摘 要：挖泥船疏浚管路在高濃度泥沙的運輸過程中，對管道尤其對彎道處的管路會產(chǎn)生必然的物理磨損。為降低疏浚管路的物理磨損并延長管道使用壽命， 本文基于fluent軟件采用數(shù)值模擬方法分析高濃度泥沙在長距離非直型管道中的流動壓強、流速及磨損特性。在此基礎上對磨損較為嚴重的彎管內(nèi)壁使用優(yōu)異的耐磨材料，以延長疏浚管路使用壽命，提高疏浚管路的性能及效率，減少停機維修率。

關鍵詞：泥沙； 彎管；磨損；fluent；耐磨材料；數(shù)值模擬

1 引 言

我國幅員遼闊，擁有眾多江河湖庫，其河道和港口碼頭的淤積非常嚴重，因此對于清淤疏浚工程船的需求量極高。同時，隨著海運和內(nèi)河水運的發(fā)展，船舶的噸位和數(shù)量越來越大，使其相應的碼頭、航道都要進行與之相對應的升級，以滿足通航的需求，因此要對疏浚船的要求越來越高，以便更高效的快捷的完成相應的疏浚工程。

隨著國內(nèi)疏浚行業(yè)的快速發(fā)展，挖泥船疏浚管路的耐磨性能日益受到關注，而與之配套的耐磨材料如HARDOX 400、JFE-EH400、堆焊鋼管（如信鉻鋼）、雙套管、鑄造合金管等均已逐步在挖泥船疏浚管路上推廣與應用。為進一步提高疏浚管路的耐磨性能，增加耐磨材料的有效利用率，現(xiàn)對挖泥船艏吹管系的部分管路建立數(shù)學模型，運用 fluent軟件模擬仿真分析，揭示疏浚管路的磨損規(guī)律。

目前，在對彎管的磨損研究上，國外有Arvind Kumar等人[1]利用Fluent軟件模擬體積濃度為16.28%的石英砂在一個90度的彎管，以不同的速度沖擊的磨損變形，并與實驗結果做了比較，得出CFD模擬結果與實驗結果相當吻合；Dr. Ehab Elsaadawy等人[2]利用Fluent DPM模型研究了運輸天然氣管道在不同的彎道處、不同速度下的磨損侵蝕率，得出了一些較為經(jīng)典的結論。國內(nèi)的張慧君等人[3] 利用Fluent 軟件對90 °彎管分別取3 種不同管徑、8 種彎徑比，進行了液固兩相流流場的數(shù)值模擬，得到湍流狀態(tài)下管內(nèi)流體的速度分布，通過二次開發(fā)將磨損模型嵌入到Fluent 軟件中，實現(xiàn)了對彎管部位的磨損預測；宗營營等人[4] 利用Fluent軟件對煤風管道內(nèi)氣-固兩相流進行模擬仿真，觀察固體顆粒運動軌跡，對管道內(nèi)沖蝕磨損進行研究分析，發(fā)現(xiàn)燃燒器設計的不合理因素，對煤粉燃燒器結構改進和相關參數(shù)優(yōu)化有一定指導意義。

2 泥沙兩相流理論模型

對于泥沙流，采用Ansys12.0中Fluent模塊內(nèi)新增模型 Eulerian + Dense Discrete Phase Model（DDPM）對高濃度泥沙兩相流進行數(shù)值模擬，該模型兼顧了Eulerian Model 對兩相流模擬的優(yōu)點并克服了傳統(tǒng)DPM模型只能對低體積分數(shù)進行模擬的弊端，能很好的模擬相間的相互作用，同時也能模擬顆粒的運動軌跡。由于泥沙在實際運輸?shù)倪^程中的體積分數(shù)高達40%，并且泥沙的存在對液相的流動存在一定的影響，尤其是在彎管處的影響更為顯著，所以采用Eulerian + DDPM模型對泥沙兩相流動研究較傳統(tǒng)單獨采用Eulerian雙流體模型研究更具有優(yōu)越性。

2.1 流體連續(xù)相控制方程

2.3 磨損方程

3.2 網(wǎng)格劃分

用ICEM CFD軟件對模型進行結構網(wǎng)格劃分，創(chuàng)建有限元模型，為提高邊界層的計算精度，在靠近泥管壁附近區(qū)域，沿半徑方向采用漸進距離網(wǎng)格進行離散，其模型網(wǎng)格單元總數(shù)量：239768。其交接處結構網(wǎng)格與截面網(wǎng)格形式如圖2所示。

3.3 邊界條件和初始條件

使用fluent軟件內(nèi)的Eulerian與DDPM模型，湍流計算采用k-εRNG模型；入口處采用速度邊界條件，因大出口有閥門控制處于關閉狀態(tài)，故設為無滑移固壁條件；小出口設置為自由出流（outflow），壁面采用無滑移固壁條件，并使用標準壁面函數(shù)法確定固壁附近的流動。

3.4 數(shù)值模擬結果

3.4.1 速度分布

分析圖3可知，液相與粒子固相的速度分布很相似，僅是在速度出口處有明顯不同。

兩者速度均在管道彎壁內(nèi)側出現(xiàn)明顯增大，相接處達到最大。

從圖4a可以看出：在入口直管段壁面附近，粒子速度分布相對均勻，流經(jīng)彎管時，由于流向發(fā)生改變，粒子速度分布發(fā)生很大變化。圖4a、圖4b、圖4d均顯示在內(nèi)拱壁面，粒子速度在彎管起始位置先增加而后又明顯降低；在外拱壁面，粒子速度在彎管起始位置先降低而后又增加。這是因為粒子流經(jīng)彎管時，在內(nèi)拱壁彎管處，流體運動方向背離壁面，動能損失較少，且受重力和離心力所用，此處粒子數(shù)量少，壓力也小，從而引起液相和粒子速度都明顯增大，而后隨著離心力的減弱，粒子速度隨之降低；在外拱壁彎管處，流體沖擊角度很大，動能損失嚴重，速度大大降低，其粒子速度也減小。

從圖4c分析知：在岔口處，流域增大，受分岔管壁長時間泥沙的堆積影響，減緩了粒子運動速度。從圖4d知，由于開口直徑的減少，在同等壓強下，必然會使粒子速度增加。

3.4.2 沖擊磨損分析

由圖5為粒子磨損速率云圖的對比，相對于粒子對管道的磨損，管道中的液相對管道的磨損非常小，可以忽略。故粒子是造成磨損的主要原因，所以可僅對粒子進行相關的分析。由公式（6） 可以看出磨損主要受粒子數(shù)量、粒子速度和沖擊角度等影響。

由圖5b分析知：因采用的是面源噴射模型，在其入口處容易造成粒子對管壁固體顆粒對彎管部磨損較為嚴重。在入口直管段，流體端動程度較小，粒子分布均勻，使其造成的沖擊磨損緩慢變小。因此處彎管是沿空間斜向上方向延伸，粒子進入到彎管之后，在內(nèi)拱壁，速度增大，但磨損降低。其原因一是由于受慣性力作用，彎管內(nèi)拱壁粒子較少；二是大多數(shù)粒子的沖擊角度較低，接近內(nèi)壁切線 ，對壁面造成不了沖擊，所以磨損較小。而在外拱壁，雖然粒子速度有降低，但粒子累計沖擊數(shù)量較大，接觸面積廣，沖擊角度較大，磨損明顯增大；同時彎管背向延伸，使其磨損區(qū)域擴大。

由圖5c分析知：對于形狀類似的第二彎壁，必然會產(chǎn)生類似的磨損效果；同時由于受到管路扭轉(zhuǎn)角度的影響，使其出口粒子在慣性力與離心力的作用下與直管壁產(chǎn)生角度沖擊。

由圖5d分析知：第三彎壁處同前面分析的彎壁表現(xiàn)出不同的磨損變化，因出口管路徑向縮小，壓強增大，速率增加，一方面必然會導致出口磨損加大，另一方面使其磨損在頸縮處大范圍出現(xiàn)。

對于岔口處彎壁來說，由圖5a可以明顯看出，因其粒子在此堆積，內(nèi)壁處受來流的來回沖擊，磨損在岔口內(nèi)壁是最嚴重的，而岔口的背壁， 主要是此處流域變大，使其磨損處較內(nèi)壁較輕。

4 結 論

（1）利用Fluent 軟件，采用Eulerian + Dense Discrete Phase Model（DDPM）模塊和磨損模塊可實現(xiàn)泥沙液固兩相流在管道內(nèi)的流場模擬。同時，利用流場計算結果及磨損模型，可預測磨損區(qū)域及磨損速率進而優(yōu)化耐磨管路的布置，提高耐磨材料利用率。

（2）通過計算發(fā)現(xiàn)，磨損嚴重區(qū)域為彎管區(qū)的外拱壁處，說明顆粒的存在對彎管壁面的剪切應力分布影響最大，同時，該處受沖擊影響較深，受力也較大，處于危險區(qū)域，此處耐磨性能要求高，需采用耐磨性能相對最高的耐磨材料，并進行局部加厚處理，以提高管路的整體使用壽命，避免因局部磨穿而造成的整根泥管報廢。

（ 3 ） 利用本文方法可對疏浚管系進行分析計算，以考慮、不同流體輸送條件如溫度、速度、固含量等因素的影響，得到適用于具體工況條件的合理的管路尺寸、耐磨材料選擇。

參考文獻：

[1] Arvind Kumar，D. R. Kaushal ，Umesh Kumar. 3D CFD Modeling and Experim-ental Validation for Slurry Flow through Pipe Bend [J]. Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis. 2008 7：105-110.

[2] Dr. Ehab Elsaadawy and Dr. Abdelmounam M. Sherik. Black Powder Erosion in Sales Gas Pipeline Bends[J]. Saudi Aramco Journal of Technology ，2010.

[3] 張慧君，付林，高炳軍. 油煤漿輸送管路彎管部位液固兩相流流場的數(shù)值模擬與磨損預測[J].河北工業(yè)大學學報， 2010.12， 36（6）： 66-71.

[4] 宗營營， 馬德毅， 宋丹路， 彭家強. 基于Fluent的煤粉燃燒器風管流場數(shù)值模擬與分析[J]. 起重運輸機械， 2012， 3： 41-45.

[5] 王福軍. 計算流體動力學分析— CFD軟件原理與應用[M]. 北京： 清華大學出版社， 2004.

[6]Ansys. Ansys Fluent Help 12.0 [M]. 2009