孟悅 趙賽妮 王鵬 徐錦濤（中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300）

1 數(shù)值模擬

1.1 模型的建立

本文研究的對(duì)象分為不同尺寸和形狀的彎管，幾何尺寸如下：

1)兩種直管段的幾何尺寸均為L(zhǎng)1=L2=1m，r1=r2=r3=0.1m，R3=1m，彎管角度30°。

2)兩種直管段的幾何尺寸均為L(zhǎng)1=L2=1m，r1=r2=r3=0.1m，R3=0.5m彎管角度90°。

3)兩種直管段的幾何尺寸均為L(zhǎng)1=L2=1m，r1=r2=r3=0.2m，R3=0.5m，彎管角度90°。

4)兩種直管段的幾何尺寸均為L(zhǎng)1=L2=4m，r1=r2=r3=0.1m，R3=0.5m，彎管角度90°。

1.2 網(wǎng)格劃分

使用網(wǎng)格劃分對(duì)所有模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)體劃分，保證模型的網(wǎng)格分布均勻，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理。

1.3 湍流模型設(shè)置

基于管徑的高雷諾數(shù)要求采用含壁函數(shù)的湍流模型。湍流模型采用的是k-ω（spf）增強(qiáng)壁面函數(shù)的湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，由于對(duì)于強(qiáng)流線曲率的流動(dòng)，采用此模型進(jìn)行計(jì)算是能夠得到較為精準(zhǔn)的模擬結(jié)果。

1.4 邊界條件和起始條件

進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，流場(chǎng)分析時(shí)假定流場(chǎng)穩(wěn)定，計(jì)算時(shí)各參數(shù)不隨時(shí)間進(jìn)行變化，在該模擬過程中，流體為不可壓縮流體，流體的密度，粘度等物理因素不隨時(shí)間進(jìn)行變化，在該過程中，不涉及傳熱問題，流場(chǎng)視為等溫場(chǎng)。在設(shè)置入口條件時(shí)，入口邊界處設(shè)定為充分發(fā)展的流動(dòng)，保證管道內(nèi)置材料的充分穩(wěn)定流動(dòng)。

2 結(jié)果分析

模型結(jié)果分析模型采用以下三種不同的沖蝕模型來計(jì)算管道彎頭表面的沖蝕磨損率，分別為：Finnie、DNV 和E∕CRC。這些沖蝕模型可以內(nèi)置在專用“沖蝕”的節(jié)點(diǎn)中，并且可以在同一組的邊界壁上使用以上多個(gè)沖蝕模型來分析解決管道的沖蝕磨損率。除以上三個(gè)計(jì)算模型外，本報(bào)告中還采用管道彎頭處的速度流線分析，管道彎頭處的壓力等值線分析，管道內(nèi)的粒子軌跡對(duì)模型進(jìn)行更完整的沖蝕磨損分析。

圖1 Finnie模型、DNV模型沖蝕磨損圖

2.1 管道彎頭處的速度流線分析

根據(jù)管道彎頭處的速度流線圖分析可得出：在管內(nèi)介質(zhì)流速為4.5m∕s 的條件下時(shí)，角度為30°的彎管內(nèi)的液體流速大致分布于4m∕s到2.5m∕s之間，當(dāng)彎管角度增加至90°時(shí)，彎管內(nèi)的液體流速升至4m∕s 之上，尤其是在通過彎頭之后的管段內(nèi)，工質(zhì)流動(dòng)速度明顯大于30°彎管的流動(dòng)速度且管內(nèi)上方流速大于下方流速。當(dāng)擴(kuò)大管道直徑后，管內(nèi)流速明顯降低，管內(nèi)平均流速在2m∕s至3m∕s，當(dāng)通過90度彎管后，后端管道內(nèi)的流速有降低，均在1m∕s至2m∕s之間。適當(dāng)增加管長(zhǎng)之后，管道內(nèi)的工質(zhì)流速又有明顯的上升。

2.2 管道彎頭處的壓力等值線

通過壓力分析圖可以得出管道的主要壓力分布于彎管處，當(dāng)彎管角度較小時(shí)，彎管所受到的壓力較小于彎管角度較大時(shí)產(chǎn)生的壓力。當(dāng)管道的管徑相同時(shí)，較長(zhǎng)管徑在彎管處所承受的壓力大于較短管徑。當(dāng)管道長(zhǎng)度相同但管直徑不相同時(shí)，較大的管徑在彎管處承受的壓力要小于較細(xì)管徑。

2.3 管道內(nèi)粒子軌跡分析

顆粒密集程度表示管內(nèi)的粒子的分布數(shù)量，當(dāng)管子的直徑越細(xì)，能夠通過管子的粒子數(shù)量則越少。粒子入射的銳角大部分都集中在89度，彎管的角度對(duì)其影響較小。

2.4 Finnie模型計(jì)算的管壁上的沖蝕磨損率

由上圖1 可知，半徑和直管段長(zhǎng)度都會(huì)影響沖蝕速率。同樣是用Finnie 模型計(jì)算，流速為4.5m∕s，當(dāng)管徑為0.1m，直管段長(zhǎng)為1m 時(shí)，彎管上端所受沖蝕最嚴(yán)重，為9e-9kg∕(m2×s)，當(dāng)管徑增加到0.2m 時(shí)，沖蝕最嚴(yán)重的區(qū)域是彎管段的下部分，最高速度為7e-8kg∕(m2×s)。當(dāng)把直管段長(zhǎng)度延長(zhǎng)到4m 時(shí)，沖蝕主要集中在入口附近，速度最高可達(dá)1.2e-7kg∕(m2×s)，而彎管處幾乎不受到?jīng)_蝕。

2.5 DNV模型計(jì)算的管壁上的沖蝕速率

為了減小仿真誤差，在同樣的參數(shù)下用DNV 模型進(jìn)行研究，結(jié)果如圖所示，與Finnie 模型相比，各管道所受沖蝕最嚴(yán)重的部位并沒有發(fā)生顯著變化，但速度有差異。模型2的最大沖蝕速率降為 3e-9kg∕(m2×s)，模型 3 的最大沖蝕速率也降低了，為6e-8kg∕(m2×s)，直管段長(zhǎng)度為 4m 時(shí)，最大沖蝕速率為 1e-7kg∕(m2×s)左右，其他地方的速度幾乎為零。

2.6 E/CRC模型計(jì)算的管壁上的沖蝕速率

在4.5m∕s的速度下，再采用E∕CRC模型研究各模型的沖蝕情況。與以上兩個(gè)模型相比，示意圖基本相同但得到數(shù)據(jù)偏大。模型2 所示管道所受沖蝕最大速率為1.4e-9kg∕(m2×s)，集中在彎管段的上半部分。模型3 管道彎管下部分受到最高2.5e-8kg∕(m2×s)的沖蝕。模型4受到?jīng)_蝕最嚴(yán)重的部分在入口的內(nèi)側(cè)，最高沖蝕速率為4.5e-8kg∕(m2×s)。

3 結(jié)語

3.1 當(dāng)速度為4.5m∕s，直管段長(zhǎng)度不變，彎管角度90°，半徑增大，流速明顯降低，壓力減小，受沖蝕最嚴(yán)重的位置會(huì)下移，最大沖蝕速率會(huì)增大。

3.2 同樣是速度為4.5m∕s，彎管角度90°，半徑為0.1m，當(dāng)直管段長(zhǎng)度增加時(shí)，工質(zhì)的流速會(huì)上升，壓力增大，靠近入口的內(nèi)側(cè)處會(huì)受到最嚴(yán)重的沖蝕。