的肩部位置即竖直管与水平管交汇处和竖直管的封闭端顶部两处存在冲蚀,冲蚀模拟结果与实际失效四通管相吻合。随着四通管入口流速的增加,其最大冲蚀速率呈指数形式增长;随着颗粒质量流量的增加,其最大冲蚀速率近似呈线性增长;随着四通管内颗粒粒径增大,其最大冲蚀速率先减小后增大,存在冲蚀速率最小的临界粒径。构建的四通管冲蚀数学模型拟合值同模拟值对比,吻合度很高。结论 四通管出口段肩部位置冲蚀速率高于封闭端顶部位置,肩部为冲蚀磨损高危区。因此在实际应用过程中要重点关注肩部的冲蚀磨损程度并及时进行防护处理,通过局部加厚或添加扰流内构件来减轻肩部冲蚀;同时要适当降低流速并尽可能减少颗粒夹带,以增加四通管使用寿命。     

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。     

水平弯管含砂分散泡状流冲蚀机理分析

目的揭示水平弯管含砂分散泡状流的冲蚀机理。方法构建气液固多相流冲蚀实验环道,研究管道内流体流动状态及管道三维冲蚀速率。采用显微分析方法研究管道冲蚀形貌,并提出基于VOF模型和DPM模型耦合的瞬态冲蚀仿真方法。实验与仿真相结合分析管道内部气液分布、颗粒运动对冲蚀形貌的影响。结果弯管冲蚀最严重区域出现在弯头出口处(θ=90?),而冲蚀最严重位置则出现在该截面φ=45?以及φ=90?两个位置上。仿真可知整个弯管冲蚀严重的区域边界呈现出较为均匀的抛物线形状。砂粒对弯管的冲蚀作用主要以冲击变形和微切削摩擦为主,砂粒的直接冲击碰撞导致试样表面产生密集冲蚀坑,冲蚀坑周围有基体材料外翻形成的"唇片"。分散泡状流中的固体颗粒大部分分散在液相中,弯头处滞止区使得弯头处截面的含液率及颗粒含量大于上下游直管段截面。气体的存在改变了砂粒在管道中的运动状态,大大加剧了弯管的冲蚀。结论水平弯管含砂分散泡状流冲蚀严重区域、冲蚀形貌与管道内部气液分布及砂粒运动直接相关,多相流冲蚀瞬态仿真方法可准确地预测管道冲蚀。     

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。     

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。     

金属波纹管内表面镀层冲蚀性能

目的 在明渠条件下分析挟沙水流对金属波纹管内表面镀层的冲蚀情况,明确冲蚀的机理及特征。方法 采用自主搭建的循环试验水槽平台对金属波纹管涵进行挟沙水流的冲蚀试验。将波纹管设计为A、B、C管段,根据水的流速变化,选取各管段波纹截面及测点。根据不同粒径区间,在0.12、0.24、0.47 mm工况下,冲蚀时间达到200、400、600 h时分别测量各测点,得到内表面镀层在不同工况、不同位置的冲蚀量。结果 采用扫描电镜观察0.47mm工况下B2波纹段的冲蚀形貌,结果表明,波峰和迎水面位置的冲蚀坑紧密分布,镀层的冲蚀现象最为严重。在1个波纹周期内,沿着水流方向,波峰位置的冲蚀量相对最大,且迎水面镀层的冲蚀量比对称位置背水面的冲蚀量大;在垂直于水流方向的横断面上,中轴线位置的冲蚀量相对最大,两侧逐渐减小。在同等条件下,沙粒粒径为0.47 mm工况下的冲蚀率相对最大,其中T₀断面处的最大冲蚀速率达到了6.31μm/100 h。结论 波纹管内表面镀层因颗粒冲蚀,镀层减薄,直至消失,进而导致波纹管的失效速率加快。波峰位置的冲蚀速率相对最大,以波峰为对称轴,迎水面的冲蚀速率大于对应位...     

基于DEFORM的异种金属管复合塑性流动连接过程的数值模拟

为满足生产中对异种金属管材连接的需要,基于塑性流动原理,提出了一种新的异种金属管连接技术——复合塑性流动连接。运用Deform-3D软件对铝合金LY12和紫铜T2管材的连接建立了连接区的金属塑性流动模型并进行了数值模拟,分析了连接时的金属流动规律。结果表明:在连接过程中,旋压头及动态模具的联合作用对连接区域的金属塑性流动起关键作用,且其流动规律受联合作用的控制。     

有/无强制流动下定向凝固界面形貌的数值模拟研究

基于相场法对Ni-Cu合金的定向凝固过程进行了数值模拟,对比研究了抽拉速度、温度梯度对有/无强制流动下的凝固界面形貌的影响。结果表明,在强制流动的作用下,凝固界面向迎流方向倾斜生长;随着强制流速的增大,胞晶增大,沟槽的倾斜深度也逐渐增大,并且胞晶间的深度差别增大;在流动条件下,随着抽拉速度的增大,定向凝固界面演变模式为：平界面→深胞→浅胞→平界面,随着温度梯度的增大,凝固界面演化模式为：深胞→浅胞→平界面。此外,流动对凝固形成的胞晶一次间距产生重要影响