弯接头内部流体流动的数值模拟研究

弯接头内部流体流动的数值模拟研究

摘要：为了研究石油生产和输运过程中出现的含固相颗粒流体对管线内壁冲刷和腐蚀问题，选取了k-ε模型中的RNG k-ε模型对高雷诺数条件下（5.4×105）90°弯接头内的流体流动进行了数值分析，研究考虑了入口平面上湍流的发展情况，选取了具有三阶精度的MUSCL离散格式对流动进行了计算，并对计算结果进行了详细的分析。

关键词：弯接头数值计算冲刷与腐蚀

含固相颗粒流体对管线内壁的冲刷、腐蚀或者二者的联合作用在许多工业过程中广泛存在。含固相颗粒的流体流动到结构尺寸发生变化处或者流动方向发生改变处（如弯接头、弯管等）就会对该处管壁或者工具表面造成冲蚀或者腐蚀，导致管壁或者工具表面材料损失变薄，如不对这一现象充分关注并及时采取相应措施，最终会引发管线穿孔、工具断裂等严重安全问题。管线冲刷、腐蚀方面的研究同管线内流体的流动息息相关，为此，本文采用数值模拟的方法采用不同的湍流模型对流经某弯接头内部流体流动进行了模拟研究，以期为后续管线冲刷、腐蚀研究提供理论支持。

1弯接头的数值模拟

1.1 物理模型及网格划分

数值模拟研究中所使用弯管的几何形状及具体尺寸如图1所示。坐标原点位于图1中的左下角，x、y坐标已经在图中做了指示，z方向垂直纸面向外。弯管内径D为35.5mm。流动从左下角进入计算域，首先经过一段长为200mm的水平段，然后经过90°的弯接头区域，最后进入一段长350mm的垂直段。在垂直段的下游有室内实验所用到的圆柱状传感器（外径6.4mm，居中放置）及其厚度为3mm的挡板。整个计算域是对称的，为了减少计算的工作量，将整个计算域沿过轴线、且平行于纸面的平面剖分，取z>0的部分作为本次模拟的对象。采用分区域划分网格的方法对整个模拟对象进行了处理。模拟对象共划分了四个区域：入口水平段、弯接头段、垂直段和出口段。垂直段与出口段的差别在于出口段中包含了挡板和传感器，其截面形状不同于垂直段的半圆形。靠近管内壁处划分了四层边界层，边界层内网格厚度为0.05mm。主流区域沿y方向均匀布置了32个网格单元，沿流动方向均匀布置了4200个网格，主流区域内网格尺寸为0.2mm，采用三棱柱网格对整个模拟对象进行了网格划分，网格单元总数841，564。

（4）壁面边界条件

壁面上流体满足无滑移条件，沿壁面法线方向无流体进入或流出。管壁处为碳钢材质，粗糙度为0.1mm，传感器为不锈钢材质，粗糙度为0.05mm。

2 结果分析

前人理论分析和实验研究都表明：弯接头区域是整个计算域中流体流动冲刷与腐蚀较为严重的区域，所以对该区域内流体流动情况便成为本文研究的重点。取θ=45°处平面作为研究平面，得到该平面上流体总压力的分布情况。靠近弯接头外径处流体压力较高而靠近弯接头内径处流体压力较低。除壁面附近区域外研究平面上等值线几乎都呈垂直分布且相互之间等间距分布，说明压力梯度方向位于水平方向且数值基本恒定。水平方向压力梯度的存在使得管内流动发生偏移。进入弯管区域后，流体微团在离心力的作用下有沿弯管半径方向向外运动的趋势，而受管壁几何结构的限制，流体微团的运动轨迹被迫发生改变，在此过程中流体微团对弯管外壁有较大的冲击压力作用，根据作用力与反作用力准则，流体本身也承受较大的压力，这就造成了弯管45°截面上流体压力靠近弯管内径处较低而靠近弯管外壁处较高的原因。

当θ=0°时，快速移动的流体向弯接头内径方向运动，弯接头内径壁面附近等值线密集，此时流体轴向速度的径向梯度较大，该处的壁面剪切应力达到较大值。当θ=45°时，快速移动的流体仍靠近内径壁面，此时内径壁面附近的边界层厚度迅速增加，导致此处的壁面剪切应力减小，内径附近等值线密集的区域。当θ= 90°时，流体倾向于向管线z>0方向运移。此时流体流速等值线密集，该处附近的壁面剪切应力取得较大值。同时，在弯接头内径同对称面的交线附近由于流动在壁面附近发生分离而导致回流的产生。

3 结论

（1）计算所得最大壁面剪切应力出现在弯接头入口处的内径附近；

（2）当流体刚进入弯接头区域时，靠近内、外径壁面附近的流体流线开始密集，同时快速移动的流体微团倾向于靠近内径壁面；

（3）流体进入弯接头后，受流体微团本身的离心力作用，流体微团有逐步远离内径壁面的趋势；

（4）在θ= 45°截面下游处流动发生分离，产生较大尺寸的涡团并向下游扩展。

参考文献

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4. 代真，沈士明，丁国铨.金属在固液两相流体中的冲刷腐蚀及其防护[J].腐蚀与防护，2006，27（11）：503-507

作者介绍：

马珍福：工程师，2006年毕业于中国石油大学油气田开发专业，硕士研究生，现在胜利油田采油院注水所从事注采工艺技术研究。