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考虑液—固双向耦合的含砂输流管道冲蚀特性分析

景丽娜  
【摘要】:含砂输流管道流体中夹带着一定数量的固体砂粒与传输流体形成液-固两相流流体,随流体运动的固体砂粒不断冲击管道壁面,使管壁表面材料发生微小变形、开裂甚至剥落等冲蚀问题,这种壁面冲蚀损伤会导致输流管道性能下降、老化以及使用寿命缩短等威胁管道系统安全运行的问题。本文以含砂输流管道为研究对象,在欧拉坐标系下求解连续相流体的流动特征,在拉格朗日坐标系下求解离散相砂粒的运动轨迹,计算过程中考虑了管道流体的流场与固体砂粒运动状态的相互影响,实现了流体介质与固体砂粒之间的双向耦合,主要研究了管道内流动参数和管道结构参数对管壁冲蚀的影响,并从微观角度分析了单个砂粒对管壁的冲蚀特性。主要研究内容及成果如下:第一,借助计算流体力学软件Fluent建立了含砂输流管道冲蚀磨损的数值模拟模型,研究了管道内流体的流动特征,研究发现:管道弯头部分的中心截面上由外壁面到内壁面压力逐渐减小且呈梯度分布;管道弯头和出口直管段交界处的内侧流体流速急剧减小,形成涡流滞水区;砂粒在竖直管段内的运动轨迹呈螺旋状。第二,对比分析了砂粒粒径分布范围为Rosin-Rammler分布和常数分布时管道的冲蚀特性,研究表明:Rosin-Rammler分布的壁面最大冲蚀速率为4.39×10~(-7)kg/(m~2·s),常数分布的壁面最大冲蚀速率为3.54×10~(-7)kg/(m~2·s),砂粒粒径为常数分布的壁面最大冲蚀速率比Rosin-Rammler分布减小了19.4%。第三,研究了含砂输流管道的管内流动特性(流速、砂粒直径、砂粒质量流量)和管件结构特性(管径、曲率半径、管道放置方向)对冲蚀速率的影响并进行了冲蚀机理分析,研究结果表明:当流速增大至3m/s时,管道冲蚀破坏部位由直管段底部移动至管道弯头出口与直管段的连接处;砂粒流量存在临界值0.21kg/s,低于临界值时管壁的最大冲蚀速率随着砂粒流量的增加而增大,超过该临界值后砂粒流量对于管壁冲蚀速率的影响不再显著;砂粒粒径在320μm范围内时,最大冲蚀速率随砂粒粒径的变化无明显规律,随着粒径的继续增加,壁面最大冲蚀速率增大;随着管道弯头曲率半径的增大,管壁冲蚀破坏严重的位置由弯头部分的内壁面转向外壁面;运用MATLAB软件自编程序进行不同冲蚀影响因素关联度分析,发现流体流速和砂粒质量流量是造成管道冲蚀的主要因素。第四,借助ANSYS Workbench软件模拟了单个砂粒对管壁的冲击行为,结果表明:砂粒的冲击深度和Von Mises应力随着冲击速度、冲击角度、砂粒粒径和冲击次数的增大而增大;小角度冲击时,砂粒在管道表面作切削运动;正方体形砂粒的冲击深度总是大于球形砂粒,砂粒冲击速度为36m/s时正方体形砂粒的最大冲蚀深度为8.79?m,为球形砂粒的2.87倍。


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