管道内液固两相流磨蚀CFD研究

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在诸多的生产行业中,都用到管道对外输送,因此管道对各国国民经济的发展起着不可替代的作用。管道输送各个介质时,弯管处的磨蚀比直管段要高出几十倍,这主要是因为固体颗粒经过弯管时运动方向突然发生转变,受惯性力和离心力的作用,粒子与管道管壁的频繁碰撞导致管壁磨穿破损。含固介质对管道等材料的磨蚀容易造成生产事故,常常影响到各个企业的安全运行,特别是速度快、硬度高、直径大的固体颗粒对管材的磨蚀更为严重。由于磨蚀机理复杂、管道及相关设备的运行情况多变,所以很难精确的找到磨蚀破坏的具体区域,实际中多采用壁面加厚、材质改进等手段来减少磨蚀损耗,这大大增加了花费成本,但对管道磨蚀的控制并不理想。本文对管道系统进行几何建模,采用湍流模型、多相流模型和离散相模型,对3种不同角度的弯管内磨蚀特性进行了研究,发现颗粒主要集中分布在弯头的外拱壁面处,且在二次流动在弯头处充分发展,加剧了管道的磨蚀程度。用Fluent软件求解出流场后,得到离散相颗粒在管道内的运动以及分布情况,并确定出整个管道系统磨蚀最严重的区域,结果表明90°弯管在上升管段处,粒子大部分集中分布在管子中心,并且靠近管壁区域的固粒速度要低于管中心的固粒速度,对不同角度弯管的颗粒分布进行了分析和比较,最后确定90°弯管的综合性能最为理想。对不同固体粒子特性和管道结构进行模拟对比,讨论各因素对管道磨蚀的影响规律,研究结果指出在其它条件不变的情况下,管道的磨蚀随着流速的增加而增大、随着管径的增加而减小、随着离散颗粒的增大而增大;此外又对7种不同曲率半径的弯管进行了模拟计算,获得了在湍流状态下管内流场的分布情况,仿真模拟结果表明,弯径比不同,影响着弯管的磨蚀区域与磨蚀量。在管径不变的情况下,随着弯径比逐渐增大,最大磨蚀量逐渐减小,考虑到管路的经济成本问题,推荐使用4~6的弯径比。模拟结果与实验数据基本一致,从而验证模型的合理性,也为工程项目中含固多相流设备及管道系统的磨蚀损耗分析、结构优化设计、局部强化处理、寿命预测、风险评估等提供了一定的参考价值。
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