带障碍90°方形弯管气固两相流冲蚀失效分析

孙志强，李方淼

（长江大学机械结构强度与振动研究所，湖北荆州 434000）

0 引言

在电站锅炉布置排气管道时，排气线路上会遇到某些障碍物，所以管道形状就需要适应环境变化产生一些凸起。在输气管道中常含砂粒、水泥等固体物质，对管道弯头处冲蚀磨损非常严重，并且冲蚀是输气管道失效的主要因素[1-2]。黄坤、邓平等[3]利用仿真软件优化管内流场，改善弯管内冲蚀磨损情况。崔钺等[4]利用CO2和气固两相冲蚀作用研究了管道失效情况。孙晓阳等[5]研究了颗粒间碰撞对弯管内冲蚀磨损的影响。杨德成等[6-7]对携砂气固两相流对管道冲蚀影响进行了分析。上述研究对排气管道遇有障碍的情况研究较少。本文针对带障碍的方形弯管研究了不同入口流速、不同颗粒粒径、不同颗粒质量流量、不同颗粒形状对管道弯头处冲蚀速率影响规律。

1 冲蚀模型

1.1 气相方程

输气管道内为气固两相流，气体作为连续相，其相控制方程如下：式中： ρ为气相密度，kg/m3；t为时间，s；vi、vj为气体速度分量，m/s；xi，xj为空间坐标，i≠j；p为压力，Pa；τij为应力张量； ρgi为重力张量，N；Sk为固体相对连续相的用户定义相。

1.2 固相方程

固相为离散相，离散相在流体中的运动通过牛顿第二定律来确定。固体颗粒运动过程中受力方程如下：

式中：vp为颗粒速度；vi为气相速度； ρv为颗粒密度；dv为颗粒直径； μ为气体黏度；Re为相对雷诺数；CD为拖曳力系数，gy为y轴方向的重力加速度；Fx为x轴方向的其他作用力，包括虚拟质量里、压力梯度等；a1，a2，a3为系数，取值见参考文献[8]。

2 数值计算

2.1 输气管道计算模型

为方便计算，对输气管道模型进行简化，90°方形截面弯管结构如图1所示。方形弯管入口管径宽度为A，障碍处距入口距离为B，出口管径长度为D，弯管半径为R。

图1 90°方形带障碍弯管结构简图

2.2 网格划分与边界条件

物理模型导入Ansys workbench中，插入网格尺寸和网格方法，采用六面体网格划分模型。文中边界条件设置如下：对于连续相的气体CO2，进口边界条件定义为速度进口，出口边界条件定义为压力出口（一个大气压下），湍流强度为5%，采用RNG k-ε湍流模型和壁面函数法。对于离散相颗粒，DPM模型进口和出口处采用逃逸条件，避免采用反弹系数方式。

法向反弹系数为：

切向反弹系数为：

控制单因素变量，设置模拟参数如表1所示。

表1 模拟参数取值

3 弯管冲蚀模拟结果

3.1 不同流速对弯管冲蚀的影响

不同的流体速度是影响管道弯头处冲蚀速率的重要因素，因此选取表1中入口流速数据进行模拟，得到图2所示的流速与最大冲蚀速率的关系。结合图2关系曲线和图3管道冲蚀云图可以看出，在其他影响因素保持不变的情况下，管道弯头的最大冲蚀速率随流体速度的增加而增大，且最大冲蚀速率发生在管道弯头处。一方面当流体流速增大时流体的湍流强度变大，固体颗粒与管壁碰撞的次数增多，另一方面流体流速增大时。固体颗粒与管壁的相对速度变大，间接导致颗粒的动能增加，故而综合两方面的共同作用，弯管的冲蚀速率会随流体流速的增大一直增加。

图2 不同流速与最大冲蚀速率关系曲线

图3 不同流速下弯管冲蚀云图

3.2 不同颗粒粒径对弯管冲蚀的影响

图4 不同颗粒粒径与最大冲蚀速率关系曲线

颗粒粒径的大小也会对弯管冲蚀速率产生相应的影响。选择不同颗粒粒径的取值进行模拟，其结果如图4所示。由图可知，当颗粒粒径在60 μm，80μm，100μm时，最大冲蚀速率呈下降趋势。图5所示为弯管冲蚀云图，可以看出最大冲蚀率发生在障碍处，当颗粒粒径超过100μm时，最大冲蚀速率发生在弯管处。主要原因在于当颗粒质量流量一定时，粒子直径较小，粒子数目变多，障碍处根部产生颗粒漩涡，冲击弯管壁面的频率增大故而最大冲蚀速率在障碍处产生；当颗粒粒径达到一定程度时，随着粒子直径增大，粒子质量也随之增大，与管壁碰撞产生的能量变大，从而使得管壁冲蚀加剧。

图5 不同颗粒粒径下弯管冲蚀云图

3.3 不同颗粒质量流量对弯管冲蚀的影响

图6 不同颗粒质量流量与冲蚀速率的关系曲线

在其他参数保持不变的情况下，改变颗粒质量流量，计算结果如图6所示。从图中可以看出，随着颗粒质量流量的增加，弯管处最大冲蚀速率曲线呈上升趋势。其他条件不变的情况下，说明颗粒质量流量的增加，会加强对弯管处的冲蚀磨损。主要原因在于固体颗粒数目增加，使得颗粒在弯管道中运动时与弯管处的壁面碰撞次数增加，故最大冲蚀率随质量流量的增大呈明显上升趋势。如图7所示，弯管处最大冲蚀率位置不变。

图7 不同颗粒质量流量下弯管冲蚀云图

3.4 不同形状系数对弯管冲蚀的影响

结合图8所示的关系曲线和图9所示的弯管冲云图可以看出，弯管处的最大冲蚀速率会随着颗粒形状系数的增大而呈下降趋势。主要原因在于颗粒形状系数越接近1时，颗粒的形状越趋近于圆形，所以当颗粒形状系数较小时，颗粒形状较尖锐，对弯管处的冲蚀磨损会加大。

图8 不同形状系数与最大冲蚀速率关系曲线

图9 不同形状系数下弯管冲蚀云图

4 结束语

本文针对带障碍弯管的冲蚀失效进行了参数化分析，发现2种参数的增加会对管道的冲蚀有显著影响。

（1）带障碍输气管道在大部分情况下冲蚀最严重的部位发生在弯管处，一定范围内，弯管处的冲蚀磨损会随流体入口流速、颗粒质量流量的增大而增大。

（2）随着颗粒粒径的增大，管道内最大冲蚀速率呈现先增大后减小的趋势，且在颗粒粒径在60～100μm范围时，最大冲蚀速率发生在障碍处。

（3）随着颗粒形状系数由小及大趋近于1时，管道的最大冲蚀速率随之减小。

（4）上述研究结果表明，可根据现场实际工况需要，调整流体参数，控制颗粒质量流量和粒径大小以减轻对输气管道的冲蚀作用。