許留云，李翔，李偉峰，裴彥達，王江云

（1. 中國石油大學(xué)（北京），北京102249； 2. 中國特種設(shè)備檢測研究院，北京100013）

模擬與計算

三通管中不同流體介質(zhì)沖蝕磨損的數(shù)值模擬

許留云1,2，李翔2，李偉峰1,2，裴彥達2，王江云1

（1. 中國石油大學(xué)（北京），北京102249； 2. 中國特種設(shè)備檢測研究院，北京100013）

運用Fluent軟件中的DPM模型對三通管中沖蝕磨損過程進行了數(shù)值模擬計算，從詳細(xì)流場數(shù)據(jù)的分析中得到了流體對三通管沖蝕磨損較嚴(yán)重的部位，并對四種不同流體介質(zhì)在三通管中的沖蝕磨損情況進行了對比研究，結(jié)果表明，流體的粘度/密度的平方根與流體對管道的沖蝕磨損速率成正比。

三通管；不同介質(zhì)；沖蝕速率；數(shù)值模擬

石油化工生產(chǎn)及其他行業(yè)用管道輸送流體介質(zhì)時，流體不可避免的對管道造成沖蝕磨損破壞[1]，這不可避免的會給運輸管線的安全造成極大隱患[2]，其中三通管是石化管道的重要部件，其發(fā)生沖蝕減薄、穿孔等安全事故的概率不斷上升[3]，為了確定三通管中發(fā)生沖蝕最嚴(yán)重的部位及沖蝕速率大小與其中流體介質(zhì)物理性質(zhì)的關(guān)系，本文以三通管為例，研究其中流體密度和粘度與沖蝕磨損速率的大小關(guān)系。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者運用試驗、理論、數(shù)值計算等方法對流體對管道中沖蝕磨損展開了廣泛研究，如Y.M. Ferng運用CFD軟件對彎管和三通管進行了進行數(shù)值模擬實驗，確定了彎管和三通管中沖蝕磨損較嚴(yán)重的部位[4]，A.M.F.EI-Shaboury等分析了氣液兩相流在三通管中壓力和速度分布，并通過實驗驗證了數(shù)值模擬研究的正確性，預(yù)測了三通管中沖蝕情況[5]。黃勇等應(yīng)用CFD軟件研究了含顆粒液體的對三通管的沖蝕磨損部位的分布[6]，陳佳等人研究了流速和流體粘度的變化與三通管所受的剪切應(yīng)力的關(guān)系，間接得出三通管的沖蝕情況[7]，雖然國內(nèi)的學(xué)者對三通管的內(nèi)流場分布已經(jīng)進行的大量的研究，但是專門針對三通管沖蝕磨損較嚴(yán)重部位的沖蝕速率與流體密度、粘度關(guān)系的相關(guān)研究比較少，本文將針對三通管中流體的粘度和密度作為變量進行研究，分析其中流體密度與沖蝕磨損速率大小的關(guān)系。

1 流體的動力學(xué)模型

1.1 理論模型

管道內(nèi)流體中含沙的流動屬于典型的流-固兩相流，由于流體中顆粒非常稀薄，因而顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分?jǐn)?shù)對連續(xù)相的影響均未加以考慮[8]，因此我們在拉格朗日坐標(biāo)系下，采用離散相模型（DPM）模擬管道中流體流動。

管道內(nèi)流動均屬于典型的兩相流，其連續(xù)方程如下：

湍流模型采用適合流動類型比較廣泛的RNG k-?模型，其方程如下：

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生；Gb是由于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生；YM為可壓縮湍動能膨脹對總的耗散率的影響；C1ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，F(xiàn)LUENT中默認(rèn)C1ε=1.44、C3ε=0.09；σk、σε分別為湍動能和湍動能耗散率對應(yīng)的普朗特數(shù)，F(xiàn)LUENT中默認(rèn)值為σk=1.0、σε=1.3。

所采用的DPM模型中沖蝕速率公式如下：

其中 C(dp)為顆粒直徑的函數(shù)，設(shè)定為一常數(shù)1.8e-9，α為顆粒對壁面的沖擊角，f(α)為沖擊角的函數(shù)，v是顆粒相對壁面的速度，b(v)是此相對速度的函數(shù)，在模擬過程中速度指數(shù)函數(shù)為常數(shù)2.6。

1.2 計算模型

三通管模型的具體尺寸如圖1所示；用前處理軟件Gambit對三通管進行網(wǎng)格劃分，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，具體劃分情況如圖2所示。

圖1 三通管的模型圖 圖2 三通管的網(wǎng)格劃分圖Fig.1 Model Figure of the tee Fig.2 Meshing case of the tee

1.3 計算方法

利用Fluent14流體分析軟件對分析含顆粒流體對三通管的沖蝕磨損速率的大小，湍流方程選擇RNG k-?方程求解，并采用離散相模型求解三通管中的沖蝕磨損情況，使用三維隱式分離求解器，控制方程的離散有限元體積單元法，液-固耦合均采用SIMPLE算法。

2 三通管沖蝕磨損部位預(yù)測

為了確定三通管中沖蝕磨損較嚴(yán)重的部位，首先對含有沙粒的水進行了數(shù)值模擬研究。其邊界條件為：

入口邊界條件：速度入口5 m/s；出口邊界條件：自由出口

2.1 三通管的速度及壓力云圖的對比

三通管在基準(zhǔn)仿真條件下的速度云圖、壓力云圖如圖3、4所示。

由三通管中的速度云圖和壓力云圖可以看出，當(dāng)流體從入口管道流入到出口支管和出口直管時，在出口支管處速度變化較大，在支管靠近入口管道一側(cè)0-2D支管速度最小，在靠近出口直管的一側(cè)0-2D處速度達到最大，這是因為當(dāng)流體的流向突然發(fā)生變化的時候會在支管處發(fā)生渦流所致，隨后流體的流動又恢復(fù)平穩(wěn)；由壓力云圖可以看出，在支管入口0-1.5D處的壓力相對較小，其后支管中壓力基本平穩(wěn)，根據(jù)伯努利守恒方程可以知流體的動能和壓力勢能是守恒的，當(dāng)流體在三通處分流之后，尤其是在直管道中流體的動能變化較大導(dǎo)致其壓力變化相對入口直管比較大，但出口直管管道中的壓力相對比較平穩(wěn)。

圖3 三通管的速度云圖Fig.3 Velocity contours of the tee

圖4 三通管的壓力云圖Fig.4 Pressure contours of the tee

2.2 三通管中沖蝕磨損位置預(yù)測

沖蝕速率云圖和沖蝕比較嚴(yán)重的部位的局部放大圖如下圖5、圖6所示。

圖5 三通管沖蝕速率云圖Fig.5 Erosion rates of the tee

圖6 三通管沖蝕的局部放大圖Fig.6 Partial enlarged view at the tee

由沖蝕特征圖可以看到，在入口支管與出口支管相貫處沖蝕速率達到最大值，在此處，流體的流動方向和流動速度開始發(fā)生變化導(dǎo)致此處背壓較大，且流體方向改變會對此處管道造成直接撞擊沖刷，造成沖蝕磨損的量比較大；同時由圖6可以看出在出口支管流體沖蝕速率比較大，即在出口支管處流體沖蝕也比較嚴(yán)重，是由于當(dāng)流體流動方向改變的時，流動性不太穩(wěn)定且發(fā)生渦旋所致

3 不同介質(zhì)對三通管的沖蝕磨損情況的對比

為了研究不同介質(zhì)對三通管沖蝕的影響，本文對催化裂化油漿、水、柴油、汽油等四種粘度、密度均不相同的流體進行了沖蝕磨損的數(shù)值模擬研究實驗，假設(shè)這四種物質(zhì)中所含雜質(zhì)（即流體中第二相本文以石英砂為例）的體積含量是相同的，在相同的管道中，保持相同的出入口邊界條件對其進行數(shù)值模擬研究，介質(zhì)的物理參數(shù)見表1所示。

表1 不同流體的物理性質(zhì)Table1 Physical properties of different fluids

通過對催化裂化油漿、水、柴油、汽油等四種流體對進行沖蝕磨損的數(shù)值模擬研究，得到四種不同介質(zhì)對管道的最大沖蝕速率，將其與粘度/密度的平方根的關(guān)系如表2所示。

表2 粘度/密度的平方根與沖蝕速率大小Table 2 The square root of viscosity/density and erosion rate

表2 粘度/密度的平方根與沖蝕速率大小Table 2 The square root of viscosity/density and erosion rate

將流體粘度/密度的平方根與沖蝕速率的關(guān)系以曲線的關(guān)系表示，如圖7所示。

圖7 粘度/密度的平方根與沖蝕速率大小關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between the square root of viscosity/density and the erosion rate

4 結(jié) 論

（1）對于兩個自由出口的三通而言，沖蝕最嚴(yán)重的部位發(fā)生在入口管道與出口支管相貫的地方，并且在出口支管管道沖蝕磨損情況也比較嚴(yán)重；

（2）通過數(shù)值模擬實驗可以得出，流體的粘度/密度的平方根與流體對管道的沖蝕速率成正比。

（3）根據(jù)本研究得出的三通的沖蝕速率可以方便、快捷的預(yù)測出管道的壽命，可以根據(jù)管道輸送的流體的密度的不同適當(dāng)?shù)膶艿捞貏e是流體出口支管管道進行適當(dāng)加厚以減小三通管由沖蝕磨損而引起的失效

［1］易衛(wèi)國, 楊謙, 李群松. 稀薄顆粒流體對彎管沖蝕的數(shù)值模擬[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報, 2012,35(5):56-60.

［2］曾涌捷. 天然氣管道彎頭沖蝕失效機理研究[J]. 石油與化工設(shè)備,2011,14（2）：44-46.

［3］杜曉丹. 催化裂化油漿系統(tǒng)的沖刷失效研究[D]. 大連：大連理工大學(xué),2007:31- 56 .

［4］Y.M. Ferng. Predicting local distributions of erosion-corrosion wear sites for the piping in the nuclear power plant using CFD models[J]. Annals of nuclear Energy,2008, 35:304-313.

［5］Y.CHARRON,P.B.WHALLEY. GAS-LIQUID ANNULAR FLOW AT A VERTICAL TEE JUNCTION[J]. Int.J.Multiphase,,1995,21(4):569-589．

［6］黃勇, 施哲雄, 蔣曉東. CFD在三通沖蝕磨損研究中的應(yīng)用[J]. 化工裝備技術(shù), 2005,26(1): 65-67.

［7］陳佳, 劉勇峰. 三通管沖刷腐蝕數(shù)值計算[J]. 當(dāng)代化工, 2013,42(1): 76-78.

［8］唐家鵬. FLUENT 14.0超級學(xué)習(xí)手冊[M]. 北京：人民郵電出版社，2013.

Numerical Simulation of Different Fluid Medium Erosion for Tee Pipes

XV Liu-yun1,2, LI Xiang1, LI Wei-feng1,2, PEI Yan-da1, WANG Jiang-yun1
（1. China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China；2. China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100013, China)

DPM model in Fluent software was used to carry out simulation study on tee pipes erosion situation in different media. The serious erosion location in the tee pipes was determined. The results of numerical simulation show that the square root of the fluid viscosity / fluid density is proportional to the erosion rate of the pipe.

Tee pipes; Different media; Erosion rate; Numerical simulation

TQ 018

A

1671-0460（2014）12-2718-03

國家自然科學(xué)基金(21106181)；中國石油大學(xué)（北京）基金資助(KYJJ2012-03-15)

2014-05-20

許留云（1990 -），女，中國石油大學(xué)（北京） 化學(xué)工程學(xué)院在讀研究生。E-mail：xuliuyun.love@163.com。

王江云（1977 -），男，助理研究員，博士，從事多相流動與分離、腐蝕及燃燒過程的數(shù)值模擬與實驗研究。E-mail：wangjy@cup.edu.cn。