基于CFD的液固两相流冲刷腐蚀预测研究_梁颖

冲击设备表面，产生细微裂纹，反复冲击后使材料呈
片状脱落。
90
80
入口速度为 10m/s 入口速度为 5m/s
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ70
水平冲刷速度/（m/s） 颗粒冲击角度/°
样本中心距离之间的关系（见图 3）。
60
14
50
入口速度为 10m/s
12
入口速度为 5m/s
40
30 10
20 8
10
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
Liquid-solid two-phase erosion-corrosion prediction based on CFD
LIANG Ying1，YUAN Zongming1，CHEN Xuemin2，JIN Junqing1，ZHAO Kai2 （1.Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；
2
μt
=ρCμ
k ε
颗粒对设备的冲刷腐蚀现象，同时预测腐蚀位置及损 耗率，因其成本低、周期短、计算精度高与实际吻合度 高的特点，越来越受到人们的青睐[1-2]。
本文利用 GAMBIT 软件建立固体颗粒对平面的冲 刷腐蚀预测模型，并对其进行网格处理，在 FLUENT 软 件中进行流动模拟，并将模拟曲线与实测曲线进行对 比分析，为进一步研究冲刷腐蚀预测提供理论依据。
在石油工业设备中，液固两相流中固体颗粒对设 备表面的冲刷腐蚀是一个重大问题。冲刷腐蚀可能引 起设备过早失效，严重影响企业的安全生产及经济效 益。由于颗粒对机械设备反复冲击，可能在设备的某一
个特定位置受损比较严重，从而导致设备集中损耗，可 能会引起突然失效。因此准确预测腐蚀位置及腐蚀损 耗率，对于防止设备失效，对于设备主要结构进行优化 设计，并在设计中避开高磨损区域具有至关重要的意
n
ER=A×Vp ×（f θ）
4 结论
式中：A 为由材料属性及腐蚀环境决定的常数；Vp
（1）在液固两相流冲刷腐蚀中，固体颗粒水平冲刷
和 θ 分别为固体颗粒冲击速度和角度；n 为速度指数， 速度和冲刷角度是影响冲刷腐蚀的两个重要因素。随
介于 2~3。
1.4 流体物性参数
垂直两个方向，它们对样本表面的冲刷腐蚀机理不同：
流体连续相介质为水，离散相介质为沙粒，具体物 水平冲刷对设备表面产生切削作用；垂直冲刷对设备
性参数（见表 1）。
表面产生撞击作用。随着冲刷角度的改变，这两个方向
2 模拟结果及分析
的冲刷作用相辅相成，共同影响液固两相流对设备表 面的冲刷腐蚀结果。
1 计算模型
dup dt
=FD（u-up）+
gx（ρp ρp
-ρ）+Fx
1.1 物理模型 根据实际冲刷腐蚀情形建立喷嘴冲击实验模型[3]
（见图 1），其中 V 指在喷嘴出口处多相流的平均流速， α 指名义冲击角 （这里考虑 90°情况），Vp 和 θ 分别指 颗粒冲击速度和角度，h 指基座与喷嘴之间的距离。
入口 VELOCITY_INLET
出口 PRESSURE_OUTLET
的方法是先求连续相流场，然后再加上离散相，根据离
散相受力平衡求解颗粒的运动轨迹。
喷嘴冲击实验内部流体属于湍流模型，本例连续
墙壁
相采用 RNG k-ε 模型计算。其湍动能和耗散率方程[4]
对称轴 AXIS
WALL
为：
f f 鄣（ρk）+ 鄣（ρkui）= 鄣
表面的冲击角度最大，接近 90°，此时属于大角度冲刷，
研究分析了入口速度分别为 5 m/s 和 10 m/s 的液 垂直冲刷作用较强；随着距样本中心距离增大，冲击角
固两相流中固体颗粒对样本表面的水平冲刷速度分布 度逐渐减小，最终接近 10°，此时属于小角度冲刷，水平
情形。从图中可以看出，在样本中心处固体颗粒对样本 冲刷作用较强；当入口速度变化时，冲击角度的变化规
摘 要：为了分析液固两相流中固体颗粒对设备的冲刷腐蚀现象，基于湍动能和耗散率方程，利用 RNG k-ε 湍流模型， 对整个喷嘴冲击模型区域进行了全三维粘性流动模拟，采用 FLUENT 软件中随机轨道模型对喷嘴冲击模型中的离散 相颗粒进行追踪，模拟分析了液固两相流中固体颗粒对样本平面的水平冲刷速度和冲刷角度的分布规律。将模拟数据 代入腐蚀率函数得到模拟腐蚀率，与实验数据进行对比，预测结果与实验结果吻合，为液固两相流冲刷腐蚀预测提供理 论基础。 关键词：冲刷腐蚀；CFD；腐蚀预测 doi:10.3969/j.issn.1673-5285.2014.02.027 中图分类号：TG172.2 文献标识码：A 文章编号：1673-5285（2014）02-0103-04
2.Western Sichuan Gas Production Plant of Sinopec Southwest Branch Company， Deyang Sichuan 618000，China）
Abstract:In order to analyze the erosion phenomena of the equipment caused by solid parti－ cle in the liquid-solid two phase flow, it is simulated the full three-dimensional viscous flow of the whole flow fields of the nozzle model based on the kinematics equation and kinematics dissipate equation, using RNG k-ε turbulence model.The stochastic tracking method of FLU－ ENT software is adopted to track the dispersed particles in the nozzle model. The analogue results from the corrosion rate function are compared with experimental ones,and it shows that the predicted performance coincides with the experimental one well.The simulation pro－ vides theoretical basis for the erosion-corrosion prediction of liquid-solid two phase flow. Key words：erosion-corrosion；CFD；corrosion prediction
当液固两相流小角度冲刷时，水平冲刷作用较强，
固体颗粒对设备表面产生切削作用是导致材料腐蚀的
主要原因。
当液固两相流大角度冲刷时，垂直冲刷作用较
强，固体颗粒对设备表面产生撞击作用是导致材料腐
蚀的主要原因。这种冲刷腐蚀作用主要由两部分组
成：一部分是固体颗粒冲击设备表面，使表面粗糙度
增大，从而加快表面腐蚀速率；另一部分是固体颗粒
其中：
FD
=
18μ
2
ρp dp
CD Re 24
Re= ρdp up -u μ
喷嘴
CD
=a1
+
a2 Re
+
a3
2
Re
流体喷射方向
流体中的颗粒
式中：u 为流体相速度；up 为颗粒速度；μ 为流体动 力粘度；ρ 为流体密度；ρp 为颗粒密度；dp 为颗粒直径； Re 为相对雷诺数；CD 为曳力系数；gx 为 X 方向重力加
Vol.33 No.2 Feb. 2014
石油化工应用 PETROCHEMICAL INDUSTRY APPLICATION
第 33 卷 第 2 期 2014 年 2 月
基于 CFD 的液固两相流冲刷腐蚀预测研究
梁 颖 1，袁宗明 1，陈学敏 2，金俊卿 1，赵 凯 2
（1.西南石油大学，四川成都 610500； 2.中国石化西南油气分公司川西采气厂，四川德阳 618000）
在液固两相流中冲刷腐蚀是一个复杂的过程，其 影响因素多种多样。当流体性质、设备材料、颗粒性质 一定时，固体颗粒水平冲刷速度和冲刷角度是影响冲 刷腐蚀程度的主要因素。本次研究主要考虑这两个方 面对腐蚀速率的影响。 2.1 水平冲刷速度
水平冲刷速度直接影响冲刷腐蚀机制，是冲刷腐 蚀的一个重要影响因素。在液流冲击设备表面时，随着 流速的提高，固相颗粒的切力矩作用增强，附加剪切力 增大，同时固相颗粒碰撞设备表面的水平冲刷速度也 增大，在设备表面产生划痕，加剧流体对设备表面的冲 刷破坏作用，加快腐蚀。水平冲刷速度与流体速度及距
2 650
5，10
250
球形
（2）出口边界设置为压力出口（PRESSURE_OUTLET） 口速度较大时，固体颗粒对样本表面的水平冲刷速度
指定出口压力为大气压。
也相对较大。
（3）对称轴设置为对称轴边界（AXIS）。
2.2 冲刷角度
（4）墙壁设置为壁面边界（WALL），无滑移。
液固两相流对设备表面的冲刷作用[6]分为水平和
距离样本中心距离/mm
0
0
2
4
6
8
10
12
距离样本中心距离/mm
图 4 颗粒冲击角度与距样本中心距离关系图
研究分析了入口速度分别为 5 m/s 和 10 m/s 的液
固两相流中固体颗粒对样本表面的冲击角度分布情
形。从图中可以看出，在样本中心处，固体颗粒对样本
图 3 水平冲刷速度与距样本中心距离关系图
其中：
指定入口速度为固定值，适用于不可压缩流体。
第2期
梁 颖等 基于 CFD 的液固两相流冲刷腐蚀预测研究
105
介质
温度/℃
流体密度（/ kg·m-3）
表 1 流体物性参数表 流体粘度（/ Pa·s） 粒子密度（/ kg·m-3） 入口速度（/ m·s-1）
颗粒尺寸/μm
颗粒形状
水
20
1 000
103
h
α
Vp
速度；Fx 为 X 方向的其他作用力。
θ
1.3 边界条件
喷嘴冲击实验模型为对称模型，模拟计算时只需
图 1 喷嘴冲击实验模型
1.2 控制方程
计算一半模型，这样可以减少计算工作量。具体边界条 件设置[3（] 见图 2）。
本次研究以水作为连续相，固体颗粒作为离散相， 根据固体颗粒所占比例确定是否进行耦合计算。求解
* 收稿日期：2013－12-10 作者简介：梁颖，女（1989-），四川南充人，硕士在读，主要从事油气集输工艺理论与技术研究。
104
石油化工应用 2014 年
第 33 卷
义。随着计算机应用技术的快速发展，利用计算机数值
μeff =μ+μt
模拟技术研究颗粒冲击腐蚀已经成为一种新型方法。 利用计算流体力学（CFD）软件分析液固两相流中固体
鄣t
鄣xi
鄣xj
fαk μeff
f鄣k 鄣xj
+Gk +Gb -ρε-YM
样本平面 WALL
鄣（ρε）+ 鄣（ρεui）=
鄣t
鄣xi
f f 鄣
鄣xj
fαε μeff
f鄣ε 鄣xj
2
+C1ε
ε k
（Gk
+C3ε
Gb）-C2ε
ρ
ε k
-R
出口 PRESSURE_OUTLET
图 2 边界条件设置图
（1）入口边界设置为速度入口（VELOCITY_INLET），
本次研究中腐蚀率 ER（erosion ratio）是指样本损 失的质量与引起样本损失的固体颗粒质量的比值。 Parslow 等人[7]研究发现，腐蚀率是与固体颗粒冲击速 度、冲击角度有关的函数，其形式如下：
腐蚀率
8
数值模拟
7
实验拟合
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
距离样本中心距离/mm
图 6 入口速度为 10 m/s 的腐蚀率对比图
式中：Gk 是由于平均速度梯度引起的湍动能产生； Gb 是由于浮力影响引起的湍动能产生；YM 为可压缩湍 流脉动膨胀对总的耗散率的影响，αε ，αk 分别为湍动能 和耗散率的有效普朗特数的倒数。
采用随机轨道模型对喷嘴冲击模型中的离散相颗 粒进行追踪，在拉格朗日坐标系下，颗粒在气流中的受 力方程[5]为：
表面的水平冲刷速度较小，随着距样本中心距离变大， 律基本不变。
固体颗粒对样本表面的水平冲刷速度逐渐增大；当入
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石油化工应用 2014 年
第 33 卷
3 腐蚀预测和实验验证
通过实验研究液固两相流中固体颗粒对设备表面 的冲刷腐蚀的成本较高，操作复杂。为了验证数值模拟 结果能够完成对冲刷腐蚀的预测，利用 FLUENT 软件 处理液固两相流中固体颗粒的水平冲刷速度和冲击角 度，利用腐蚀率函数得到样本表面的腐蚀率，并与实验 曲线进行对比，完成对样本表面的腐蚀预测。