含杂质管道冲刷腐蚀数值模拟

2020-06-02孟悦赵赛妮王鹏徐锦涛中国民航大学机场学院天津300300

化工管理 2020年8期

关键词：段长度冲蚀直管

孟悦赵赛妮王鹏徐锦涛（中国民航大学机场学院，天津 300300）

1 数值模拟

1.1 模型的建立

本文研究的对象分为不同尺寸和形状的弯管，几何尺寸如下：

1)两种直管段的几何尺寸均为L1=L2=1m，r1=r2=r3=0.1m，R3=1m，弯管角度30°。

2)两种直管段的几何尺寸均为L1=L2=1m，r1=r2=r3=0.1m，R3=0.5m弯管角度90°。

3)两种直管段的几何尺寸均为L1=L2=1m，r1=r2=r3=0.2m，R3=0.5m，弯管角度90°。

4)两种直管段的几何尺寸均为L1=L2=4m，r1=r2=r3=0.1m，R3=0.5m，弯管角度90°。

1.2 网格划分

使用网格划分对所有模型进行结构体划分，保证模型的网格分布均匀，并对网格进行细化处理。

1.3 湍流模型设置

基于管径的高雷诺数要求采用含壁函数的湍流模型。湍流模型采用的是k-ω（spf）增强壁面函数的湍流模型进行数值模拟，由于对于强流线曲率的流动，采用此模型进行计算是能够得到较为精准的模拟结果。

1.4 边界条件和起始条件

进行数值模拟时，流场分析时假定流场稳定，计算时各参数不随时间进行变化，在该模拟过程中，流体为不可压缩流体，流体的密度，粘度等物理因素不随时间进行变化，在该过程中，不涉及传热问题，流场视为等温场。在设置入口条件时，入口边界处设定为充分发展的流动，保证管道内置材料的充分稳定流动。

2 结果分析

模型结果分析模型采用以下三种不同的冲蚀模型来计算管道弯头表面的冲蚀磨损率，分别为：Finnie、DNV 和E∕CRC。这些冲蚀模型可以内置在专用“冲蚀”的节点中，并且可以在同一组的边界壁上使用以上多个冲蚀模型来分析解决管道的冲蚀磨损率。除以上三个计算模型外，本报告中还采用管道弯头处的速度流线分析，管道弯头处的压力等值线分析，管道内的粒子轨迹对模型进行更完整的冲蚀磨损分析。

图1 Finnie模型、DNV模型冲蚀磨损图

2.1 管道弯头处的速度流线分析

根据管道弯头处的速度流线图分析可得出：在管内介质流速为4.5m∕s 的条件下时，角度为30°的弯管内的液体流速大致分布于4m∕s到2.5m∕s之间，当弯管角度增加至90°时，弯管内的液体流速升至4m∕s 之上，尤其是在通过弯头之后的管段内，工质流动速度明显大于30°弯管的流动速度且管内上方流速大于下方流速。当扩大管道直径后，管内流速明显降低，管内平均流速在2m∕s至3m∕s，当通过90度弯管后，后端管道内的流速有降低，均在1m∕s至2m∕s之间。适当增加管长之后，管道内的工质流速又有明显的上升。

2.2 管道弯头处的压力等值线

通过压力分析图可以得出管道的主要压力分布于弯管处，当弯管角度较小时，弯管所受到的压力较小于弯管角度较大时产生的压力。当管道的管径相同时，较长管径在弯管处所承受的压力大于较短管径。当管道长度相同但管直径不相同时，较大的管径在弯管处承受的压力要小于较细管径。

2.3 管道内粒子轨迹分析

颗粒密集程度表示管内的粒子的分布数量，当管子的直径越细，能够通过管子的粒子数量则越少。粒子入射的锐角大部分都集中在89度，弯管的角度对其影响较小。

2.4 Finnie模型计算的管壁上的冲蚀磨损率

由上图1 可知，半径和直管段长度都会影响冲蚀速率。同样是用Finnie 模型计算，流速为4.5m∕s，当管径为0.1m，直管段长为1m 时，弯管上端所受冲蚀最严重，为9e-9kg∕(m2×s)，当管径增加到0.2m 时，冲蚀最严重的区域是弯管段的下部分，最高速度为7e-8kg∕(m2×s)。当把直管段长度延长到4m 时，冲蚀主要集中在入口附近，速度最高可达1.2e-7kg∕(m2×s)，而弯管处几乎不受到冲蚀。

2.5 DNV模型计算的管壁上的冲蚀速率

为了减小仿真误差，在同样的参数下用DNV 模型进行研究，结果如图所示，与Finnie 模型相比，各管道所受冲蚀最严重的部位并没有发生显著变化，但速度有差异。模型2的最大冲蚀速率降为 3e-9kg∕(m2×s)，模型 3 的最大冲蚀速率也降低了，为6e-8kg∕(m2×s)，直管段长度为 4m 时，最大冲蚀速率为 1e-7kg∕(m2×s)左右，其他地方的速度几乎为零。

2.6 E/CRC模型计算的管壁上的冲蚀速率

在4.5m∕s的速度下，再采用E∕CRC模型研究各模型的冲蚀情况。与以上两个模型相比，示意图基本相同但得到数据偏大。模型2 所示管道所受冲蚀最大速率为1.4e-9kg∕(m2×s)，集中在弯管段的上半部分。模型3 管道弯管下部分受到最高2.5e-8kg∕(m2×s)的冲蚀。模型4受到冲蚀最严重的部分在入口的内侧，最高冲蚀速率为4.5e-8kg∕(m2×s)。