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用稀释颗粒悬浮液模拟管道弯曲侵蚀
摘要
计算流体动力学模型与拉格朗日粒子跟踪程序和多个侵蚀模型相结合，已用于预测固体颗粒侵蚀在四种不同的90°方形横截弯曲面中因稀释的载有颗粒的流动。与实验数据进行比较通过一系列条件，包括粒径，质量载荷和流动雷诺数，表明与所考虑的所有侵蚀模型的预测良好一致。特别是，模型能够可靠地预测弯曲凹凸壁上的侵蚀深度和磨损位置。观察到的轻微差异很可能是由于粒子-墙壁碰撞模型的不确定性的使用，以及数据的可变性。粒子-墙壁碰撞过程的复杂性排除了在这项工作中开发了一个模型，该模型解释了侵蚀袋的出现及其随后对流体流动，颗粒轨迹和二次磨损位置磨损程度的影响，以及最大磨损位置的动态运动。然而，尽管如此，并且在实验不确定性范围内，模型表现良好，尽管它们的进一步扩展如上所述可能会改善与数据的一致性。
关键词：固体颗粒侵蚀、气固流动、90°管道弯曲、CFD
- 简介
尽管它经常用于许多化学和工艺工程的应用中，但是稀释悬浮液的气动输送气体中的颗粒流过弯道时有许多缺点。这是因为弯曲导致了流动方向的变化和内部流动中的几个曲线运动尺度的变化。在接近流动方向的变化时，颗粒的惯性会使其偏离承载流体的流线，导致颗粒撞击管壁。因此，能量转移到冲击区域，并且根据颗粒和墙壁材料的比较强度，颗粒受损（磨损）或管道开始磨损（腐蚀）。颗粒破碎可能导致质量控制问题，而墙壁侵蚀会增加设备维护成本和环境负担，并导致生产力损失和要求更换损坏的部件。在正常操作条件下，由于局部湍流和不稳定的流动行为，管道弯曲的侵蚀率远高于直管段的侵蚀率。因此，管道系统的故障时间通常是依赖于管件（阀门，弯头，弯头，流量计）的寿命，流量泵，涡轮机和压缩机。(Chen, McLaury, 和Shirazi, 2004;Frawley, Corish, Niven, 和Geron, 2009; Tilly, 1979)。因此，必须通过更好地理解颗粒流的物理特性来改善这些组分对固体颗粒侵蚀的保护。
许多研究人员对弯管，弯头，三通和相关几何形状的腐蚀的物理和数值模拟。自20世纪90年代初以来，计算流体力学（CFD）已广泛用于固体颗粒侵蚀预测在弯曲的管道和管道中，具有各种分析，半经验和经验模型已经开发出来。Meng和Ludema（1995）对Finnie（1960）提出的第一种分析方法开发的一些侵蚀模型进行了批判性评论，并发现了28种专门用于固体的模型颗粒壁侵蚀。作者报告在这些模型中使用了33个参数，每个模型平均有5个参数。这些参数影响从目标表面侵蚀的材料量和侵蚀机理。该评价显示，每个模型方程都是非常具体和个别的方法的结果，因此很明显，没有单个方程可用于预测所有已知标准材料或颗粒参数的磨损，并且一些依赖于实验测量 总是需要提供各种侵蚀模型中必需的经验常数。以下评论仅限于基于CFD的腐蚀模型中使用的模型，这些模型在管道和管件的腐蚀应用中得到广泛应用。
Ahlert（1994）为AISI 1018 钢开发了一种经验侵蚀模型。 McLaury（1993,1996）扩展了这种铝模型，并用它来预测二维几何中直接和随机撞击产生的颗粒侵蚀。这种侵蚀模型是在塔尔萨大学侵蚀/腐蚀研究中心（E / CRC）开发的，（Ahlert，1994;McLaury，1993,1996）预测肘部，塞子，三通，突然收缩和具有圆形横截面的管道的突然膨胀的侵蚀，并且随后被称为E / CRC模型。Wang，Shirazi，Shadley和Rybicki（1996）将此模型应用于研究在循环管道中曲率半径对侵蚀率的影响。Shirazi，Shadley，McLaury和Rybicki（1995）也开发了基于E / CRC模型预测弯头部侵蚀的机械模型。Edwards，McLaury和Shirazi（1998,2001）使用商业CFD代码对流体 - 固体流动进行建模，并使用E / CRC模型添加了预测颗粒影响侵蚀的程序。Forder和同事（Forder，2000; Forder，Thew，和Harrison，1998）也使用商业CFD代码模拟了油田控制阀的侵蚀，同时考虑了变形和切割侵蚀。Forder（2000）通过Bourgoyne（1989）的实验气固腐蚀结果获得了预测的管道弯曲磨损率和磨损位置的良好一致性。 陈等人。（2004），Chen，McLaury和Shirazi（2006a，2006b）将Grant和Tabakoff（1975）和E / CRC模型（Ahlert，1994; McLaury，1993,1996）的随机反弹模型添加到商业上可获得的CFD代码中， 并研究了油田几何形状中弯头和插头三通的相对侵蚀严重程度。数值模拟表明，粒子反弹行为在确定粒子运动中起着重要作用。作者报告说，基于CFD的侵蚀程序能够合理地预测侵蚀剖面并令人满意地显示出与载体速度有关的侵蚀趋势。
Wang和Shirazi（2003）对90°弯头和圆形横截面的弯头进行了侵蚀研究。 流体相是使用简单的修改混合长度模型建模。根据Kimand Patel（1994）的实验数据验证预测的流体轴向速度，使用E / CRC模型进行witherosion模型化（Ahlert，1994; McLaury，1993,1996）。他们将他们预测的渗透率与Eyler（1987）的实验数据进行了比较，获得了良好的定性一致性，但预测和数据之间的定量一致性差。由于大多数可用数据来自高粒子率的侵蚀实验，因此达成了不良协议。作者还发现，当载体相从液体转变为气体时，长半径弯曲的侵蚀减少了。他们进一步报道，当载液为液体时，挤压膜，二次流和湍流波动的影响都可能在侵蚀预测中起重要作用。
Nesic和Postlethwaite（1991）通过确定局部流体速度和粒子撞击来抑制扼流圈研究了当地的侵蚀。 Keating和Nesic（2000）使用商业CFD代码与内部粒子跟踪器相结合来预测整个180°弯曲中的流体-粒子流。作者实施了两种侵蚀模型，即Finnie（1960）和Bergevin和Nesic模型（Bergevin，1984; Nesic和Postlethwaite，1991），以研究U形弯曲中的侵蚀腐蚀问题。但是，没有与实验数据进行比较; 因此，无法确定模型的有效性。 Hanson和Patel（2000）试图解释磨损疤痕的形状，以预测气动输送机弯头经历腐蚀磨损的寿命。然而，这些作者没有使用疤痕的形状来改变流体相计算中使用的计算网格。
范和同事使用欧拉-拉格朗日方法Grant和Tabakoff的经验归还系数（1975）模拟颗粒回弹速度，并随后使用Grant和Tabakoff的半经验侵蚀方程（1973）研究垂直 - 水平弯曲的侵蚀。作者使用这种技术来预测热交换器中管道的侵蚀（Fan，Sun，Chen，和Cen，1998; Fan，Zhou，Jin，和Cen，1991），研究防止管道侵蚀的保护技术（Fan，Sun， Zheng，Zhang，和Cen，1999），并研究了90°弯的抗侵蚀（Fan，Luo，Zhang，和Cen，2004; Fan，Yao，和Cen，2002; Fan，Yao，Zhang，和Cen） ，2001; Yao，Zhang，和Fan，2000）。在所有研究中，作者使用标准的湍流模型，除了Fan等人（2004），其中作者使用大涡模拟（LES）来获得流动和湍流场预测。然而，LES解决方案并未针对先前的实验或数值结果进行验证。 Jun和Tabakoff（1994）以及Morsi，Tu，Yeoh和Yang（2004）也使用Hamed（1992）的半经验侵蚀方程来估计管束中的侵蚀速率。
Zhang，Reuterfors，McLaury，Shirazi和Rybicki（2007）使用商业CFD代码进行了许多基于CFD的侵蚀模型研究。在塔尔萨大学开发的侵蚀方程（Ahlert，1994; Edwards等，2001; McLaury，1993年，1996年; McLaury和Shirazi，2000; Shirazi，McLaury，Shadley，和Rybicki，1995; Shirazi，Shadley，等人，1995），以及Oka，Okamura，和吉田（2005年），以及奥卡和吉田（2005年），被列入代码通过用户定义的函数。根据作者使用激光诊断获得的液体-固体流动的实验数据验证粒子轨迹。 然后通过与使用敏感电阻探针测量的90°标准弯头空气流量的作者的实验数据进行比较，验证整个基于CFD的侵蚀建模程序。Zhang，McLaury和Shirazi（2009）使用市售的CFD代码研究了近壁区域的粒子运动，修改了代码以考虑粒子撞击前后该区域的粒径效应。对于90°弯曲的湍流，他们的结果表明，与实验数据相比，近壁改造和湍流粒子相互作用显着影响模拟结果。
Wood，Jones，Miles和Ganeshalingam（2001）和Wood，Jones，Ganeshalingam和Miles（2004）使用了代数滑动多相模型，加上Bitter（1963a，1963b）和Hashish（1987）侵蚀模型，检查泥浆流动在管道和弯曲引起的侵蚀。 Wallace, Dempster, Scanlon, Peters, and McCulloch（2004）也使用欧拉 - 拉格朗日方法，加上半经验侵蚀方程，预测泥浆侵蚀节流阀中的流动。流体相模型使用Reynolds平均Navier-Stokes（RANS）方程，以及Launder和Spalding（1974）的标准k -模型或Yakhot和Orszag（1986）的重整化群（RNG）模型，用于湍流闭合的商用CFD代码。 使用Forder等人的经验恢复系数计算粒子回弹角和速度（1998）。作者还通过拟合喷射式磨损试验结果的数据修改了Neilson和Gilchrist（1968）侵蚀方程（Wallace，2001），并使用修正的方程来预测侵蚀速率。作者对所检查的简单和复杂几何形状的流场数据都很好地一致。然而，他们报告说，对于简单的几何形状，平均侵蚀率低估了60％，而对复杂几何形状的预测低了10到15倍。他们将这些低预测归因于对他们几何模型变化的忽视。
Habib和他的同事使用了欧拉-拉格朗日方法和半经验侵蚀模型来检查管道突然收缩的侵蚀(Badr, Habib, Ben-Mansour,和 Said,2005; Habib,Badr, Ben-Mansour, 和 Kabir, 2007; Habib, Badr, Ben-Mansour, 和Said, 2004; Habib, Ben-Mansour, Badr, 和Kabir, 2008)，和管壳式换热器管板的管端腐蚀(Badr, Habib, Ben-Mansour, Said, 和 Al-Anizi, 2006; Habib, Badr,Said, Ben-Mansour, 和Al-Anizi, 2006; Habib, Ben-Mansour, Badr,Said, 和Al-Anizi, 2005)。在商业CFD代码中使用RNG k-模型对湍流进行建模，并且作者使用Wallace（2001）版本的Neilson和Gilchrist（1968）侵蚀方程来模拟侵蚀速率，以及塔尔萨大学开发的侵蚀模型(Ahlert, 1994; Edwards等人.,2001; McLaury, 1993, 1996; Shirazi, McLaury, 等人,1995; Shirazi,Shadley, 等人1995)计算渗透率（糜烂的深度） 材料/时间段）。研究了入口流速，粒径，突出管几何形状，管壁材料和管收缩率等不同参数对管道突出物侵蚀和穿透的影响。 作者得出结论，总侵蚀率与突出的管道深度和厚度成反比。
Suzuki，Inaba和Yamamoto（2008）使用Junichi，Toda和Yamamoto（2003）提出的侵蚀线方法来模拟被颗粒损坏的90°方形弯曲几何形状的侵蚀表面。在该方法中，计算网格由两个区域组成：流场区域和实心壁内的区域。随着侵蚀的进行，壁网格节点随之减少，因此壁的形状发生变化，这反过来影响了流场和粒子轨迹。他们应用了尼尔森和吉尔克里斯特（1968）侵蚀模型预测实验中检查的一个弯曲由梅森和史密斯（1972），成功地预测了初级内外壁的磨损和二次磨损外壁。
最后，李等人（2009）应用了欧拉的阿格朗日方法与粒子的物品相互作用和粒子侵蚀模型模拟固体粒子运动以及粒子侵蚀扼流圈中固体-液体两相流的特性。该作者使用标准的模型来处理湍流离散粒子硬球模型，以适应粒子间碰撞，以及用Menguturk 和Sverdrup (1979) 半经验相关性研究侵蚀率，随后使用肋骨研究抗侵蚀效果。
尽管有这些工作，但对管壁侵蚀模型仍有兴趣，因为特别是在估算管道系统的使用寿命时，以及在管道系统的使用寿命方面，预测腐蚀是有价值的。最多地识别特定管道几何中的哪些位置容易受到侵蚀。在这项研究中，一个三维计算建立了流体动力学侵蚀模型来研究不同弯曲几何形状和方向的方形截面管道的凹壁和凸壁的侵蚀粒子与墙面碰撞。讨论结果在侵蚀深度和初级和次级磨损的位置方面，并与可用的实验数据进行比较。这项研究不同于作者以前的工作（Njobuenwu，Fairweather，和Yao，2012）专注于预测通过管道弯曲的流体流动和颗粒分散的特征，以及考虑管道侵蚀而不是管道弯曲的早期侵蚀工作。
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专业术语 粒子撞击时单元面积 压力再分配 布氏硬度值 系数 ，，，， 雷诺应力模型中使用的常数 弯曲的直径/宽度 粒子直径 狄恩数 恢复系数 侵蚀（质量） 侵蚀率（质量） 侵蚀率（体积） 作用在颗粒上的总力 材料硬度（维氏） 湍流动能 ， 侵蚀模型中的常数 固体质量负荷 包裹着代表的真实粒子数量 资料编号：[4753] |
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