随着科技和工业的发展,作为清洁能源的天然气在全球能源链中的地位逐年提高。管道作为天然气的主要输送方式,在石油天然气的开采和运输中起着重要的作用。由于天然气管道内的气体压力较大,一旦管道在天然气输送过程中发生破坏,可能引发严重的灾难性事故,威胁到人们的生命和财产安全。近年来,全球范围内由于天然气管道泄漏造成的事故屡见不鲜,输气管道的安全运行也逐渐受到人们的重视。研究表明,输气管道的减薄及穿孔破坏主要是由管道内固体颗粒冲蚀磨损造成的,且常见的冲蚀破坏部位主要发生在弯头、三通和盲三通处。因此,研究典型管件中固体颗粒对冲蚀磨损的影响规律,以此判断典型管件的最大冲蚀部位,对天然气管道的寿命预测和管道的安全运行、防护有重大意义。针对天然气输送管线所含的典型管件冲蚀模拟研究,首先,通过分析国内外现有的发展现状以及研究成果,以及天然气管线安全的危害,确定了天然气输气管道中,存在的固体颗粒会对输气管道造成冲蚀磨损。然后,基于冲蚀磨损理论、计算流体力学方程、离散相模型以及流固相间耦合作用进行了说明。最后,运用Fluent软件,离散相采用DPM模型,湍流模型采用k-?模型,对输气管道中的典型构件,弯管、三通管、盲三通管内壁面的冲蚀情况进行了数值模拟分析。通过改变颗粒粒径、流速等参数,研究不同的颗粒Stokes数和相同的颗粒Stokes数,输气管线中典型构件冲蚀速率的变化规律,并分析颗粒Stokes数与冲蚀之间是否存在某种联系。(1)弯管的冲蚀模拟结果表明,冲蚀磨损区域主要发生在弯管的大弧度壁面处,冲蚀区域呈椭圆形;不同流速对应的颗粒Stokes数改变,弯管的冲蚀磨损速率随着颗粒的Stokes数增大而增大;不同颗粒粒径对应的颗粒Stokes数改变,弯管的冲蚀磨损随着颗粒Stokes数的增大,先迅速增大,后趋于平稳。(2)三通管内壁面的冲蚀模拟结果表明,冲蚀磨损区域主要发生在三通管水平方向左端支管的下壁面处,冲蚀区域近似于圆形;不同流速所对应的颗粒Stokes数改变,三通管的冲蚀磨损速率随着颗粒的Stokes数增大而增大;颗粒粒径不同对应的颗粒Stokes数改变,三通管的冲蚀磨损随着颗粒Stokes数的增大,先迅速减小,后趋于平稳。(3)盲三通的冲蚀模拟结果表明,冲蚀磨损区域主要发生在盲三通的水平管与下支管相贯线右侧壁面处,最大冲蚀区域呈椭圆形;不同流速所对应的颗粒Stokes数改变,盲三通的冲蚀磨损速率随着颗粒的Stokes数增大而增大;不同颗粒粒径对应的颗粒Stokes数改变,盲三通的冲蚀磨损随着颗粒Stokes数的增大,先减小,后趋于平稳。(4)基于颗粒直径增大而造成颗粒Stokes数增大的情况下,弯管、三通和盲三通冲蚀磨损情况加剧的速度比改变流速要快;在颗粒Stokes数相同时,弯管、三通和盲三通产生最大冲蚀磨损的区域及大小几乎相同,即使是在颗粒粒径、颗粒密度和流速都不同的情况下。综上所述可知,基于集输天然气管道典型构件的冲蚀磨损研究结果,不仅可以指导实际工况下管道的冲蚀速率和冲蚀部位预测,而且对今后管件的设计和维护具有实际意义。