弯管流道壁面形状对磨损的影响分析

• 作 者: 谢超杰
• 出 处: 浙江理工大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: CFD-DEM 壁面形状 磨损 固液两相 大颗粒 弯管

在石油、天然气以及矿产等工业中,每年均有大量管道因腐蚀、侵蚀磨损引起穿孔而报废。在输送固液两相混合流体甚至三相混合流体的情况下,含颗粒流体流经管道时,由于固体颗粒在表面的撞击和滑动产生磨损,持续的磨损导致管道失去效用,因此对管道的磨损机理和耐磨损措施进行研究就显得非常重要。本文以改变管道内部壁面形状减小磨损的思路出发,采用CFD-DEM耦合方法进行弯管输送大颗粒固液两相流的磨损计算,结合不同颗粒浓度下几种不同凸起位置弯管的磨损实验结果,验证了添加凸起对减小弯管外侧壁面最大磨损的可行性与模拟方法的准确性。随后,本文采用正交试验法找出了在弯管外侧壁面添加凹槽而影响磨损的关键因素,并对该因素进行了更深入的研究与分析,主要研究内容如下:(1)使用CFD软件与DEM软件耦合计算了四种带凸起弯管与原型弯管内部的固液两相流动以及外壁面的磨损情况,分析不同凸起位置、不同颗粒质量流量、不同入口速度、不同颗粒粒径对外壁面磨损的影响规律,发现凸起设置的耐磨效果与浓度和位置有密切关系;在弯管中间位置比在进出口附近的好,具体为在低浓度下,设置在与入口水平线呈40°角的凸起改善最大磨损的效果最好,在高浓度下则是设置在与入口水平线呈35°角的凸起(2)搭建弯管固液两相磨损实验台,进行了四种凸起位置的弯管磨损实验,颗粒浓度从1%至10%变化,共10种浓度。对比实验结果与模拟结果,发现磨损变化规律基本吻合,外壁面最大磨损值的实验结果比模拟结果偏大一些,凸起处的磨损变形导致了其减小外壁面最大磨损的能力下降。(3)基于正交试验设计模拟方案,研究了凹槽深度、凹槽宽度、凹槽位置角度等因素对带凹槽弯管外壁面磨损的影响,结果表明凹槽深度是耐磨损关键因素,对其进行深入研究后,发现在不同颗粒质量流量下,凹槽深度与外壁面最大磨损的联系规律会发生变化。