胡 敏,陳文斌,廖飛龍,程鏡潔

(1.川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院,四川 廣漢 618300; 2.中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦磨溪凈化廠，四川 遂寧 629000)

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基于CFD的不同流向彎頭沖蝕過程的數(shù)值模擬

胡 敏1,陳文斌1,廖飛龍1,程鏡潔2

(1.川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院,四川 廣漢 618300; 2.中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦磨溪凈化廠，四川 遂寧 629000)

彎頭作為改變介質(zhì)流向的管件，在管路系統(tǒng)中承受著較大的沖擊以及突變的壓力，因此沖蝕成為彎頭失效的主要原因。利用計算流體動力學(xué)CFD軟件對四種不同流向以及水平放置彎頭的沖蝕過程進(jìn)行了模擬仿真，對比分析了五種情況下彎頭的沖蝕率和沖蝕面積。結(jié)果表明：(1)彎頭的外弧面處存在著最大壓力值，含砂氣攜帶著砂粒在該區(qū)域大量聚集，且在彎頭外弧面區(qū)域極易發(fā)生沖蝕磨損；(2)當(dāng)彎頭中介質(zhì)流向從上往下時，彎頭平均沖蝕率是1.2763 kg/(m2·s)，最大沖蝕率是14.69 kg/(m2·s)，相對介質(zhì)流向從下往上的情況均是最大的；(3)當(dāng)彎頭是水平放置的時候，其沖蝕面積達(dá)到了0.046 11 m2比其他4種情況都大。

CFD 彎頭 沖蝕

在管路系統(tǒng)中，彎頭是改變介質(zhì)方向的管件。當(dāng)介質(zhì)經(jīng)過彎頭時，其速度、壓力會發(fā)生非常大的變化，導(dǎo)致流體的流動不穩(wěn)定[1]。彎頭因沖蝕磨損減薄[2]導(dǎo)致失效而引發(fā)的管道事故比例越來越高[3-4]。因此如何準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)彎頭存在的缺陷[5]是近幾年來亟待解決的問題之一。該文以新疆某含砂氣井井口的彎頭為例，基于ANSYS-CFX軟件具有針對性地對幾種不同流向彎頭的沖蝕過程進(jìn)行了模擬仿真。通過分析總結(jié)仿真結(jié)果，對不同流向彎頭的安裝與檢測工作提供一定的理論指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 多相流分析

多相流分析中，各相之間在宏觀尺度上混合，該混合尺度遠(yuǎn)小于網(wǎng)格尺度，但是遠(yuǎn)大于分子尺度[6]。所有的相占有同一空間體積，在控制體內(nèi)假設(shè)每一相占有的體積大小用變量體積分?jǐn)?shù)來表示；每一相有自己的流場參數(shù)，各相通過相間的能量傳輸、動量傳輸、質(zhì)量傳輸模型耦合。每一相具有各自的質(zhì)量、動量、能量傳輸方程。

(1)質(zhì)量連續(xù)方程為：

(2)動量傳輸方程為：

=rα(B-

式中:rα為α相的體積分?jǐn)?shù);ρα為α相的物理密度;Uα和Uβ分別為α相和β相的速度;μα為α相的剪切粘性系數(shù)。

連續(xù)相和離散相之間的相互作用力是通過相間速度差、連續(xù)相的屬性及相間界面積進(jìn)行計算，作用在顆粒/分散相上的力包括曳力和非曳力。其中曳力通過無量綱曳力系數(shù)與顆粒雷諾數(shù)相關(guān)。

CD=f(Rε)

在CFX軟件中：

1.2 Finnie腐蝕模型

壁面的磨損腐蝕主要是由于流體介質(zhì)中的顆粒碰撞侵蝕作用引起。關(guān)于顆粒、顆粒的碰撞和壁面的屬性存在著比較復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。幾乎對于所有金屬來說，磨損腐蝕程度隨著顆粒的入侵角和速度變化而變化，其函數(shù)關(guān)系是：

Finnie磨損腐蝕模型[7]將磨損速率和入侵顆粒的動能聯(lián)系起來，取n的值為2，即：

式中：

2 含砂氣沖蝕彎頭的數(shù)值模擬分析及結(jié)果

2.1 建立CFD模型

選用最常用的90°彎頭作為研究對象。以新疆某含砂氣井井口的彎頭為例，彎頭公稱直徑為114 mm，彎頭壁厚為8 mm。設(shè)置速度為入口邊界條件，出口的邊界條件為壓力。由于湍流運(yùn)動中流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動情況十分復(fù)雜[8]，因此借助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用經(jīng)驗(yàn)公式近似地表達(dá)，使用One Seventh Power Law,其表達(dá)為：U=Wmax(1-r/Rmax)1/7，通過插入Expression函數(shù)的方法來設(shè)置。圖1(a)和圖1(b)分別是彎頭的結(jié)構(gòu)模型和流體模型。

圖1 彎頭的結(jié)構(gòu)模型和流體模型

通過設(shè)置介質(zhì)的重力加速度來實(shí)現(xiàn)四種流向以及水平放置彎頭沖蝕過程的模擬仿真。四種不同的流向分別是：橫向—向上、橫向—向下、向下—橫向、向下—橫向，見圖2。

2.2 仿真結(jié)果與分析

2.2.1 流場特性分析

通過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析對比，發(fā)現(xiàn)四種流向的彎頭和水平放置彎頭的流場特性基本是一致的，因此這里選取了彎頭介質(zhì)流向?yàn)橄?橫向的仿真結(jié)果作為代表，來討論彎頭壓力場的分布規(guī)律和砂粒的運(yùn)動軌跡。

圖2 四種流向的彎頭

(1)壓力場

圖3為彎頭壓力的分布云圖。由圖3可見彎頭的外弧面壓力達(dá)到最大值，沿著彎頭徑向逐漸降低，至彎頭內(nèi)弧面時壓力達(dá)到了最小值。從數(shù)值上看在彎頭內(nèi)弧面處出現(xiàn)了負(fù)壓。當(dāng)管道內(nèi)介質(zhì)通過彎頭到達(dá)外弧面的位置時，介質(zhì)的流向發(fā)生改變，因此在外弧面位置會產(chǎn)生最大的壓力值。

圖3 彎頭壓力場分布云圖

(2)砂粒的運(yùn)動軌跡

圖4為砂粒相在管道中的運(yùn)動軌跡。顆粒進(jìn)入彎頭之前，是做直線運(yùn)動，進(jìn)入彎頭后，砂粒以一定的動量沖擊彎頭的內(nèi)壁面，由圖4可以看到砂粒主要是與彎頭的外弧面發(fā)生碰撞。相對于外弧面內(nèi)弧面區(qū)域基本上沒有砂粒。在這一過程中，砂粒以不同的角度與外弧內(nèi)壁面發(fā)生碰撞，并且在該區(qū)域聚集了大量的砂粒，因此彎頭的外弧面區(qū)域是極易發(fā)生沖蝕的地方。

圖4 砂粒相的粒子運(yùn)動軌跡

2.2.2 沖蝕特性分析

這里分別對4種流向的彎頭以及水平放置彎頭的沖蝕特性進(jìn)行討論分析，見圖5。

圖5 彎頭的沖蝕云圖

(1)沖蝕率

從CFX-Post中提取的4種介質(zhì)流向及水平放置彎頭的平均沖蝕率和最大沖蝕率值見表1。通過表1可以看出，彎頭內(nèi)介質(zhì)流向是從上往下(橫向-向下、向下-橫向)的平均沖蝕率和最大沖蝕率比介質(zhì)流是向從下往上(橫向-向上、向上-橫向)的大。其中彎頭介質(zhì)流向?yàn)橄蛳?橫向平均沖蝕率和最大沖蝕率是最大的，其次是水平放置的彎頭。這是由于砂粒受重力作用從而影響到砂粒沖擊管壁的速度，當(dāng)介質(zhì)是從上往下的，重力作用使砂粒的沖擊速度增大，同理，當(dāng)介質(zhì)是從下往上的，重力作用使砂粒的沖擊速度減小。

(2)沖蝕面積

通過CFX-Post中創(chuàng)建Iso-Clip面來提取彎頭上受到?jīng)_蝕的區(qū)域見圖6。

通過彎頭的沖蝕區(qū)域云圖來看，彎頭的沖蝕區(qū)域是以外弧面中心向彎頭的兩頰面擴(kuò)散開的。利用后處理中的Function Calculator模塊來計算出沖蝕區(qū)域的面積，計算結(jié)果見圖7。

表1 不同流向彎頭的平均沖蝕率和最大沖蝕率

圖6 沖蝕區(qū)域面積

從圖7可以直觀地看到當(dāng)彎頭水平放置時，沖蝕的面積是最大的，其次是彎頭介質(zhì)流向?yàn)闄M向-向上。當(dāng)彎頭是水平放置和介質(zhì)流向?yàn)闄M向-向上這兩種情況時，砂粒因重力影響，增大了砂粒與彎頭內(nèi)壁的接觸面積從而使沖蝕面積增加。

圖7 沖蝕面積對比

3 結(jié) 論

(1)通過分析仿真結(jié)果得到彎頭的外弧面處存在著最大壓力值，含砂氣攜帶著砂粒在該區(qū)域大量聚集，并且在彎頭外弧面區(qū)域極易發(fā)生沖蝕磨損。

(2)彎頭介質(zhì)流向是從上往下(橫向-向下、向下-橫向)的平均沖蝕率和最大沖蝕率均比介質(zhì)流是向從下往上(橫向-向上、向上-橫向)的大。

(3)當(dāng)彎頭是水平放置和彎頭介質(zhì)流向?yàn)闄M向-向上時，彎頭壁面的沖蝕面積是最大的。

[1] 魏秀芝.氣力輸送顆粒在輸送管彎頭中的運(yùn)動及磨損[J].黑龍江石油化工,1996(2)：36-39.

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

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[6] 李明高，李明.ANSYS13.0流場分析技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012:12-18.

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(編輯 王維宗)

Numerical Simulation of Erosion in Elbow of Different Flow Directions Based on CFD

HuMing1,ChenWenbin1,LiaoFeilong1,ChenJingjie2

(1.InstituteofSafety,EnvironmentandQualitySupervisionandInspectionofCNPCChuanqingDrillingEngineeringCompany,Guanghan618300，China; 2.MoxiNaturalGasPurificationPlantofCentralSichuanOil&GasField,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany,Suining629000,China)

The elbow works to change the flow direction of medium.The failure of elbow is mainly caused by the erosion because of the great impingement and sudden change of pressure.The numerical simulation of the erosion process of four medium directions in elbow and horizontal elbow is established by using CFD.The erosion rates of erosion areas of five conditions are analyzed and compared.It is concluded that,(1) the externalsurface of the elbow is subject to easy erosion because of great pressure and accumulation of large amount of gas containing solid particles; (2) when the media in the elbow flows from top to bottom,the average erosion rate is 1.2763 kg/m2.s,and the maximum erosion rate is 14.69 kg/m2·s; (3) when the elbow is in horizontal position,the erosion area is 0.04611 m2,which the largest among the four conditions.

CFD,elbow,erosion

2015-11-17；修改稿收到日期：2016-02-02。

胡敏，高級工程師,1985年畢業(yè)于西南石油學(xué)院機(jī)械系,現(xiàn)在該研究院從事鉆井設(shè)備及井控裝備檢測及研究工作。E-mail:liaofeilong880311@qq.com