串联双弯头气固两相冲蚀数值研究.docx

? ? 串联双弯头气固两相冲蚀数值研究 ? ? 赵湘阳,曹学文,曹恒广,谢振强,吴 超,熊 妮 (中国石油大学(华东)山东省油气储运安全省级重点实验室,山东青岛 266580) 冲蚀是指高速流体携带固体颗粒与金属表面发生碰撞而引起的金属损失的现象。在天然气开采中,气流中夹杂的固体颗粒给生产设备和管线造成了严重的冲蚀损坏,这不仅会限制气田的生产,还给人员和环境带来了严重威胁。在工业流程中,弯头、三通以及阀门等都是常见的过流部件。这些部件由于流体流向的突然改变非常容易受到冲蚀损伤。研究表明固体颗粒对弯管的冲蚀损伤可达直管的50倍[1]。因此弯头处的冲蚀预测至关重要,而通过试验研究是最直接的研究方法。此外CFD的方法也被广泛应用于冲蚀研究。Chen等[2]研究了颗粒-壁面碰撞反弹模型对弯头和盲三通内侵蚀形貌和颗粒轨迹的影响,发现在弯头处出现了V形冲蚀形貌。Pereira等[3]认为V形冲蚀形貌主要是由小尺寸颗粒与弯头壁面发生滑动摩擦导致的。Laìn等[4]将欧拉-拉格朗日方法与Oka[5]冲蚀模型相结合研究了表面粗糙度对侵蚀速率与侵蚀形貌的影响,结果表明表面粗糙度增加降低了冲蚀速率,V形冲蚀形貌也随之消失。于飞等[6]采用CFD-DPM的方法研究了弯头在不同曲率半径、角度和截面形状等因素下的气固两相冲蚀,并提出了减小冲蚀的弯头结构参数。彭文山等[7]基于欧拉-拉格朗日方法,根据弯管内颗粒运动轨迹推导了最大冲蚀位置的预测方程。目前大多数研究都集中在单个弯头的冲蚀行为。而在实际的工业流程中,串联弯头的情况比较常见。对于单个弯头的冲蚀,大多数研究中认为流动在进入弯头前会充分发展,而对于串联弯头来说,弯头之间的距离可能会很短,颗粒运动轨迹与单个弯头情况有较大的差异,因而串联弯头的冲蚀行为和单个弯头有很大不同。Kumar等[8]对连续3个弯头进行了试验研究,结果表明弯头1的侵蚀速率要比弯头2和弯头3的高。弯头1的冲蚀区域更加集中,而弯头2和3的冲蚀分布更加均匀。Felten[9]采用CFD方法研究了两个标准弯头之间的距离和角度对弯头冲蚀的影响。Asgharpour等[10]利用超声测厚技术研究了两个距离为10D的标准弯头的冲蚀。结果表明,第一个弯头的侵蚀速率要高于第二个弯头,两个弯头的侵蚀形貌也有所不同。Xie等[11]建立了CFD模型研究了两个串联弯头之间的连接距离和弯头曲率半径对侵蚀行为的影响,并利用St数和Dean数研究了颗粒的运动。Deng等[12]通过试验研究了4个连续弯头的冲蚀,结果表明弯头的弯曲方向对穿刺点的影响最大。但是Deng等[12]所采用的流动环路中两个连续弯头的最短距离大于300倍管径,因此忽视了两个连续弯头之间潜在的相互影响[13]。在天然气集输中,串联弯头的情况十分常见。由于串联弯头冲蚀特性的复杂性,目前对串联弯头的研究还不够深入,尚未形成普遍适用的串联弯头冲蚀机制。笔者针对一种串联双弯头的形式进行研究。通过CFD-DPM方法研究弯头连接长度、颗粒直径、气体速度以及弯曲半径对弯头冲蚀的影响,分析不同因素下两个弯头冲蚀行为的差异以及弯头之间的相互影响。 1 计算模型 1.1 连续相模型 流体运动受到质量守恒、动量守恒以及能量守恒三大定律控制,不涉及温度变化,因此连续相流体的控制方程由质量守恒方程与N-S方程组成: (1) (2) 标准k-ε模型具有较好的计算精度与数值稳定性[14],因此湍流模型选用标准k-ε模型。 1.2 离散相模型 基于拉格朗日坐标系,不考虑颗粒间的相互碰撞。根据牛顿第二定律,颗粒运动的控制方程为 (3) 式中,mp为颗粒质量,kg;u为流体速度,m/s;up为颗粒速度,m/s;mp(u-up)/τy为拖曳力,N;mpg(ρp-ρ)/ρp为浮力,N;Fp为附加力包括压力梯度力、虚拟质量力以及Saffman升力,N;τy为颗粒松弛时间,s。 离散相的湍流耗散通过随机游走模型(DRW)描述。 1.3 颗粒-壁面碰撞恢复模型 颗粒与壁面碰撞后发生能量转移与损失,颗粒的反弹速度低于入射速度。为了准确预测颗粒轨迹,采用Forder等[15]提出的颗粒-壁面碰撞恢复模型,表示为 en=0.988-0.78θ+0.19θ2-0.02θ3+0.027θ4, (4) et=1-0.78θ+0.85θ2-0.21θ3+0.028θ4-0.022θ5. (5) 式中，en和et分别为法向和切向恢复系数;θ为碰撞角,rad。 1.4 冲蚀模型 影响冲蚀的因素有很多,包括流体因素、颗粒自身性质、流道几何特性以及颗粒运动参数等[16]。Tulsa大学冲蚀/腐蚀研究中心(E/CRC)通过研究颗粒在不同入射角度和不同形状下的颗粒冲蚀特性,提出一个用来预测冲蚀的模型,该模型被广泛应用于CFD冲蚀预测。Zhang等[17]给