1 前言 冲蚀磨损 (又称冲刷腐蚀 )一般是指流体或固体颗粒以一定的速度和角度对物体表面进行冲击 ,发生材料损耗的一种现象或过程。冲蚀磨损经常出现在机械、化工、冶金、能源、航空等许多工业部门中 ,成为引起设备失效或材料破坏的重要原因之一。据有关资料显示 <1> :飞机在多尘埃地区飞行 ,其发动机寿命可降低至正常寿命的 1/10 ;在所有发生事故的锅炉管道中约有1/3是由于冲蚀磨损造成的 ;泥浆泵、杂质泵的过流部件损坏约有 1/2以上是由冲蚀磨损引起的。 三通是管件中的重要组成部分 ,由于其结构的特殊性 ,它很容易遭受流体介质的冲蚀磨损。传统的研究过程装置冲蚀磨损的方法是采用做试验的方法 ,但是该方法存在成本高、周期长的缺点。以计算机和数值计算为手段 ,求解 Navier- Stokes方程组为特征的计算流体力学 (CFD)技术始于 2 0世纪 6 0年代 <2 >。随着计算机运行速度的提高和存储容量的增大 ,它已成为与理论分析和实验研究并列的研究流体流动问题的方法 ,而且应用越来越广泛。利用 CFD方法 ,可以较低的成本在一定程度上解决管件冲蚀的规律性问题<3 > 。本文利用通用 CFD软件对某化工厂丁烯 - 1装置中一段三通管的壁面冲蚀损耗进行了计算。2 数学计算模型 三通管中流体的流动是一个非常复杂的多相三维流动过程。描述其运动的方程可从质量守恒定律、动量守恒定律推出。2.1 控制流体流动的基本微分方程 (1)连续性方程 xi(ρui) =0 (1)式中 xi表示坐标方向 ,ρ表示流体密度 ,ui表示 xi 方向的速度分量。 (2 )动量守恒方程 t(ρui) + xj(ρuiuj) =- p xi+ τij xj+ρgi+ Fi (2 )式中 ,p是静压 ,τij是应力张量 ,ρgi和 Fi 分别为 i方向上的重力体积力和外部体积力 (如离散相相互作用产生的升力 )。应力张量由下式给出 :τij=μ ui xj+ uj xi- 23μ ui xiδij (3)2 .2 湍流模型 鉴于标准 k- ε模型具有适用范围广、精度高的优点 ,本文的数值模拟采用标准 k- ε模型。它是包含两个方程的模型 <4> ,要解两个变量 ,即速度和长度 : t(ρk) + xi(ρkui) = xj<(μ+ μtσk) k xj> + Gk+ Gb- ρε- YM+ Sk (4) t(ρε) + xi(ρεui) = xj<(μ+ μtσε) ε xj> + C1εεk(Gk+ C3εGb) - C2ερε2k+ Sε (5 )式中 ,Gk 表示由层流速度梯度而产生的湍流动能 ,Gb是由浮力产生的湍流动能 ,YM是由于在可压缩湍流中 ,过渡的扩散产生的波动 ,C1ε、C2ε、C3ε是常量 ,σk和σε是 k方程和ε方程的湍流 Prandtl数 ,Sk 和 Sε是与实际问题有关的修正项。 由于近壁面雷诺数较大 ,采用壁面函数法能充分节省计算资源。因为在近壁面粘性力影响区域变量的变化太快 ,不需要对其进行求解。这种方法经济、实用 ,而且也较为准确。2 .3 冲蚀模型 对于管道的冲蚀问题 ,国内外的研究者通过大量的试验 ,提出了许多冲蚀模型 ,本文选取其中较为简单的一个。其表达式<4> 为 :R =∑Np=1Kmp C(dp) f (α) vnA (6 )式中 ,K为与材料有关的常数 ,mp为颗粒质量流率 ,C(dp)、f (α)分别是颗粒直径的函数、冲击角的函数 ,n为速率指数。3 计算过程3.1 模型的建立及网格的划分 三通的规格为 2 0 0× 2 0 0。为了使流动在进入三通和离开三通后能得到充分发展 ,加大三通的伸出长度 ,取每段管线伸出长度为 70 0 mm。三通竖直放置 ,重力方向与 Y轴方向相反。为捕捉近壁面处物理参数的剧烈变化 ,又不使网格划分得过密 ,在管壁面处粘附一边界层 ,共包括四层网格。第一层网格的高度为3.0 mm,接下来的三层依次乘以比例因子 1.2 ,形成向壁面加密的形式。管壁面其他部分的网格间距为2 0 mm。网格模型图见图 1。图 1 用于计算的三通模型3.2 边界条件 该三通管道内的流体介质为 C4、MTBE和甲醇的混合物。混合液的密度为 6 2 2 kg/m3 ,粘度为 0 .16 5m Pa.s。按照流量 ,可以计算出流体的平均速度为0 .92 3m/s。从更换下来的三通内壁刮出一定量的细小颗粒粉末。这些粉末除了材料表面脱落的铁屑 ,还含有一定的非金属颗粒 ,正是它们造成了三通的冲蚀磨损问题。经过测试 ,非金属颗粒的密度为 2 6 0 0 kg/m3。把它们简化为球状颗粒 ,取其平均直径为 2 0 0 μm。4 计算结果 通过计算 ,可以得到三通各部位冲蚀磨损率的大小 ,如图 2所示。图 2 三通各部位的冲蚀磨损率 (kg/ (m2 .s) ) 从图 2中看出 ,在两个出口支管中冲蚀磨损比较严重 ,并且主要集中在与入口支管流动方向正对的外侧管壁处。为了更准确地捕捉冲蚀最严重的区域 ,对于Y轴 ,从坐标为 - 32 0 mm至坐标为 32 0 mm的区域 ,每隔 2 0 mm取一个截面 ,提取这些截面上冲蚀率最大的值 ,作出的曲线图如图 3所示。 从图 3可以看出 ,在 Y=± 2 0 0 mm附近 ,冲蚀率具有极大值。就是说 ,对于两个出口支管 ,最大冲蚀发生在离三通中心约一个管径大小的位置。由于介质的腐蚀性不强 ,可认为三通的壁厚减薄主要是由颗粒的冲蚀磨损造成的。通过现场测厚 ,发现三通壁面厚度最薄的位置位于出口支管上 ,距三通中心大约一个管径大小的距离。由此证明了计算的准确性。 从图 2和图 3可以看到 ,结果并不关于 X轴对称 ,下侧支管的值大于上侧支管的值。这是因为三通是竖直布置的 ,流体及其颗粒的运动轨迹受到重力加速度的影响 ,有更多的颗粒碰撞下侧的支管。图 3 冲蚀率沿 Y轴方向的分布5 小结 应用通用 CFD软件 ,计算了三通中不同位置冲蚀磨损程度的分布。从计算结果可知 ,当三通管为塑性材料 ,流动介质为含颗粒的液体时 ,最大冲蚀磨损发生在离三通中心约一个管径大小的位置。对比测厚数据 ,发现二者基本吻合 ,证明了该计算的准确性。本文是 CFD方法在管道冲蚀计算中的一个简单应用。通过理论与实验相结合 ,不断完善计算模型 ,CFD方法还可应用到包含弯头、异径管、三通等多种管件在内的复杂管线中 ,成为管线冲蚀磨损研究的一个重要手段。CFD在三通冲蚀磨损研究中的应用@黄勇$华东理工大学机械工程学院
@施哲雄$华东理工大学机械工程学院
@蒋晓东$华东理工大学机械工程学院计算流体力学;;三通;;冲蚀磨损;;腐蚀应用现代计算流 体力学方法及CFD软件,建立三通中流体湍流和冲蚀的数学模型,计算三通管内不同部位冲蚀磨 损的分布,并对计算结果进行分析。1 陈冠国,郝雪第.关于冲蚀磨损问题.河北理工大学学报,1997,19(4)
2 钟英杰等.CFD技术及在现代工业中的应用.浙江工业大学学报,2003,31(3)
3 陈孙艺.流体对管件冲蚀的研究和防护.石油化工腐蚀与防护,2003,20(5)
4 Fluent6.0 user'sguild.FluentInc,L ebanon,USA,2001.笤家桓龉芫洞笮〉木嗬搿Ｓ纱酥っ髁思扑愕淖既沸浴！ 〈油?2和图 3可以看到 ,结果并不关于 X轴对称 ,下侧支管的值大于上侧支管的值。这是因为三通是竖直布置的 ,流体及其颗粒的运动轨迹受到重力加速度的影响 ,有更多的颗粒碰撞下侧的支管。图 3 冲蚀率沿 Y轴方向的分布5 小结 应用通用 CFD软件 ,计算了三通中不同位置冲蚀磨损程度的分布。从计算结果可知 ,当三通管为塑性材料 ,流动介质为含颗粒的液体时 ,最大冲蚀磨损发生在离三通中心约一个管径大小的位置。对比测厚数据 ,发现二者基本吻合 ,证明了该计算的准确性。本文是 CFD方法在管道冲蚀计算中的一个简单应用。通过理论与实验相结合 ,不断完善计算模型 ,CFD方法还可应用到包含弯头、异径管、三通等多种管件在内的复杂管线中 ,成为管线冲蚀磨损研究的一个重要手段。CFD在三通冲蚀磨损研究中的应用@黄勇$华东理工大学机械工程学院
@施哲雄$华东理工大学机械工程学院
@蒋晓东$华东理工大学机械工程学院计算流体力学;;三通;;冲蚀磨损;;腐蚀应用现代计算流 体力学方法及CFD软件,建立三通中流体湍流和冲蚀的数学模型,计算三通管内不同部位冲蚀磨 损的分布,并对计算结果进行分析。1 陈冠国,郝雪第.关于冲蚀磨损问题.河北理工大学学报,1997,19(4)
2 钟英杰等.CFD技术及在现代工业中的应用.浙江工业大学学报,2003,31(3)
3 陈孙艺.流体对管件冲蚀的研究和防护.石油化工腐蚀与防护,2003,20(5)
4 Fluent6.0 user'sguild.FluentInc,L ebanon,USA,2001.
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