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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

Si_3N_4-SiC复相耐磨材料的冲蚀磨损性能

以Si粉和SiC为原料,采用半干法冷等静压成型,通过反应烧结成功制备了Si_3N_4-SiC复相耐磨材料.并将其和95Al_2O_3耐磨陶瓷在以水和SiC混合颗粒为冲蚀介质实验条件下,进行液固两相流冲蚀磨损对比实验.结果表明:原料中Si粉加入量为40%～80%(质量分数)试样的耐冲蚀磨损性能优于95Al_2O_3耐磨陶瓷.原料中Si粉加入量为70%试样的耐固液两相流冲蚀磨损性能最好,在平均线速度分别为132和67 m/min的实验条件下的冲蚀率分别仅为0.87%和0.30%.此外,通过SEM观察了冲蚀后试样的显微形貌,探讨了其耐液固两相流冲蚀磨损的机理.     

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。     

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。     

液控随钻扩眼器球座冲蚀规律及结构优化

在随钻扩眼的过程中,扩眼器球座的冲蚀较为严重,尤其是球座旁通孔附近。基于冲蚀理论与固液两相流理论,结合DPM离散相模型对扩眼器球座进行冲蚀模拟分析,研究不同因素对扩眼器球座冲蚀的影响规律。此外,利用正交试验方法,研究各参数对冲蚀磨损的影响程度,并优化扩眼器球座结构。通过极差和方差分析可知:影响球座冲蚀磨损的因素依次为流量>含砂比>颗粒直径,最优工艺参数组合为：流量35 L/s、含砂比3%、黏度0.028 Pa·s、颗粒直径0.25 mm、颗粒密度1 500 kg/m3,此时球座的冲蚀率最小,为4.52×10-6kg/(m2·s)。为了减少扩眼器球座的冲蚀,对球座进行结构优化,优化后球座旁通孔角度为顺时针倾斜45°、圆角半径为7 mm、个数为6,相比优化前的球座冲蚀率降低了24%。     

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.     

冲击座铸造工艺设计及优化

介绍了冲击座铸件的结构及其工艺设计,包括每型件数、浇注系统形式及内浇道、横浇道和直浇道的截面积、浇注时间、冒口及冷铁设计等。初始铸造工艺只采用冒口补缩,模拟发现该工艺未能完全消除缩孔缺陷,据此对铸造工艺进行了改进,在孤立热节区设计冷铁。对改进后的铸造工艺进行模拟,结果显示,缩孔缺陷已完全可以消除。     

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...     

钢球展开轮表面微结构几何参数优化研究

目的 对钢球展开轮表面凹坑形微结构的几何参数(形状、大小、深度、间距)进行优化,获得增摩降磨(增加摩擦系数、降低磨损量)特性最佳的展开轮表面微结构几何参数匹配,为微结构展开轮的设计和应用提供方法和依据.方法 首先运用Hertz理论对展开轮与钢球的接触面积进行分析,确定微结构几何参数范围,设计正交试验表,并进行摩擦磨损试...     

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。     

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...     

阀座挤压铸造计算机数值模拟

基于有限差分法建立了三维热流模型,对铝合金阀座挤压铸造过程进行数值模拟,研究了填充和凝固过程中温度场、流场以及液体分数等主要参数的分布情况,为优化阀座挤压铸造的流场和工艺参数提供理论依据.同时,预测和分析了在实际生产过程中出现的气孔和缩孔缺陷,发现通过降低浇注速度可有效地抑制因合金液的剧烈运动而引起的气孔缺陷.