固液混合物在三通管内的流动规律及冲蚀特征研究

向旗 张欣 阙江鹏 赵磊

摘 要 工程应用中三通管常遇到的冲蚀磨损是指三通管材料表面受到小而松动的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨损现象。为了减少三通管受到冲蚀的影响，本文通过fluent软件，模拟分析不同角度T型管冲蚀磨损位置及静态压力云图。从不同角度三通管静态压力云图可知，支管口对应底面压力较大，受到冲蚀更加严重，在三通管的防护中应着重防护该处管道。

关键词 三通管 仿真模拟 冲蚀

0引言

管路系统输送资源是当代能源运输主要的方式之一，T型管在日常运输中不可或缺。然而由于砂岩颗粒伴随油流一同进入集输管线，少量有害成分会对管道内壁造成的冲蚀，特别在流体转向处更为严重。目前国内外学者就弯管的冲蚀进行了相关研究，但对实际工程中常用的T型管冲蚀还有待探索。本文围绕固体颗粒浓度、流速、T型管角度等展开研究，采用Fluent的冲蚀预测方法对固液混合物冲蚀进行数值模拟计算，分析影响冲蚀速率的因素。

1模型的确定

1.1冲蚀磨损模型

原油里含有大量会不同程度损坏管道的粒子，对管道中粒子冲蚀磨损的研究必须针对不同的材料、颗粒含量，根据不同的速度、不同碰撞角度下得到实验数据，从而整理出磨损的经验或是半经验计算公式，才能产生实际的应用价值。当前研究得到的冲蚀磨损方程多半是以实验和条件假设为基础，然后通过理论分析和数学仿真模拟的方法而建立的。

（1）Tulsa模型。

1994 年，Tulsa对碳钢和铝材进行试验研究，提出冲蚀速率预测方程

其中，ER为颗粒对于壁面的冲蚀率，kg/kg;C为壁面的材料常数，材料为碳钢时取1.55910-6 ;HB为壁面布氏硬度，N/mm2; HB为颗粒形状系数，N/mm2;n为速度指数;Vp为颗粒速度，m/s;mp为颗粒的质量流率，kg/s; w为壁面材料密度kg/m3; Ac为计算的单元面积，m2。

（2）在 FLUENT 软件中，壁面冲蚀磨损方程的具体形式如下所示：

其中，C（dp）为颗粒的直径函数;f（ ）为壁面和颗粒的碰撞角的角度函数; v为颗粒的相对速度;Aface为壁面上网格的面积;默认值时C=1.810-9，是需要根据实际工程上C， f和b指定参数。普遍应用的冲击角函数为：

在 FLUENT 中可以通过粒径的变化函数和冲击角函数的变化形式，从而使用不同的冲蚀磨损方程，例如当使用 Tulsa 方程时，冲击角函数的式子中C（dp）=C（HB）-0.59Fp，同时使用与方程相对应的冲击角函数f（ ）。

1.2湍流模型

在各种不同的湍流模型中，RNG k- 双方程湍流模型具有较好的稳定性和准确度，而且计算速度相对较快，管道流动数值都采用此模型来计算。其中湍动能 k和耗散率 的方程如下：

式中，Gk、Gb表示的是湍流动能，前者主要由层流速度梯度引起;后者主要是由浮力影响引起;Ym则表示在可压缩湍流脉动膨胀作用下总的耗散率受到的影响; t= C是湍流黏性系数。C1 和C3 为经验常数，、 k分别为湍动能和湍动能耗散率对应的普朗特数，在FLUENT中，前二者初始值为C1 =1.44、C3 =0.09;后两者初始值为 =1.3 k=1.0。

1.3模型的建立

本文的研究对不同角度的三通管，材料为结构钢，管道内主流体为液态水，含少量杂质（石英砂）颗粒，其几何模型如图 1 所示。本文的数值计算应用ANSYS Workbench 17.0 软件完成。首先进行 90埃？0昂？5巴涔艿？3D 建模及网格划分并以此模型为基础，来用fluent进行不同三通管角度的冲蚀磨损的数值计算和结构改善。

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2.1数值模拟模型

本文的计算中颗粒含量较少，且属于两相流，目前使用较多，与实验结果吻合度较好的固液两相流模型是离散相冲蚀模型，因此数值计算采用离散相模型（DPM），湍流方程选择标准 K-方程，控制方程采用有限体积法的离散方式，Erosion方程曲线的变化，保持冲击角不变时，冲蚀率随着速度加快而递增。保持速度不变而冲击角增加时，冲蚀率先上升后减低，其中降低过程中可分为骤降和缓降两步。观察后发现K- 方程符合本次研究项目，所以最终选择 Erosion 方程作为本文的冲蚀磨损方程。

2.2冲蚀磨损部位预测

数值计算时，入口条件选择速度入口，流体速度为 10 m·s-1，流体从 T 型管支管进入管道，出口条件为自由出口。其中颗粒直径为 100 m，质量流量 0.001 kg·s-1，壁面条件为颗粒冲击角的多项式函数。在确定以上因素不变的之后，我们对90埃？0埃？5暗娜ü芙械哪D猓韵率浅迨茨D獾木蔡沽ν肌？

3结论

在控制颗粒的速度、浓度、尺寸相同的条件下，由静态压力冲蚀云图可知，90癟型管在支管口对应底面压力较大，管道其他壁面冲蚀程度较小，特别位于支管口两边部位冲蚀及其微弱;60癟型管支管口对应底面和出口管道压力较大，60敖谴Τ迨次⑷酰？5癟型管支管口对应底面所受压力，对于60癟型管、90癟型管受压面积更大，同样在45敖谴κ苎菇闲 R虼说贸鼋崧廴ü芙嵌鹊牟煌迨吹男Ч膊幌嗤S删蔡沽Τ迨丛仆伎芍煌嵌热ü苤Ч芸诙杂Φ酌嫜沽洗螅凰孀沤嵌鹊募跣。嗤乃俣取⑴ǘ取⒊叽缦嗤奶跫拢杂谌ü艿酌娴某迨囱沽χ鸾ゼ跣。杂诶肴肟诙私显兜某隹诙说难沽υ龃蟆M保Ч芸诙杂Φ酌嫜沽洗螅艿匠迨锤友现兀谌ü艿姆阑ぶ杏ψ胖胤阑じ么艿馈？

参考文献

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