T型管道的冲蚀磨损数值模拟分析
连接结构尺寸对三通管冲蚀磨损影响的数值模拟
连接结构尺寸对三通管冲蚀磨损影响的数值模拟陈宇;马贵阳【摘要】Aiming at the problem about the erosion wear of tee pipes in the petroleum pipeline transportation system , the ero-sion wear situation of tee pipes with different connection structures and sizes caused by the solid particles entrained in the oil was simulated by using the DPM erosion prediction model , and the distribution laws of erosion of tee pipes by the particles were obtained .The results showed that the erosion of T-shape tee pipe mainly concentrated on the bottom of the horizontal pipeline directly facing the vertical pipeline and its nearby external pipeline wall , while the erosion of tee pipe with the sphere elbow mainly concentrated on the external pipeline wall of the horizontal pipeline near the sphere , with a relatively smaller erosion wear degree .The maximum erosion rates of two kinds of tee pipe increased exponentially with the increase of fluid inlet velocity , and the maximum erosion rates of both tee pipes increased with the increase of particle mass flow rate . When the fluid flowed in the two kinds of tee pipe , the changing trends of the maximum erosion rate curves in the pipeline system were basically consistent , which both decreased first and then increased .When the sphere diameter of the pipeline el-bow was two times of the pipeline diameter , the erosion rate of the pipeline was the minimum , and the erosion wear degree of the pipeline by the particles was the lightest .%针对石油管道运输系统中三通管的冲蚀磨损问题,采用DPM冲蚀预测模型,模拟分析了油品中夹带的固体颗粒对连接结构尺寸不同的三通管的冲蚀磨损情况,得出了颗粒对三通管冲蚀的分布规律.结果表明:T型三通管的冲蚀主要集中在与竖直管道正对的水平管道底部及其附近的外侧管壁,有球体弯头的三通管的冲蚀主要集中在球体附近水平管道的外侧管壁,且冲蚀磨损程度相对较小;随着流体流入速度的增大,2种三通管的最大冲蚀率随之增大且呈指数增长;随着颗粒质量流量的增大,2种三通管的最大冲蚀率均随之增大;当流体在2种不同的三通管中流动时,管道系统的最大冲蚀率的曲线变化趋势基本一致,均为先减小再增大;当管道弯头处球体的直径为管道直径的2倍时,管道的冲蚀速率最小,颗粒对于管道的冲蚀磨损程度最轻.【期刊名称】《中国安全生产科学技术》【年(卷),期】2017(013)012【总页数】7页(P91-97)【关键词】三通管;结构尺寸;冲蚀磨损;固体颗粒;数值模拟【作者】陈宇;马贵阳【作者单位】辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】X937;TG172.90 引言管道运输作为目前最主要的能源运输方式，具有安全、高效等优点。
诱发T型管道热疲劳的温度波动数值模拟
和逆 向涡 对 ， 获得 了时 均速 度 、 方 根速 度 、 均 雷诺
起耗 散作 用 。大涡模 拟通 过大 尺度 的涡来 模拟 湍 流扩 散 、 量 和能量 的交 换 以及 雷诺 应力 的产生 ， 质 通过 小尺 度 的涡 来 模 拟 耗 散 脉 动 对 各 变 量 的影 响， 因此大 涡模 拟是 把 包 括 脉 动运 动 在 内的 瞬 时
的冷 热流 体混 合过 程 进 行 数值 模 拟 ， 得 混 合 过 获
程 中的流 动与 传热 情 况 、 度 的 时 均值 和 均 方 根 温
值在 空间 上 的分 布 ， 示 诱 发 热疲 劳 的流 动 与传 揭
热本质 ， 析温度 波 动 的功 率 谱 密度 与 波 动频 率 分
之关 系 ， 预测热 疲 劳和 判 断 易发 生 区域 具有 重 对 要的指 导意 义 。 １ 大涡 模拟 湍流 模型
要 以 良好 的计算 网格 为基础 。Ｌ ｅ等 ¨ ｅ 运 用大 涡 模拟 获得 了 Ｔ型管 道 中的温 度 波 动 ， 对管 道 壁 并 面进 行 了热应力 疲 劳 分 析 ， 研究 发 现 冷 热 流体 温 差 和 由于湍 流 混合 强 化 了对 流传 热 是 Ｔ型 管 道
T型管节点抗冲击性能研究
T型管节点抗冲击性能研究曲慧;张云;邵永波【摘要】为研究T型管节点的在冲击性荷载下的力学性能,文章首先采用有限元软件ABAQUS建立了构件冲击荷载下的理论分析模型.在验证模型可靠性的基础上,分别以管节点的几何参数和荷载参数为主要影响因素,分析各相关参数对节点抗冲击性能的影响.分析结果表明:支、主管的管径比与主管的径厚比,对管节点所受的最大冲击力、冲击力作用时间,节点变形情况有较大影响.%In order to study the behavior for tubular T-joint under impact loading, the theory model for mem bers was established by FEA software ABAQUS in this paper. On the base of verifying dependability of anal ysis model, parametric study is performed for tubular T-joint to investigate the effect of geometry and load ing parameter. The analysis results show that diameter ratio between chord and brace and diameter-to-thick ness ratio of chord play an important role in max impact loading, impact loading duration, and the defor mation of T-joint.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2012(016)001【总页数】9页(P156-164)【关键词】T型管节点;冲击性能;数值模拟;参数分析【作者】曲慧;张云;邵永波【作者单位】烟台大学土木工程学院,山东烟台264005;烟台大学土木工程学院,山东烟台264005;烟台大学土木工程学院,山东烟台264005【正文语种】中文【中图分类】TU3981 引言圆形管节点以其自重轻、造型美观、传力路径明确和制作简单等优点，广泛应用于各种建筑工程中，如桥梁、大跨建筑及海洋石油平台等。
模拟分析小颗粒对T型管的冲蚀
模拟分析小颗粒对T型管的冲蚀作者：梁金川邓又文胡彪来源：《当代化工》2017年第01期摘要：T型管道在天然气输送中较为常见的管件，气体在管道内流动时流向会发生改变导致气体直接冲击管壁，此时气体内夹带的微小颗粒也会冲击管壁，形成冲蚀降低管道输送的安全性。
为了充分了解颗粒对管壁冲蚀影响，以两端为入口，一端为出口的T型管为研究对象，利用FLUENT模拟不同流速下产生的冲蚀情况。
在T型管的一个入口端注入小颗粒并且保持人口条件不变，另外一个入口端不加颗粒而改变气体的速度来观察产生冲蚀的情况。
结果显示改变无颗粒进气端的速度会对冲蚀的位置产生影响，同时冲蚀的程度也会产生一些变化。
对比分析在不同气体流速下管道内压力云图、速度云图和流线图，来揭示颗粒的运动规律进而说明气体流速对于颗粒对于管壁冲蚀的影响。
为实际生产中确定管道危险位置提供依据。
关键词：T型管；天然气管道；管道冲蚀；数值模拟中图分类号：TQ 832 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2017）01-0145-04天然气在我们生活的能源消费者占得比重越来越大，预计2030年前，天然气将在一次能源消费中与煤和石油并驾齐驱。
这充分说明了天然气工业发展的重要性，降低天然气输送的安全隐患是保证天然气工业健康发展的基础。
天然气在管输过程中流速一般会很高，因为有金属微屑和灰尘颗粒等存在会对管壁形成冲击磨损，给天然气输送管线和特殊管件带来安全隐患。
前人针对这个问题进行了一些研究，探究产生冲蚀的机理和影响冲蚀的因素。
曾涌捷针对天然气管道弯头处的冲蚀情况进行了研究，他利用CFD模拟研究弯头的冲蚀失效机理，并通过分析弯头处的速度场和压力场指出弯头大弧面处为危险截面。
张林等人通过建立天然气管道气固两相的流动方程，利用数值模拟的方法来分析求解气固混合物冲蚀能量，利用能量的变化规律来分析冲蚀的机理。
从前然研究的结果可以发现影响管道冲蚀的因素很多，其中管道的结构特点是影响管道冲蚀的一个非常关键的因素。
不同T型管汇液-固两相流颗粒冲蚀数值模拟
es Vol.54 N o.l Jan. 2021不同T型管汇液•固两相流颗粒冲蚀数值模拟金龙、陈基业2,陈樑1，2(1.昆明理工大学公共安全与应急管理学院，云南昆明650032;2.昆明理工大学环境科学与工程学院，云南昆明650500)[摘要]目前对不同管汇处流场变化导致的冲蚀研究较少，基于计算流体动力学（CFD)仿真技术,研究了普通、球形、椭球形、梭形四种不同管汇T型管在颗粒流下的冲蚀行为。
结果表明：当采用垂直管为入口管，水平支管为 出口管的“一进两出”流动方式时，通过截取不同角度的流动切面发现椭球形管汇仅在45。
~60。
贴近管道壁面处产 生一对二次流迪恩涡，其余管汇在30。
~90。
均有二次流产生。
普通管汇的冲蚀主要发生在管汇与支管连接部位，其余管汇均发生在变径处，其中梭形管汇冲蚀最严重。
通过改变流速、颗粒质量流量、颗粒密度、颗粒粒径，对比分 析不同管汇的最大冲蚀速率变化规律，发现椭球形管汇最大冲蚀速率最低且变化幅度最小，具有较好的抗冲蚀特 性。
梭形管汇最大冲蚀速率最大且随影响因素变化幅度波动最大，因此生产中宜使用椭球形管汇，尽量避免使用 球形管汇与梭形管汇。
[关键词]不同管汇；T型管；液固两相流；颗粒冲蚀[中图分类号]TH117.1 [文献标识码]A[文章编号]1001-1560(2021)01-0068-08Numerical Simulation of Particle Erosion in Liquid-Solid Two-Phase Flow of Different T-ManifoldsJ I N Long' ,C H E N Ji-ye2,C H E N Liang12(1.School of Public Safety a n d E m e r g e n c y M a n a g e m e n t,K u n m i n g University of Science A n d Technology, K u n m i n g 650032,C h i n a；2.School of Environmental Science a n d Engineering, K u n m i n g University of science a n d technology, K u n m i n g 650500,China) Abstract：A t present,there are few researches o n erosion caused by flow field changes at different manifolds. Based on the computational fluid d y n a m i c s( C F D)simulation technology, the erosion behavior of T-t u b e s with four different manifolds, i.e.,c o m m o n,spherical, ellipsoidal a n d shuttle s h a p e d, w a s studied in this paper. Results s h o w e d that w h e n the vertical pipe w a s the inlet p i p e,a n d the horizontal branch pipe w a s the outlet p i p e,i t w a s found by intercepting the flow sections of different angles that a pair of secondary flow D e a n vortices wer e generated in the ellipsoidal manifold only at 45°to 60° close to the pipe wall, and the other manifolds h a d secondary flow in the range of 30° to 90°. T h e erosion of c o m m o n manifold mainly occurred at the connection between manifold a n d branch pipe, a n d the other manifold occurred at the reducing diameter, a m o n g whi c h shuttle manifold w a s the most serious. Besides, the m a x i m u m erosion rate of different manifolds w a s c o m p a r e da n d analyzedb y changing the flow rate, particle m a s s flow rate, particle density a n d particle size. I t w a s found that the m a x i m u m erosion rate of ellipsoidal manifold w a s the lowest a n d the variation range of m a x i m u m erosion rate w a s the smallest, w h ic h h ad good erosion resistance. T h em a x i m u m erosion rate of shuttle manifold w a s the largest a n d fluctuated with the influence factors to the m a x i m u m. Therefore, ellipsoid manifoldshould be used in production, while spherical manifold a n d shuttle manifold should be avoided as far as possible.K ey word：different manifolds ；T- tube ；liquid - solid two phase flow ；particle erosion〇前言液体或气体夹带细小固体颗粒的管输方式在化工、油气井、油气田集输等生产领域内较为常见。
基于DPM模型的T型管颗粒运动轨迹模拟仿真
2021.17科学技术创新基于D P M 模型的T 型管颗粒运动轨迹模拟仿真吴辉刘婷*阳勇唐汇军殷旺(湖南交通工程学院机电工程学院,湖南衡阳421001)T 型管应用领域十分广泛,日常生活中大量应用T 型管进行流体的分流,在化工实验中常用T 型管来排除水蒸气导管中的冷却水,此外,医学上也应用柔软无刺激的T 型管进行引流、支撑和吸引。
[1-3]以天然气输送为例,天然气在管道输送过程中高速流动,因此天然气含有的高速固体碎屑和颗粒(金属微屑和灰尘颗粒)等会对管道壁面及接口形成冲击磨损,最终给天然气输送管线及其特殊的管道构件带来极大的安全隐患,而D M P 模型在研究上述的能源、排污等领域颗粒冲蚀问题都有很好的结果。
针对上述问题,前人进行了一系列相关研究,探究产生冲蚀的机理和影响冲蚀的因素。
针对天然气管道弯头处的冲蚀情况进行研究,利用CFD 模拟研究弯头的冲蚀失效机理,并通过分析弯头处的速度场和压力场指出弯头大弧面处为危险截面。
通过建立天然气管道气固两相的流动方程,利用数值模拟的方法来分析求解气固混合物冲蚀能量,利用能量的变化规律来分析冲蚀的机理。
从前人研究的结果可以发现影响管道冲蚀的因素有很多,其中管道的结构特点是影响管道冲蚀的一个非常关键的因素。
目前针对天然气管道中T 型管件冲蚀的研究还不太多。
为此,利用FLU EN T 模拟T 型管内的颗粒运动,通过模拟结果来分析冲蚀与颗粒运动的关系,为生产中消除相应的安全隐患提供参考依据。
[4-7]1D P M 理论1.1力平衡平衡通过对直角坐标系下粒子的作用力微分方程进行积分来求解离散粒子(液滴或固体粒子)运动轨道。
粒子作用力(作用在粒子表面及体积上的各种力)平衡微分方程的笛卡尔坐标系形式为:(1)其中,粒子质量力F D 为(2)u 为流体流动速度,u p 为粒子运动速度,μ为流体的动力粘度,ρ为流体的单位密度,ρp 为粒子单位密度,d p 为粒子的平均直径,R e 为粒子的相对雷诺数,其大小为(3)拉力系数C 大小为:(4)对球形粒子,当雷诺数在一定范围内,C D 采用如下表达式:(5)1.2D PM 模型边界条件当粒子与管道壁面进行碰撞时,将可能发生以下几种情况之一:(1)粒子发生非弹性的或弹性的碰撞反射。
基于液固两相流排污管道冲蚀磨损的数值模拟
doi：10.3969/j.issn.l004-275X.2020.001.053基于液固两相流排污管道冲蚀磨损的数值模拟许爱荣，冯昌兴（西安石油大学机械工程学院，陕西西安710065）摘要：针对管道的冲蚀磨损问题，基于液固两相流理论及离散相模型，应用Fluent有限元分析软件，建立了排污管道的二维有限元模型。
结果表明，含固体颗粒的液体对排污管道产生的冲蚀磨损，主要集中在分支管与总管的交接处。
研究方法对排污管道的设计具有一定的参考价值。
关键&:排污管道；液固两相流；冲蚀磨损；离散相模型；数值模拟中图分类号：TH117；TG172文献标志码：A文章编号：1004-275X（2020）001-132-03Numerical Simulation of Erosion Wear of Sewage Pipe Based on Liquid/Solid Two-phaseFlowXu Airong,Feng Changxing（School of Mechanical Engineering,Xi'an Petroleum University,Shaanxi Xi'an710065Q Abstract：:Aiming at the problem of erosion and wear of pipelines,based on the theory of liquid—solid two—phase flow and discrete phase model,a two—dimensional finite element model of the sewage pipeline was established using finite element analysis software Fluent,The results show that the erosion and abrasion caused by the liquid containing solid particles to the sewage pipe is mainly concentrated at the junction of the branch pipe and the main pipe,The research method has certain reference value for the design of sewage pipes,Key words:sewage pipes%Liquid-solid two—phase flow%erosion wear;discrete phase model;nu—merical simulation冲蚀磨损一的磨损固体表与含有固体颗粒的流体相接发生相对运动时所导致固体损的现。
211241011_具有仿生内表面结构的弯管抗冲蚀特性数值分析
表面技术第52卷第5期具有仿生内表面结构的弯管抗冲蚀特性数值分析郭姿含1,2，张军1,2，黄金满3，李晖1,2（1.集美大学 海洋装备与机械工程学院，福建 厦门 361021；2.福建省能源清洁利用与开发重点实验室，福建 厦门361021；3.厦门安麦信自动化科技有限公司，福建 厦门 361021）摘要：目的管道冲蚀是气固两相流动中不可忽视的重要问题，直接影响管路系统的安全运行及管道的使用寿命。
针对这一问题，从仿生学角度，参照沙漠红柳、沙漠蝎子等的体表形态，设计三角形槽、矩形槽、等腰梯形槽3种抗冲蚀特性的弯管仿生表面结构。
方法运用CFD–DPM方法，采用Finnie冲蚀模型，考虑颗粒与流体的双向耦合作用，对所设计的具有仿生表面结构的弯管抗冲蚀特性进行模拟，并考虑不同流速、颗粒质量流量对冲蚀的影响。
在数值模拟基础上，采用正交试验法分析三角形槽仿生结构的3个主要参数对抗冲蚀特性的影响。
结果数值模拟结果表明，具有仿生表面结构的弯管冲蚀主要出现在弯头35°~60°区域槽的底部。
3种槽表面仿生结构均可提高弯管的耐磨性，三角形槽的抗冲蚀特性最佳，提高了约38.33%，矩形槽次之，提高了约28%，等腰梯形槽最差，仅提高了约8.33%，且3种仿生表面结构的抗冲蚀性能优劣次序不随流速和颗粒质量流量的变化而变化；正交试验结果表明，在三角形槽中影响冲蚀的因素依次为槽间距、槽宽、槽深，最佳组合结构的抗冲蚀性能相较于普通弯管提升了约41.5%。
结论槽形仿生表面结构减小了颗粒与壁面的碰撞，降低了碰撞速度，从而减小了冲蚀。
抗冲蚀性能最优的表面仿生结构为三角形槽，矩形槽次之，等腰梯形槽最差。
在三角形槽中影响冲蚀的因素依次为槽间距、槽宽、槽深。
该研究可对弯管的抗冲蚀特性设计提供新的思路。
关键词：弯管；CFD–DPM；冲蚀；气固两相流；仿生表面；数值模拟；三角形槽中图分类号：TH117 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)05-0090-11DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.05.009Numerical Analysis of Erosion Resistance of Elbow withBionic Inner Surface StructureGUO Zi-han1,2, ZHANG Jun1,2, HUANG Jin-man3, LI Hui1,2(1. School of Marine Equipment and Mechanical Engineering, Jimei University, Fujian Xiamen 361021, China;2. Fujian Provincial Key Laboratory of Energy Cleaning Utilization and Development, Fujian Xiamen 361021, China;3. Xiamen Anmaixin Automation Technology Co., Ltd., Fujian Xiamen 361021, China)ABSTRACT: Pipeline erosion is an important problem that cannot be ignored in gas-solid two-phase flow. Erosion damages not收稿日期：2022–04–16；修订日期：2022–08–16Received：2022-04-16；Revised：2022-08-16基金项目：福建省自然科学基金（2022J01334，2020J01694）Fund：Natural Science Foundation of Fujian Province (2022J01334, 2020J01694)作者简介：郭姿含（1997—），女，硕士生，主要研究方向为多相流数值模拟。
冲击荷载作用下T型管节点变形初步分析
节点主 管 长径 比之 间的 关 系． 数值 分 析 结果表 明 ： 着节 点 变形 消耗 的 能量 的增 加 ， 部 随 局
变形趋 于稳 定 ， 变形 的增 长逐渐 集 中在整 体 变形上 ． 关键 词 ： Ｔ型 管节 点 ； 冲击 ； 变形 ； 值分 析 数 中图分 类号 ： Ｕ ９ Ｔ ３ 文献标 志码 ： Ａ
强 等 提 出管 在 受 到侧 向撞 击 时 耗 散 的能 量 可 以
由于管 节点受 到 冲击 的过程 是一 个高 度非 线性 的动力学 过程 ， 包 含 材料 非 线 性 又 包 含几 何 非 线 既 性 以及接 触非 线性 ． 冲击 过 程 中整 体 变形 和局 部 在
变形是耦合的 ， 并且需要考虑钢材的率相关特性 ， 因 此 难 以用一个 简单 的力 学 模 型 来 描 述该 过 程 ． 由于 大 型通 用 软 件 Ａ Ｑ Ｓ中 的 Ｅ Ｐ Ｉ Ｉ 块 适 于 求 Ｂ Ｕ Ｘ ＬＣＴ模
变形 与节 点变形 相 比可 以忽 略不 计 ， 因此 在模 拟 过 程 中将锤 体材 料设 置 为 线 弹 性材 料 ， 其 不会 发 生 使
屈服 产生 较大 变形 ．
钢管 结构 广泛 应 用 于 工 业 建 筑 中 ， 且 有 可 能 并 受 到突发 偶 然荷 载 的作 用 ， 例如 运 输 船 舶 或 海 冰 与 海 洋平 台之 间 的撞 击 ， 构安 装 时重 物 坠 落 对 于结 结 构构 件 的撞击 ， 炸对 结构 的 冲击等 等 ． 爆 管 节 点 是钢 管 结 构 的重 要 部 分 ， 是结 构 设 计 中 的重点 ． 管节 点 承受外 部荷 载作 用 时 ， 载 由支 管 直 荷 接传 给 主管 ． 由于支 管 的轴 向 刚度 远 远 大 于 主 管 的
含杂质管道冲刷腐蚀数值模拟
2020年03月方法。
气相预硫化也称干法预硫化，即在循环氢气存在条件下，注入硫化剂进行硫化。
[4]而催化剂的湿法硫化过程会使用到硫化剂，一般以二甲基二硫（DMDS ）为主，在硫化条件下分解生成甲烷，且蒸汽压比较低易于处理，硫化过程也可以在比较低的温度下进行。
催化剂硫化过程使用器内湿法预硫化，建立氢循环后展开硫化剂硫化。
2.5催化剂失活控制催化剂在正常情况下出现结焦，因此会产生连续失活情况。
在整个反应过程中，要做好的就是避免快速失活现象的产生。
原料中所包含的多环芳烃、烯烃及大分子物质在正常反应下容易结焦，而有机金属化合物在分解后可能会滞留于催化剂之上产生金属中毒，使得催化剂出现不可再生性的性能损坏。
原料中的有机氮化合物经过处理后也需要避免过度反应现象。
防止催化剂的中毒失活，从而提高催化剂的使用周期。
3催化剂制备与应用的发展趋势环境保护问题引起了生产经营方的广泛关注，而我国也不断地制定日益严格的规章制度，颁布了清洁油品标准。
生产清洁柴油已经成为当务之急。
柴油加氢催化剂的制备和应用突破了现有的技术，将有效地解决当前国内柴油加氢技术方面的某些问题，对我国石油市场的发展具有明确的现实意义。
而我国原油加工量本身也处于逐渐增长的趋势，含硫原油加工量的增加趋势与我国不断更新的清洁柴油标准实施，也让清洁柴油生产的需求更加紧迫。
[5]柴油加氢催化剂的需求程度将比以前更加突出，因此以FDS 催化剂为主的产品具有良好的发展空间，整个加氢脱硫、加氢脱氮过程具备出色的稳定性和活性，满足更高标准的清洁柴油生产要求。
今后的工业试验过程中也能够让催化剂保持稳定性的同时，活性趋于不变状态，让低硫化、高活性的催化剂生产规模不断加大。
4结语未来的柴油生产将把重点放在技术改进与工艺调整方面，加氢过程作为清洁柴油生产的主要方法，也具有重要的研究价值。
选择高活性、高选择性的催化剂必然成为今后的研究重点，这对于我国石油工业也提出了新的要求。
柴油加氢催化剂的研究工作可以按照反应条件与生产目的的差异选择不同的催化剂类型，开发更加高效化的加氢催化剂。
冲蚀磨损的数值模型研究分析
管理及其他M anagement and other 冲蚀磨损的数值模型研究分析马 莹，文 波摘要：机器管道、涡轮机叶片等机器关键部件受到气体、固体颗粒、浆料等的冲击，会造成大量的冲蚀磨损，降低材料的使用寿命与安全系数。
冲蚀磨损主要是受到固体颗粒、气-固、液-固等的冲击造成，如何能有效的评估冲蚀磨损情况，预测零件的使用寿命、选择合适的材料是研究的主要难题。
本文介绍了固体颗粒对材料的冲蚀磨损机制，并引入了固体颗粒的入射角、速度、冲蚀时间、性能、温度和靶材性能等因素，分别对冲蚀磨损情况进行总结。
文章采用优化方法进行建模，克服现有实验的难点，提升材料研究周期，降低研究成本。
本文介绍了国内外冲蚀磨损数值模拟研究现状，选择Johnson-Cook模型作为材料的本构模型和失效模型，讲述了不同种情况下单粒子和多粒子的冲蚀模拟研究，并对冲蚀磨损下一阶段研究工作方向和存在的问题进行了阐述。
关键词：冲蚀磨损；性能特点；有限元数学建模；FEM生活中存在着各种摩擦，而摩擦必然会导致磨损。
冲蚀磨损是一种常见的磨损现象，广泛存在于自然界和社会生产生活中。
比如在采矿机器的气动输送管道中，物料对管道壁的磨损，尤其是弯头处更为严重；或者炼钢炉输气管道被燃烧的灰尘冲蚀；喷砂机的喷嘴受到砂粒的冲蚀；还有航空飞机涡轮盘受到风沙等砂粒的冲刷磨损等等。
据统计，冲蚀磨损约占总磨损的8%。
而在管道输送物料过程中，弯头处的冲蚀磨损占直通部分磨损的50倍；在对锅炉管道的失效分析中，约有1/3的管道事故是由冲蚀磨损引起的。
此外，在航空飞机起飞或降落以及风沙多发地区低空飞行时，发动机的热端部位如涡轮盘会遭受到超高速、小粒径的较低通量冲刷磨损，此种情况下的运行温度可达550℃至900℃，被称为高温高速冲刷磨损。
因此，冲蚀磨损在工业生产中造成了严重的损失和危害。
因此，对冲蚀磨损机理进行分析，并对材料所受的磨损情况进行预估研究非常重要。
冲蚀磨损是指材料在受到小而松散的流动颗粒冲击时表面发生破坏的磨损现象。
90°弯管冲蚀磨损的数值模拟研究
90°弯管冲蚀磨损的数值模拟研究许留云;胡泷艺;李翔【摘要】利用FLUENT软件中的DPM模型，对含少量固体的90°液体管道内的冲蚀磨损情况进行了数值计算，得到了90°弯管中冲蚀磨损最严重的部位，并且流体对弯管的冲蚀磨损速率随着弯管中流体速度的增大而呈线性增加，随着弯管中颗粒含量的增加而呈线性增加，且弯管的最佳弯曲半径为R=1.5D或R=2D。
%In this paper, numerical simulation on erosion of 90° elbow was carried out by FLUENT software, the worst parts of the erosion in 90° elbow were determined. The results show that the pipe erosion rate increases linearly with increasing of fluid flow velocity and the particle content in the pipeline. The optimal bending radius of elbow is 1.5D or 2D.【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2016(045)009【总页数】4页(P2240-2243)【关键词】弯管;冲蚀磨损;数值计算【作者】许留云;胡泷艺;李翔【作者单位】延安大学化学与化工学院陕西省化学反应工程重点实验室，陕西延安716000;西安石油大学，陕西西安 710065;中国特种设备检测研究院，北京100029【正文语种】中文【中图分类】TQ018石化行业作为我国四大支柱产业之一，是实现国民经济现代化的重要保证。
石油化工生产具有高效率、高强度、高风险和周期长的特点，安全生产是石化企业永恒的主题。
石油化工企业中用于运输流体的特殊设备即管道，广泛存在于各大企业，失效机理复杂、运行的条件相对苛刻，因此管道的运行是否可靠直接影响整个企业的安全。
T型三通管道不同流向的数值模拟分析
1计算模型
1.1模型选择
固体颗粒与T型管道发生碰撞后会产生冲蚀磨 损,在研究过程中需要考虑离散相与连续相的相互作 用，因此选用颗粒轨迹模型，并应用Fluent中的Erosion/Corrosion Research Center 冲蚀磨损模型对 T 型管 进行冲蚀仿真研究，因此，本工作采用冲蚀磨损模型。
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第54卷・第6期・2021年6月
锈钢材料的冲蚀磨损率随着冲蚀角度的增加而增加。 综上,大部分学者针对管道的冲蚀磨损问题研究
的是冲蚀角度、冲蚀速度对管道的冲蚀影响，未考虑其 他影响冲蚀现象的因素。为此,本工作研究不同流向 对管道的冲蚀影响，采用数值模拟方法，研究了 4种工 况下的冲蚀位置以及应力和形变量，便于工业使用中 对易冲蚀磨损位置进行加固。
液固两相流管道磨蚀数值模拟研究
颗粒表面的粗糙度下降，磨蚀的速率也会下降；而当颗粒的半径变大时管道磨蚀的速度也会加快，加重管道的磨蚀情况。
2.2 介质因素介质因素的影响参数有温度、pH 值、溶氧量等。
这些介质参数通过影响材料的耐蚀性或者成膜状态来影响它的磨蚀性能。
2.3 材料因素材料因素包含金属的化学成分、耐蚀性等等。
通过影响材料的组织结构可以影响管道的磨蚀，而它的宏观力学性能也会对管道的内壁造成一定的破坏。
和那些软性材料相比，硬性材料更能够阻挡管道的磨蚀。
2.4 流体力学因素流体力学因素包含了流速和流态。
流体对于管壁的冲击速度会加重磨蚀，而流体的流态也会对管道磨蚀产生重要的影响，随着时间的进行，磨蚀会反过来影响流速流态，反复影响会导致过流部件失效。
当速度较大的时候会引起冲刷和磨蚀的交互作用增加。
3 数值模拟[6]建立如图1所示弯管模型，管径d=0.6m ，拐弯半径R=1.8m ，出/入口直管段管长L=5m 。
图1 弯管模型及网格划分选择压力求解器pressure-based ，湍流模型选择添加k-epsilonRealized ，离散相模型选择作用连续相Interaction with Continuous Phase ，点击物理模型Physical Models 标签页，点选激活Erosion/Accretion ，计算磨蚀速率，材料material 创建油品oil ，密度860kg/m 3，粘度0.02kg/(m ·s)，入口设置为速度入口，流入速度10m/s ，湍流强度5%，水力直径0.6m ，离散相为砂，密度2500kg/m 3，质量流量1kg/s ，直径200μm ；出口设置为outflow 边界。
颗粒在壁面上的法向及切向反弹系数定义为颗粒冲击角的多项式函数。
在建立冲蚀模型时，冲击角函数被用于定义管道壁面的塑性冲蚀。
0 引言由于地层及井下作业的复杂性，即使已经采取防砂措施，油气产物中依然会存在含砂现象。
油气集输管道在油气的运输中承担着重要的角色和作用，而采出液含砂在输送过程中，宜使油气集输管道受到磨蚀而导致油气管道泄漏事故，这对于整个能源或工业行业来说都是很不友好的。
基于CFD-DEM耦合几形管冲蚀磨损的模拟分析
◀石油管工程▶基于CFD-DEM 耦合几形管冲蚀磨损的模拟分析∗周大鹏㊀马学东㊀陈燕(辽宁科技大学机械工程与自动化学院)周大鹏,马学东,陈燕.基于CFD-DEM 耦合几形管冲蚀磨损的模拟分析.石油机械,2022,50(7):136-142.摘要:为了探讨天然气管道输运过程中所携带的砂粒对几形管冲蚀磨损的影响规律,通过CFD-DEM 耦合并引入Archard wear 模型对几形管内气固两相流的冲蚀过程进行数值模拟,预测了颗粒运动状态和最易发生冲蚀磨损的区域,研究了颗粒形状㊁颗粒粒径及进口流速的变化对管件内壁冲蚀磨损的影响㊂分析结果表明:几形管的易冲蚀区域为4个弯头的外环侧壁面;在控制变量的条件下,非球形颗粒相比于球形颗粒,4个弯头的最大冲蚀深度平均增长了32.1%;各弯头的最大冲蚀深度随着颗粒粒径的增大而减小,颗粒粒径较小时,弯头Ⅳ磨损的最为严重;颗粒粒径较大时,由于磨损累积效应,弯头Ⅰ会更早出现破坏泄漏;弯头Ⅰ至弯头Ⅲ随着进口流速的增大,最大冲蚀深度几乎呈线性增大,而弯头Ⅳ则呈现出先增大后减小的趋势,在进口流速为8m /s 时达到峰值㊂研究结果可为几形管在输运管道系统中的防护和安全运营提供参考㊂关键词:天然气管道;几形管;冲蚀磨损;CFD-DEM ;气固两相流;数值模拟中图分类号:TE973㊀文献标识码:A㊀DOI:10.16082/ki.issn.1001-4578.2022.07.019Simulation Analysis for Erosion Wear of Ω-shapedPipe Based on CFD-DEM CouplingZhou Dapeng㊀Ma Xuedong㊀Chen Yan(School of Mechanical Engineering &Automation ,University of Science and Technology Liaoning )Abstract :In order to discuss the influence of sand particles carried in the transportation of natural gas pipelineon the erosion wear of Ω-shaped pipes,the erosion process of gas-solid two-phase flow in Ω-shaped pipes was numer-ically simulated by using CFD-DEM coupling and Archard wear model.The movement state of particles and the area where erosion wear is most likely to occur were predicted,and the influences of particle shape,particle size and inletvelocity on the erosion wear of pipe inner wall were studied.The results show that the erosion-prone area of Ω-shaped pipes is the outer ring side walls of four elbows;under the condition of controlled variables,for non-spherical parti-cles,the maximum erosion depth of four elbows increases by 32.1%on average compared with spherical particles.The maximum erosion depth of each elbow decreases with the increase of particle size.When the particle size is small,elbow Ⅳwears out most seriously;when the particle size is large,the elbow Ⅰwill be damaged and leaked ear-lier due to the cumulative effect of wear.With the increase of inlet velocity,the maximum erosion depth increases al-most linearly from elbow I to elbow Ⅲ;while for elbow Ⅳ,the maximum erosion depth shows a trend of increasing first and then decreasing,reaching the peak when the inlet velocity is 8m /s.The research results provide reference for the protection and safe operation of Ω-shaped pipes in transportation pipeline systems.Keywords :natural gas pipeline;Ω-shaped pipe;erosion wear;CFD-DEM;gas-solid two-phase flow;nu-merical simulation631 ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械CHINA PETROLEUM MACHINERY㊀㊀2022年㊀第50卷㊀第7期∗基金项目:国家自然科学基金项目 组合振动下混合颗粒体系的分离构型演变机制及控制研究 (51775258)㊂0㊀引㊀言天然气在管道输送过程中,会携带一些固体砂粒,砂粒在流体的携带下会对管道内壁产生冲击,尤其是弯头处[1-4],造成材料的损耗破坏,这种现象称为冲蚀磨损[5-7]㊂在众多标准管件中,几形管应用范围广且作用较大,该管件外观为 几 字形结构,别名为补偿器㊂由于流体中介质或外界环境气温等因素的影响,管道会产生热胀冷缩的情况,导致直线管道存在被拉断或扭曲的风险,为改变这一状况,就必须采用几形管件来保证管道的正常运行,另外又因其由4个弯头组成,失效率极高且失效形式较为复杂,所以,对几形管这一特殊管件进行冲蚀磨损的研究具有重要的意义㊂当前,国内外学者对管道的冲蚀磨损问题做了大量研究㊂杨德成等[8]采用CFD软件计算弯管在气固两相流作用下的冲蚀磨损问题,得到了粒径和管径比与冲蚀速率的关系,并预测了最大冲蚀位置;钱东良等[9]通过CFD建立三通管件模型进行了气固两相流冲蚀磨损分析,研究了流向㊁流速和粒子流量等因素对冲蚀状况的影响;HONG B.Y.等[10]基于Fluent仿真数据,提出以雷诺数㊁密度比㊁粒径比和颗粒数目组成的关系式,进而预测弯管的冲蚀状况㊂由此可以看出,数值分析工具的运用对管道冲蚀磨损的研究具有积极意义,然而,大多学者采用的CFD软件有其自身的局限性,不能表征固体颗粒相的形状㊁碰撞以及位置等情况,其中颗粒间的碰撞和颗粒形状对冲蚀磨损的影响尤为重要[11-12]㊂为此,本文将采用CFD-DEM耦合,使仿真更趋于真实化㊂除了模拟方法外,目前文献大多是对一般性管件的研究,关于几形管冲蚀特性的分析却鲜有报道,又考虑到该管件具有较高的研究价值,因此本文将选用几形管作为研究对象㊂本文通过CFD-DEM耦合并引入Archard wear 模型,模拟了天然气携砂对几形管的冲蚀磨损行为,探究了不同参数对几形管的冲蚀磨损规律,分析了颗粒运动分布状态,预测了冲蚀位置和情况,并根据分析结果提出一些建议,以期能够对实际工程中管道设计和维护有所帮助㊂1㊀数学模型1.1㊀气相运动方程为了预测几形管内气固两相流所造成的冲蚀磨损,气相运动对颗粒的影响至关重要,因此,计算流场将采用N-S方程,经计算颗粒浓度较小,可忽略空隙率,以节省计算资源,继而得到连续方程和动量守恒方程[13]: ρt+x i(ρv i)=0(1)t(ρv i)+x j(ρv i v j)=-px i+x iμeffv jx i+v ix j()éëêêùûúú+ρg(2)式中:ρ为气流密度,v i㊁v j分别为流体在i㊁j方向的速度,p为气流压力,g为重力加速度,μeff为标准k-ε湍流模型下流体的有效黏度㊂1.2㊀颗粒相运动方程经由耦合接口的数据传递,离散元模型中的颗粒在气相流体的作用下,颗粒做平动及转动运动,且还受到接触碰撞和重力的作用,因此,由牛顿第二定律得到其运动方程[14]:m id v id t=ðN j=1F c,n,ij+F c,t,ij()+F f+F g(3)I idωid t=ðN j=1T c,ij+T r,ij()(4)式中:N为碰撞的颗粒数或壁面数,F c,n,ij为法向接触力,F c,t,ij为切向接触力,F f为流体作用于颗粒的总力,ωi为颗粒的转动角速度,I i为颗粒的转动惯量,T c,ij为作用于物体上的力矩,T r,ij为作用于物体上的扭矩㊂对于颗粒之间㊁颗粒与管内壁面之间的接触碰撞过程的计算,选用EDEM中内含的Hertz-Mindlin (no slip)模型,该碰撞模型如图1所示㊂图1㊀碰撞模型Fig.1㊀Collision model由图1可知,模型中每个碰撞力或力矩都被看作是弹簧或阻尼器,因此该模型又称为线性弹性-7312022年㊀第50卷㊀第7期周大鹏,等:基于CFD-DEM耦合几形管冲蚀磨损的模拟分析㊀㊀㊀㊀㊀㊀阻尼碰撞模型[15],在确保颗粒体系运动准确性的前提下,简洁高效地表达了颗粒碰撞过程中的受力变化㊂1.3㊀冲蚀磨损模型冲蚀磨损为流体携带颗粒以一定速度和角度冲击到物件表面,造成材料的损耗并形成凹坑的现象㊂过去,冲蚀磨损一般以冲蚀速率来表示,不能很好地表达这种磨损现象,因此,本文引入了Ar-chard等提出的冲蚀磨损模型[16-17],材料表面的磨损以体积W形式来表征,且为EDEM软件中内置Archard wear模型功能,计算后的结果是以单位面积内冲蚀深度Δh来表达磨损量,具体公式如下:W=K H F nΔL(5)Δh=W A(6)式中:K为磨损系数,A为颗粒与管壁接触面积, F n为颗粒对管壁的法向力,ΔL为颗粒在管壁上滑移的长度㊂2㊀基于CFD-DEM耦合的气固两相流模型2.1㊀耦合流程针对气固两相流模型,采用Eulerian-Lagrangian 耦合模型,即CFD-DEM㊂两者的耦合过程是一个瞬态双向数据传递的过程㊂首先,利用CFD计算一个时间步的流场信息,然后启动DEM进行相同时间迭代,通过耦合接口,流体运动信息传递到DEM中作用于颗粒,影响其运动,然后颗粒信息再反馈到CFD中作用于流体,若颗粒体积浓度过小,这种作用可忽略,如此,经过逐步循环迭代,实现全过程的瞬态模拟㊂耦合模拟流程如图2所示㊂2.2㊀参数设置首先,利用Soildwoks建立三维几形管模型,将模型导入到ANSYS Workbench中进行网格划分,然后设置模型的进口面为velocity-inlet,出口面为pressure-outlet,壁面命名为wall,最后进行全局网格划分,并对各个弯头进行加密,以便提高运算精度㊂网格划分结果如图3所示㊂图3中还对各个位置进行了名称标注㊂根据实际工况,天然气输运管道内颗粒粒径d的取值为0.14~0.30mm,进口流速v的取值为4~12m/s,颗粒质量流量为0.002kg/s㊂EDEM中颗粒间或颗粒与壁面的接触模型选取图2㊀耦合模拟流程Fig.2㊀Coupled simulationprocess图3㊀几形管网格划分Fig.3㊀Mesh division ofΩ-shaped pipe Hertz-Mindlin(no slip)无滑移,冲蚀磨损采用Ar-chard wear模型,根据材料属性选取磨损系数为10-12㊂其余参数设置[18]:颗粒密度2650kg/m3,管件密度7800kg/m3,颗粒泊松比0.4,颗粒剪切模量88MPa,管件泊松比0.3,管件剪切模量7ˑ10-4MPa,颗粒-颗粒静摩擦因数0.44,颗粒-颗粒动摩擦因数0.27,颗粒-颗粒恢复系数0.01,颗粒-管件静摩擦因数0.50,颗粒-管件动摩擦因数0.15,颗粒-管件恢复系数0.01,仿真总时长1s㊂2.3㊀模拟过程分析按照上述参数要求完成了基于CFD-DEM耦合831 ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2022年㊀第50卷㊀第7期模拟几形管冲蚀磨损的仿真试验㊂现以颗粒粒径0.18mm㊁进口流速10m /s㊁颗粒质量流量0.002kg /s 仿真为例,结果如图4~图6所示㊂图4为气流压力云图㊂从图4可知:管件整体上的静压分布沿着管道的方向逐步降低,满足了气相流动的条件;在直管道部分的流体静压分布相对均匀,但在各个弯头处压力的分布极不均匀,即在各个弯头的外环壁面附近压力较大,在内环壁面附近压力较小,显然在弯头的内外侧之间形成了压力差㊂这种情况在离心力的作用下易形成二次流,造成能量损耗㊂图4㊀气流压力云图Fig.4㊀Cloud chart of gas flowpressure图5㊀气流速度云图Fig.5㊀Cloud chart of gas flowvelocity图6㊀气流速度矢量图Fig.6㊀Vector diagram of gas flow velocity图5为气流速度云图㊂从图5可知,在压力差的作用下,气相速度整体上沿着管道的方向流动,但是可以发现,流体在弯头处拐弯时,内环侧流速较大,外环侧流速较小㊂这是内环侧压力较低,受到后面流体的冲挤,进而导致流速相对较大㊂结合图6的速度矢量图还可以发现,在各个弯头之间及弯头Ⅳ到出口处的区域,流体的流动之所以都是贴近管道的一侧壁面,这是因为漩涡流的存在,对流体造成了挤压,使其流动截面变小,也进而导致流速增大㊂漩涡流的产生原因是流体在流经弯头时具有惯性,且在弯头内环侧出口处进入直管段的部分区域为逆压梯度分布,非常容易产生边界层分离,由此流体的边界层脱离了壁面,并形成了与主流方向相背的回流,进而产生了漩涡流㊂综上,压力分布与速度分布相反,在弯头处,流体流过外环侧速度较小,但静压值较大;内环侧反之亦然㊂固体相颗粒在EDEM 中的运动分布状态及冲蚀情况分别如图7和图8所示㊂图7㊀几形管内颗粒运动分布Fig.7㊀Particles movement distribution in Ω-shapedpipe图8㊀几形管冲蚀磨损云图Fig.8㊀Cloud chart of erosion wear of Ω-shaped pipe从图7可知:颗粒从进口处的颗粒工厂生成,在气流的作用下均匀地进入管道,颗粒在第一个水平直管段加速,到达弯头Ⅰ时,颗粒的最大速度达到了4.34393m /s,但抵达的同时,基本上都撞击在弯头的外侧内壁面上,紧接着,减速后的颗粒流运动到第1个垂直管段内,大部分颗粒紧贴管件内侧壁面,又一次完成了加速;到达弯头Ⅱ时,颗粒最大速度达到了5.21130m /s,但颗粒流在撞击到931 2022年㊀第50卷㊀第7期周大鹏,等:基于CFD-DEM 耦合几形管冲蚀磨损的模拟分析㊀㊀㊀㊀㊀㊀弯头的外环内壁面上,速度又一次将降了下来,接下来,颗粒拐进第2个水平直管段进行加速,但由于该管段过短,抵达弯头Ⅲ时,速度最大只是达到4.93208m/s,此时颗粒流经弯头Ⅲ时是贴近外环侧壁面运动的,以此类推,最后,颗粒在第3个水平直管段完成加速,以5.84694m/s速度冲出㊂由此可以看出,颗粒流的整个运动过程完全符合气相流体作用下的结果㊂从图8a可知,几形管在固体相颗粒流冲击的作用下,易发生冲蚀磨损的位置为4个弯头处㊂从图8b可以观察到各个弯头受到的冲蚀磨损程度及轮廓㊂造成这种差异性的原因是颗粒流不同的运动状态㊂弯头Ⅰ㊁弯头Ⅱ及弯头Ⅲ的冲蚀轮廓还较为规则,但是弯头Ⅳ冲蚀位置比较偏向一侧,并且冲击得较为集中㊂此外,各个弯头处都有一个矩形框,这是由后处理中的Grid Bin Groupgong功能设置的统计网格,这样可以在局部区域得到仿真结果,比如颗粒速度和最大冲蚀深度等㊂3㊀结果及讨论3.1㊀颗粒形状的影响因为EDEM软件的优势,可以研究颗粒的形状对几形管冲蚀磨损的影响㊂为此,采用球形颗粒和带有角的非球形颗粒进行研究,如图9所示㊂图9㊀颗粒形状Fig.9㊀Particle shape虽然颗粒形状彼此不同,但是保证了颗粒的体积㊁质量及密度均相同㊂图10表示在相同工况下,不同颗粒形状对几形管各个弯头处最大冲蚀磨损深度的影响㊂从图10可以观察到,非球形颗粒下各个弯头的最大冲蚀深度都大于球形颗粒作用的冲蚀结果,其值(取4个弯头的平均值)增大32.1%㊂由此得出颗粒形状对冲蚀磨损有较大的影响㊂3.2㊀颗粒粒径的影响根据实际工况,选取颗粒直径为0.14㊁0.16㊁0.18㊁0.20和0.30m,在相同进口速度10m/s㊁颗粒质量流量0.002kg/s的条件下进行模拟计算,得到各个弯头处不同颗粒粒径与最大冲蚀深度的关系,如图11所示㊂图10㊀颗粒形状对各个弯头最大冲蚀深度的影响Fig.10㊀Influence of particle shape onmaximum erosion depth of each elbow图11㊀颗粒粒径与最大冲蚀深度的关系Fig.11㊀Relationship between particlesize and maximum erosion depth从整体上看,无论是哪个弯头,最大冲蚀深度都随着颗粒粒径的增大而减小㊂其原因在于,颗粒粒径越大,相同的气相流速下携带作用越差,即颗粒速度越小,加之颗粒的质量流量保持不变,生成的颗粒数目减少,进而导致在相同时间内颗粒冲击到管内壁面上的次数越少,因此,最大冲蚀深度也都呈下降趋势㊂从图11还可以看出:颗粒粒径较小时,弯头Ⅳ的冲蚀深度最大,冲蚀磨损得最为严重;当颗粒粒径较大时,虽然4个弯头的最大冲蚀深度都趋于平缓,但是在磨损累积效应下,弯头Ⅰ会比另外3个弯头更早的出现破坏泄漏㊂针对弯头Ⅳ的最大冲蚀深度随粒径变化梯度大的现象进行了分析㊂随着颗粒粒径越大,颗粒数量越少,气流携带作用减弱,加之颗粒惯性力的作用,就越不容易在垂直管壁内的一侧形成料柱,进而对弯头Ⅳ的冲击不够集中,因此,随着粒径增大得到的最大冲蚀深度下降得最快,在粒径为0.18mm之后,相比于其他弯头,其值都最小㊂图12为弯头Ⅲ与弯头Ⅳ之间直管段的截图,表示在同一时刻㊁相同条件下,041 ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2022年㊀第50卷㊀第7期粒径分别为0.14和0.30mm 的颗粒运动分布状态,以此形成对比来佐证上述观点㊂图12㊀不同粒径下颗粒运动分布状态的对比Fig.12㊀Comparison of particle movementdistribution with different particle sizes3.3㊀进口流速的影响设置进口速度分别为4㊁6㊁8㊁10和12m /s,并控制颗粒粒径0.18mm㊁质量流量0.002kg /s 等参数的一致性,得到不同进口流速下各个弯头最大冲蚀深度的变化规律,如图13所示㊂图13㊀进口流速与最大冲蚀深度的关系Fig.13㊀Relationship between inletvelocity and maximum erosion depth由图13可知,弯头Ⅰ㊁弯头Ⅱ及弯头Ⅲ的最大冲蚀深度随进口流速的增大而增大,但是弯头Ⅳ的最大冲蚀深度随着进口流速的增大,大致上是先增大后减小㊂这一情况的产生是由于随着气相流速的增加,颗粒在管件内运动的时间越短,单位时间内管道截面内通过的颗粒数量就会越少,越不容易在垂直管壁内的一侧形成料柱,相反地,颗粒速度不断增加,即动量增大,增大了冲蚀力度,因此,当两者都相对正好时,冲蚀磨损的程度最为严重,即在流速为8m /s 时,弯头Ⅳ的最大冲蚀深度达到峰值㊂图14为颗粒在管件内随着进口流速的变化,其驻留时间及最大速度的变化情况,由此可印证上述说法㊂图14㊀颗粒驻留时间和最大颗粒速度随进口流速的变化规律Fig.14㊀Change rule of particle residence timeand maximum particle velocity with inlet velocity4㊀结㊀论(1)基于仿真模型,分析了气固两相流在几形管中的运动特征,颗粒在气相流体的作用下加速,运动冲击到弯头处速度快速降低,如此反复多次,因此易被冲蚀破坏的区域是几形管4个弯头处,且都是弯头的外环侧壁面,形成的冲蚀轮廓面积各不相同㊂故检查及防护都应对这些区域重点关注㊂(2)颗粒形状对冲蚀效果有显著影响,数据显示,非球形颗粒相比于球形颗粒,4个弯头的最大冲蚀深度平均增大了32.1%㊂(3)从整体上看,最大冲蚀深度随着颗粒粒径的增大而减小㊂当颗粒粒径较小时,弯头Ⅳ的冲蚀磨损深度最大,更易出现破坏;当颗粒粒径较大时,4个弯头的最大冲蚀深度都相对平缓,但因磨损累积效应,弯头Ⅰ会更早出现破坏泄漏现象㊂(4)最大冲蚀深度随进口流速的增大基本上呈线性增长的趋势,但弯头Ⅳ除外,因颗粒驻留时间和颗粒速度的共同作用,其值呈现出先增大后减小的特点,在进口流速为8m /s 时达到最大㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀祝效华,曾云义,陈波,等.考虑流固耦合的双弯头压裂管汇的振动特性[J].天然气工业,2018,38(1):95-101.ZHU X H,ZENG Y Y,CHEN B,et al.Vibrationcharacteristics of double-elbow fracturing manifold con-sidering fluid-solid interaction [J].Natural Gas Indus-try,2018,38(1):95-101.[2]㊀张日,朱东,董胜.输气管道弯头处固体颗粒侵蚀141 2022年㊀第50卷㊀第7期周大鹏,等:基于CFD-DEM 耦合几形管冲蚀磨损的模拟分析㊀㊀㊀㊀㊀㊀的数值分析[J].船舶力学,2020,24(10):1342-1353.ZHANG R,ZHU D,DONG S.Numerical analysis ofsolid particle erosion in a 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低浓度多相流管道冲蚀磨损数值模拟
低浓度多相流管道冲蚀磨损数值模拟王博; 康凯; 郐楚婷; 徐鑫; 王璐【期刊名称】《《北京化工大学学报（自然科学版）》》【年(卷),期】2019(046)002【总页数】9页(P22-30)【关键词】低浓度; 多相流; 集输管道; 冲蚀磨损; 数值模拟【作者】王博; 康凯; 郐楚婷; 徐鑫; 王璐【作者单位】辽宁石油化工大学石油天然气工程学院抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】TE832; TG172.9引言管道输送油品时,通常会夹带液滴或者岩石颗粒,对管道内壁及管件造成一定程度的冲蚀磨损,严重时甚至会造成设备失效。
Ferng 等[1]运用计算流体动力学（CFD）软件模拟了管道冲蚀现象,并指出管道冲蚀最严重位置。
Mazdak 等[2]研究了入射角度、流速等因素对管壁冲蚀的影响。
Ou 等[3]运用dense discrete phase model-kinetic theory of granular flow（DDPM-KTGF）理论对煤泥水输送管道弯头进行了冲蚀磨损试验研究。
Lipsett 等[4]运用Euler-Lagrange 法对浮选槽叶轮的冲刷磨损进行了分析。
徐鸣泉等[5]对国产reaction effluent air cooler （REAC）带有直角过渡的管道进行了数值模拟,分析出流体对管道冲蚀磨损最严重的位置。
陈佳等[6]采用标准k-ε 湍流模型研究了三通管壁面切应力的分布,讨论了流体力学变量对冲蚀的影响。
杜明俊等[7]建立了热流固耦合控制方程,借助Fluent 和Ansys软件对多相流管道弯头处进行了流场分析。
丁矿等[8]基于CFD 分析软件研究了直角弯管的内部流动规律,结果表明直角弯管在90°转角和下游水平管路中存在流动分离现象。
国内外学者对单一管件冲蚀磨损的研究已取得了一定的进展[9],但对集输管道整体的冲蚀磨损数值分析研究还比较少。
因此,本文以某输油管线为研究对象,分析整体管线的冲蚀速率分布,以期为管道设计提供一定的参考价值。
输气管道冲蚀磨损数值模拟研究
输气管道冲蚀磨损数值模拟研究李翔;李介普;幺成;王辉【摘要】Erosion Leaking is a failure form frequently occurred in the petroleum refining industry. Thus, it is one of the hot issues that need to be solved during the process of pipe operation. In this paper, numerical simulation study on flow field and wear condition for a gas pipeline was carried out by using the DPM model. Wear rate of the pipeline was obtained. At the same time the erosion risk of the pipeline components were sorted according to erosion rate. The results can be used to guide the operation of the gas pipeline. Inspection cost for gas pipeline system can be saved due to the investigation. The adaptability, reliability, and security for the operation of the gas pipeline system can be effectively improved.%管道冲蚀泄漏是石油炼制工业中经常发生的一种失效形态，是管道安全运行过程中亟待解决的热点问题之一。
为研究输气管线的冲蚀磨损分布规律，采用 DPM 计算模型，对某集输场站输气管线的流场和磨损情况进行数值模拟研究，根据计算得到的磨损速率大小对管件磨损风险进行排序。
集输管道T型管内冲刷腐蚀数值模拟
集输管道T型管内冲刷腐蚀数值模拟赵燕辉;张涛;张义贵;曲虎;张鹏虎【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2014(43)11【摘要】The T-pipeline is very common in oil-gas gathering systems. But it’s easy to form erosion-corrosion, which results in the leakage, so it is necessary to study the corrosion factors. In this paper, the flow-controlled equation was established, and the flow field and stress of the T-pipeline during oil-gas gathering fluid flowing in it were analyzed by CFD software, and influence of fluid composition, fluid properties and flow parameters on the erosion-corrosion was investigated. The results show that, the magnitude and distribution of shear force acted on the inner surface of T-pipeline are affected by many factors; the distribution of the biggest shear force is at the junction of main pipe and branch pipe, which faces to the coming flow direction. Appropriately reducing flow speed and fluid viscosity, enlarging gas rate and branch pipe diameter may minimize the erosion-corrosion to the T-pipeline. The research outcome can lay a theoretical foundation for the corrosion protection and the safe-stable operation of pipelines.%T型管在油气集输系统中应用广泛，但容易形成冲刷腐蚀，发生泄漏事故，有必要对腐蚀影响因素进行研究。
基于仿真分析的钢管混凝土T形节点冲击破坏模式研究
基于仿真分析的钢管混凝土T形节点冲击破坏模式研究朱海清;周展;陈玉启
【期刊名称】《武汉工程大学学报》
【年(卷),期】2022(44)4
【摘要】基于Abaqus/Explicit平台建立了考虑应变率效应、材料损伤特性、接触特性的精细化有限元仿真模型,研究钢管混凝土T形节点在支管受冲击作用下结构的破坏模式。
首先,通过已有试验验证了仿真模型的准确性;然后,根据汽车撞击、轮船撞击和爆炸冲击3种工况对节点进行了冲击响应分析。
研究表明:受冲击物质量和速度影响,钢管混凝土T形节点主要表现为支管局部屈曲破坏、主管局部屈曲破坏和主管整体弯曲破坏。
构件的等效刚度随构件壁厚增大而增大,但其塑性变形能从壁厚2 mm增大到4 mm时增幅明显,由4 mm增大到6 mm时增幅较小。
因此,应根据T形构件所处的冲击环境合理选择壁厚,以牺牲局部构件的变形换取主体结构的安全。
【总页数】7页(P455-461)
【作者】朱海清;周展;陈玉启
【作者单位】武汉工程大学土木工程与建筑学院
【正文语种】中文
【中图分类】U375
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T型管道的冲蚀磨损数值模拟分析作者：彭方现闫宏伟李亚杰袁飞来源：《当代化工》2020年第03期Numerical Simulation Analysis of Erosion Wear of T-junctionPENG Fang-xian，;YAN Hong-wei，;LI Ya-jie，YUAN Fei（School of Mechanical Engineering， North University of China， Shanxi Taiyuan 030051，China）因為管道运输具有结构简单、运输量大、高效节能等一系列的优点，所以管道运输作为目前最主要的流体介质运输方式被广泛使用，成为继公路、铁路、航空、水路等运输方式后的第五大运输方式[1-4]。
但是在管道使用过程中由于流体介质中不可避免地携带的一些微小颗粒物体，会随着流体介质的流动不断地冲刷管道内壁面，对管道内壁面造成冲蚀磨损的现象，造成管道壁面破裂发生泄漏事故，产生巨大的环境污染及经济损失[5-7]。
所谓冲蚀磨损，就是指小颗粒以一定的速度和角度对靶材表面进行撞击，使靶材的表面产生损耗。
石油化工、航空航天、能源机械等领域广泛地存在冲蚀磨损现象，这也是设备失效的主要原因之一，对企业的安全生产造成重大影响，越来越引起国内外学者的普遍关注。
近年来，国内外一些有关专家学者采用科学实验或数值模拟分析的研究方法对不同类型下的油气管道的冲蚀问题进行了大量的深入研究。
Vigolo， D[8]等将实验结果与理论粒子追踪模型预测的轨迹进行比较，确定了黏性边界层在延迟粒子和降低与基板的碰撞速率方面的作用。
随着计算机的发展，计算流体动力学软件也逐步应用于流体仿真计算中。
Thiana A等[9，10]在弯头外半径和几种不同的流动条件模拟了最大侵蚀速率、侵蚀位置。
闫宏伟等[11]研究了颗粒直径、入口速度及质量流量分别对弯头冲蚀速率的影响。
许留云等[12]得出了弯管的弯曲外侧70°～90°之间的位置为冲蚀磨损最严重的部位。
三通管件在化工行业中的应用也比较广泛，三通的主要功能是为了引导管内流体介质分流或者合流，改变了其内部流体介质的流动方向，三通部件通过使管道中的流体介质在分流或者合流过程中产生了较大扰动，进一步促使管内流动介质发生摩擦、碰撞，并加剧冲蚀现象的形成，因此受到冲蚀磨损的程度比直管严重50倍。
其更容易发生泄漏危害。
例如，我国迪那气田曾发生泄漏事故的原因，即为，三通发生穿孔而导致泄漏此外。
陈宇等[13，14]研究了异面三通管在不同工况下的冲蚀磨损规律。
梁金川等[15]分析了T型管道内部的流体介质的速度场和压力场。
何兴建等[16]分析了T型弯头的冲蚀情况，得出了在T型弯头盲管区域产生了漩涡，充当保护垫作用，能减缓壁面冲蚀。
;除了三通管道本身结构、环境、材料因素的影响外，三通管道也会受到流体介质的速度、颗粒质量流量及颗粒形状等一系列的流体自身特征的影响。
基于此，本文分析了流体入口速度、颗粒质量流量及颗粒的形状三种因素对管道冲蚀磨损的影响作用。
根据流体动力学理论，流动状态划分的主要依据是雷诺数，当雷诺数超过2;300时，流动状态为湍流。
其公式为：经过计算管道内的雷诺数R e>6 000，因此管内的流体运动状态为湍流。
在流动状态中湍流是一种特别复杂的状态，无法全面准确地描述湍流状态。
Fluent仿真模拟软件中有Laminar、k-epsilon和k-omega等模型。
为了在保证计算精度的前提下，本文主要选用标准k-epsilon模型作为湍流的物理模型，因为Laminar模型是单方程模型，虽然其计算速度快，但不能保证其计算精度;k-omega模型的计算精度虽然和k-epsilon模型一样，但不易得到它的有关参数。
k-epsilon湍流物理公式[17，18]见式（2）、（3）。
1.2 ;冲蚀磨损模型因为流体中固体小颗粒所占体积分数很小，所以选择DPM（Discrete Phase Model）模型来计算管道壁面的冲蚀磨损速率。
在DPM模型中不考虑砂粒之间的相互影响，忽略砂粒本身的变化的影响[19，20]，在该工程模型中，冲蚀磨损速率可用公式定义如下：式中：R erosion;—磨损碰撞速率，kg/（m2·s）;2 ;管道模型2.1 ;管道模型及物性参数T型三通管的几何模型如图1所示，其中D=50 mm;L1=1 000 mm;L2=500 mm。
模型中连续相设置为天然气;离散相设置为砂粒，其密度为2 650 kg/m3。
端口1、2为入口，两处天然气初始速度相同且在两管相贯处充分混合，经出口端流出。
2.2 ;网格划分和边界条件设置利用Ansys meshing对T型管进行四面体网格划分，并在主管和支管相连接处进行局部网格加密，由于在管道近壁面处需要考虑流体层流影响，同时在管道壁面设置膨胀层网格。
如图2所示。
经过网格无关性检验，当网格数量数为393 801时最大冲蚀速率不再随着网格数量的增加而发生较大的变化。
在入口边界条件设置中选择速度入口边界条件，操作压力选择默认值，连续相出口边界条件设置为选择outflow;离散相壁面边界条件设置为“reflect”，出口处设置为“escape”;选取SIMPLE算法，采用二阶迎风格式。
3 ;影响因素分析在实际工程应用中，最大冲蚀率是考核管道安全的一个重要参数，T型三通管的冲蚀速率云图如图3所示，可知，在此流体流向的工况下T型管交汇处的迎流壁面处为T型管最容易发生冲蚀的部位，在迎流面偏向出口处区域为冲蚀速率最大的位置，而非入口1正对着的区域，因为由于入口2与入口1的流体在交汇处复合而使流体速度方向向出口方向处发生了偏移，故而使得冲蚀区域偏向出口区域，冲蚀速率也随着入口速度的增大而逐渐增大。
因为入口1的速度和入口2的速度大小一致，所以模拟得到的冲蚀云图基本不变，即冲蚀易发生的具体位置保持不变。
3.1 ;流体速度大小与冲蚀速率的关系管道内的流体的速度是影响冲蚀速率的重要因素之一。
颗粒的质量流量设置为0.005kg/s，颗粒的圆球度设置为1，其他参数不变，只改变天然气的速率大小进行数值模拟仿真，表1为不同的天然气入口速度下对应的最大冲蚀速率数值。
颗粒的质量流量设置为0.005 kg/s，颗粒的圆球度设置为1，其他参数不变，只改变天然气的速率大小进行数值模拟仿真，表1为不同的天然气入口速度下对应的最大冲蚀速率数值。
图4为最大冲蚀速率和天然气速度的关系曲线图，由其可知，最大冲蚀速率随着天然气入口速度的持续增大而不断增大，造成这样的主要原因之一是当管道内的流体速度较低时，由于固体小颗粒自身的速度较小，所对管道内壁的撞击冲量较小，故而冲蚀结果不明显;随着管道流体流动速度的不断增大，颗粒的动能由于气体的作用而增大，从而導致砂粒对管道管壁撞击时的冲量增大，对的管道冲蚀作用也就更加严重。
3.2 ;颗粒的质量流量与冲蚀速率的关系颗粒质量流量体现了单位时间内撞击管道壁面的砂粒数量的多少。
流体初始速度设置为2 m/s，圆球度设置为1，只改变颗粒的质量流量的大小进行数值模拟仿真。
表2为不同的质量流量对应的最大冲蚀速率值。
由图5可知，冲蚀速率和颗粒的质量流量呈正比例关系，即当颗粒的质量流量从0.001 kg/s增大到0.007 kg/s时，冲蚀速率呈线性增大;当质量流量从0.007 kg/s增大到0.009 kg/s时，最大冲蚀速率几乎不变，但当颗粒的质量流量大于0.009 kg/s时，最大冲蚀速率快速增大，呈指数式增长。
造成该结果的原因是，随着质量流量的增大，单位时间内对壁面冲击的固体小颗粒的数量增多，对壁面的冲击力度增大，所以冲蚀速率增大。
颗粒的形状也是影响管道冲蚀速率的一个重要因素，当固体小颗粒的形状越不规则时，造成的冲蚀现象越严重。
体积相同的圆球的外表面积与颗粒的外表面积之比，称为该颗粒的圆球度。
圆球度为无因次量，由于体积相同而形状不同的物体中，圆球的外表面积为最小，所以颗粒的圆球度恒小于1。
圆球度的不同，说明颗粒形状与圆球的差异程度。
当圆球度越接近0时，其形状越不规则，若其值越接近于1，则其形状也就越接近于圆球，当颗粒的形状系数为1时，其形状为标准的球形。
流体初始速度设置为2 m/s，颗粒的质量流量为0.005 kg/s，逐渐增大颗粒的圆球度的数值进行数值模拟仿真。
表3为不同的颗粒的圆球度数值对应的冲蚀速率值。
由颗粒圆球度数和冲蚀速率变化关系曲线图6所示，可知，颗粒圆球度在逐渐变大的过程中，管道壁面冲蚀速率却逐渐变小。
当颗粒圆球度由0.1增大到0.4时，冲蚀速率的数值由2.86×10-9/（kg·m2·s-1）减小到9.53×10-10/（kg·m2·s-1），减小幅度较大;当颗粒圆球度在0.4之后，随着颗粒的圆球度数值的增大，冲蚀速率呈缓慢减小的趋势。
因为当砂粒圆球度数值由0到1变化时，颗粒形状逐渐接近于球状，对壁面的冲击的方式发生变化，由切削为主的磨损变为以研磨为主的磨损，造成的冲蚀破坏也相应地减小了。
应用控制变量法针对T型三通管的冲蚀影响因素进行分析，得出了T型管道易磨损破坏的位置，可为石化管道的防护和检测定位泄漏提供合理的建议，通过设定不同的影响参数，得到的冲蚀规律为：（1）在该工况下T型三通管的迎流壁面处最易发生冲蚀磨损，最大冲蚀速率发生在偏向出口的位置处，而不是正对迎流壁面处。
（2）冲蚀速率随流体速率增大而增大;（3）蚀速率和砂粒的质量流量呈正比例关系，即当颗粒的质量流量从0.001 kg/s增大0.007 kg/s时，冲蚀速率呈线性增大;当质量流量从0.007 kg/s增大到0.009 kg/s时，冲蚀速率几乎不变，但当颗粒的质量流量大于0.009 kg/s时，冲蚀速率快速增大，呈指数式增长;（4）当砂粒圆球度系数由0.1增加到0.4时，冲蚀速率的数值减小幅度较大，呈指数式减小;当颗粒的圆球度为0.4之后时随着砂粒的圆球度的增大，冲蚀速率呈缓慢减小的趋势。
参考文献：。