余文岙，武建軍，張朝陽(yáng)，杜明俊，晁 玲

（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院管道輸煤所, 湖北 武漢 430064；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司, 河北 任丘 062552）

水煤漿管道沖蝕磨損數(shù)值研究

余文岙1，武建軍1，張朝陽(yáng)2，杜明俊2，晁 玲2

（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院管道輸煤所, 湖北 武漢 430064；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司, 河北 任丘 062552）

基于非牛頓冪率流體模型，結(jié)合水煤漿流變性及管內(nèi)流動(dòng)規(guī)律建立了水煤漿管道輸運(yùn)控制方程，針對(duì)流體流經(jīng)彎頭、變徑、三通、補(bǔ)償器等特殊管件過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析了不同工況下管道內(nèi)壁面剪切應(yīng)力的分布規(guī)律，并給出了不同管件易發(fā)生磨損失效的具體位置，可為工程實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。關(guān) 鍵 詞：水煤漿； 管道； 非牛頓流體； 沖蝕； 數(shù)值模擬

水煤漿作為一種新型代油煤基流體燃料，是上世紀(jì)70年代末世界石油危機(jī)之后開(kāi)發(fā)出來(lái)的煤炭高新技術(shù)產(chǎn)品，其組分包括煤、水及相關(guān)添加劑，因其具有濃度高、粒度細(xì)、流動(dòng)性好、燃燒效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，環(huán)保節(jié)能、存儲(chǔ)安全等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電廠、鋼廠、石油煉化等企業(yè)的大型燃燒設(shè)備[1]。水煤漿多采用管道進(jìn)行輸送，且在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于煤粉顆粒的摩擦腐蝕，會(huì)對(duì)管道安全帶來(lái)巨大隱患，尤其對(duì)于彎頭，三通，變徑等特殊管件是沖蝕磨損失效的常見(jiàn)部位，因此，研究水煤漿流經(jīng)不同管件的沖蝕破壞過(guò)程具有實(shí)際意義。目前，人們對(duì)水煤漿輸送過(guò)程進(jìn)行了大量的研究[2-6]，并取得了一些意義的成果，但對(duì)水煤漿管道沖蝕破壞的研究還很少，本文利用CFD軟件，對(duì)水煤漿管輸過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析了不同管件內(nèi)壁面剪切應(yīng)力分布規(guī)律，計(jì)算結(jié)果可為工程實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

1 模型的建立

本文建立的彎管、三通管、補(bǔ)償器等的管徑均為300 mm，變徑管管徑分別為200 mm和350 mm,設(shè)計(jì)流速0.8 m/s，計(jì)算流態(tài)為層流，重力為z軸方向，流體流動(dòng)滿足連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程，故描述三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的控制方程如下：

(a) 連續(xù)性方程

式中：u，v，w—速度u在x,y,z3個(gè)方向的速度分量,m/s。

(b) 動(dòng)量守恒方程

水煤漿的流變特性非常復(fù)雜，低濃度的水煤漿成牛頓流體性質(zhì)，但當(dāng)濃度達(dá)到某一數(shù)值后漿體又呈現(xiàn)出非牛頓流體性質(zhì)。對(duì)于和時(shí)間無(wú)關(guān)的水煤漿的流變特性，符合非牛頓流體中的冪定流體模型，其剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系如下：

式中：τ—剪切應(yīng)力，Pa；

k—稠度系數(shù)，Pa·s；

γ—剪切速率，1/s；

n—流變系數(shù)。

方程（1）-（5）為計(jì)算水煤漿穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的控制方程。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)寧華神煤水煤漿的物性參數(shù)及流變特性進(jìn)行測(cè)定，得出水煤漿的密度為1 280 kg/m3,濃度60%，屬于非牛頓流體，稠度系數(shù)0.532，流變指數(shù)1.053。采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，通過(guò)對(duì) Herschel-Bulkley模型進(jìn)行修訂可得到非牛頓冪率流體模型[7]?？刂品匠滩捎靡浑A迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，利用SIMPLE算法進(jìn)行求解。

2.1 三通管沖蝕磨損數(shù)值分析

圖1給出了水煤漿流經(jīng)三通管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程管內(nèi)壁面剪切應(yīng)力云圖。分析可知：當(dāng)水煤漿流經(jīng)三通管時(shí)，在管道上游及支管背側(cè)靠近分支處，剪切應(yīng)力最大；在主管下游背側(cè)及支管前側(cè)剪切應(yīng)力最小，這主要是由于流體流經(jīng)三通時(shí)在叉管處分流，主管上游及支管背側(cè)剪切速度相對(duì)較大引起的，支管背側(cè)磨損最為嚴(yán)重。

圖1 三通管內(nèi)壁面剪切應(yīng)力云圖Fig.1 Wall shear stress nephogram in the three-way pipe

2.2 變徑管沖蝕磨損數(shù)值分析

圖2、3非別給出了逐漸變徑管及直接變徑管內(nèi)壁面剪切應(yīng)力云圖。由圖2分析可知：水煤漿流經(jīng)逐漸變徑管時(shí)，隨著流動(dòng)方向的不同，對(duì)內(nèi)壁面產(chǎn)生的剪切應(yīng)力差異較大，當(dāng)流體流經(jīng)減縮管時(shí)，在錐型管與細(xì)管接頭處剪切應(yīng)力最大，且向上游，下游逐漸遞減；這主要是由于減縮管段，流通面積減小，剪切速率增大，增大沖刷磨損程度；相反，當(dāng)流體流經(jīng)突擴(kuò)管時(shí)，上游細(xì)管壁面剪切應(yīng)力最大，這主要是由于突擴(kuò)管段流通面積大，剪切速率降低，沖刷磨損減弱。

圖2 逐漸變徑管內(nèi)壁面剪切應(yīng)力云圖Fig.2 Wall shear stress nephogram in the gradual reducer

由圖3分析可知：當(dāng)水煤漿流經(jīng)直接變徑管時(shí)與流經(jīng)逐漸變徑管時(shí)相比，剪切應(yīng)力的分布趨勢(shì)基本相同，但最大剪切應(yīng)力數(shù)值差異較大。當(dāng)流體流經(jīng)直接減縮管時(shí)，細(xì)管壁面剪切應(yīng)力相對(duì)較大，且向下游逐漸遞增，而當(dāng)流體流經(jīng)直接突擴(kuò)管時(shí)，上游細(xì)管剪切應(yīng)力相對(duì)較大，且靠近接頭處切向應(yīng)力最大，為失效高發(fā)區(qū)。

圖3 直接變徑管內(nèi)壁面剪切應(yīng)力云圖Fig.3 Wall shear stress nephogram in the direct reducer

2.3 彎管沖蝕磨損數(shù)值分析

圖4、5分別給出了水煤漿流經(jīng)90°彎頭及補(bǔ)償器時(shí)管內(nèi)壁面剪切應(yīng)力云圖。由圖4分析可知：當(dāng)水煤漿流經(jīng)90°彎頭時(shí)，壁面最大剪切應(yīng)力分布在彎頭兩頰處而應(yīng)力相對(duì)較大處則分布在彎管下游外拱壁面，且受重力的影響，應(yīng)力集中在Z軸負(fù)方向一側(cè)的壁面上。這主要是由于當(dāng)介質(zhì)流入彎管后，管內(nèi)流體流速由單一流向變?yōu)閮上蛄鲃?dòng)。即：沿管道軸向的主流動(dòng)和沿管道截面徑向閉合的二次流動(dòng)。主流速度與下游彎管外拱壁面形成較大的沖擊角而二次流動(dòng)較大沖擊角則出現(xiàn)在彎管壁面兩頰處，因此，出現(xiàn)如圖4所示的剪切應(yīng)力分布云圖。

圖4 90°彎頭內(nèi)壁面剪切應(yīng)力云圖Fig.4 Wall shear stress nephogram in the 90o elbow

而當(dāng)漿體流經(jīng)補(bǔ)償器時(shí)，在流動(dòng)方向上，每經(jīng)過(guò)一個(gè)彎頭均會(huì)在其下游兩頰處產(chǎn)生較大切向應(yīng)力。且隨著水煤漿在管內(nèi)的流向不同，最大剪切應(yīng)力差異較大，當(dāng)漿體下行時(shí)在彎管內(nèi)拱壁面產(chǎn)生的剪切應(yīng)力最大，為失效高發(fā)區(qū)。

圖5 補(bǔ)償器內(nèi)壁面剪切應(yīng)力云圖Fig.5 Wall shear stress nephogram in the compensator

3 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)水煤漿流經(jīng)不同管件過(guò)程的三維數(shù)值模擬，得出了不同管件內(nèi)壁面剪切應(yīng)力分布云圖及易發(fā)生沖蝕磨損失效的具體位置，可為進(jìn)一步研究水煤漿長(zhǎng)輸技術(shù)提供一定的理論指導(dǎo)。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的不斷發(fā)展和完善，研究水煤漿在管內(nèi)流動(dòng)規(guī)律已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展,并提出了多個(gè)計(jì)算水煤漿管輸過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，其中，非牛頓流體模型描述水煤漿管道輸送機(jī)理具有一定的優(yōu)勢(shì).但由于該模型把水和煤粉顆粒兩相作為單相流體處理,不考慮水和煤粉顆粒之間的滑移,認(rèn)為煤粉顆粒的溫度等于水的溫度,且煤粉顆粒猶如流體中的組份一樣把實(shí)際存在的某種均相的或多相的混合介質(zhì)抽象為一種充滿整個(gè)流場(chǎng)的連續(xù)介質(zhì)，其擴(kuò)散與流體組分的擴(kuò)散相同，該模型一般只適用于顆粒尺寸足夠小,顆粒濃度足夠大或者液固兩相的密度比較接近,即動(dòng)力學(xué)性質(zhì)比較相似的液固兩相流中,因此，近一步研究適合水煤漿管輸過(guò)程的數(shù)學(xué)模型具有實(shí)際意義。

[1] 臧建兵.水煤漿管道輸送技術(shù)的探討與應(yīng)用[D].撫順：遼寧石油化工大學(xué)，2007.

[2] 李 鵬.德士古氣化水煤漿管道設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)備與管道，2007,44（5）:52-55.

[3] 趙國(guó)華,段鈺鋒,王秋粉,等.水煤漿管道輸送數(shù)值模擬研究進(jìn)展[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2007,7（2）:18-22.

[4] 吳鋼瑋，王世均.水煤漿管道輸送的阻力預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型[J].化工冶金，1993,14（3）:207-213.

[5] 夏德宏，徐文利，王世均.水煤漿輸送管道磨損過(guò)程的解析[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1992,14（1）:83-88.

[6] 王旭賓.水煤漿管道輸送壓力降的計(jì)算方法探討[J].煤化工，2004,31（3）:24-28.

[7] 趙國(guó)華，陳良勇，段鈺鋒.高濃度水煤漿直管內(nèi)流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].鍋爐制造，2007,28（4）:28-31.

Numerical Study on Erosion of Water-Coal-Slurry Pipeline

YU Wen-ao1,WU Jian-jun1,ZHANG Zhao-yang2，DU Ming-jun2,CHAO-ling2
(1.Wuhan Design&Research Institute of China Coal Technology & Engineer, Hubei Wuhan 430064,China; 2.China Petroleum Engineering Co., Ltd., North China Company, Hebei Renqiu 062552,China)

Based on the non-newtonian power-law fluid model and combined with rheology of the water-coal-slurry and flow rules in the pipeline, the control equation of the water-coal-slurry pipeline was established. Three-dimensional numerical simulation of fluid flowing in the special pipe including elbow, tee joint,compensator and so on was carried out, sheer stress distributing rule of the pipe inner surface under different working conditions was analyzed. Based on the above analysis, easy wear failure sites in the pipe were put forward, which can provide the theory instruction for engineering practice.

Water-Coal-Slurry; Pipeline; Non-newtonian fluid; Erosion; Numerical simulation

TQ 019

A

1671-0460（2011）03-0297-03

2011-02-06

余文岙（1981-），男，湖北鐘祥人，助理工程師，研究方向：煤漿管道長(zhǎng)距離輸送工藝及施工研究。E-mail：yuwenao1981@sina.com。