模拟分析小颗粒对T型管的冲蚀

梁金川　邓又文　胡彪

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。目前针对天然气管道中T型管件冲蚀的研究还不太多同，为此，利用FLUENT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。

1 几何模型与网格划分

T型管的几何模型见图1，直径/9=-35mm，为了消除入口端的影响取L₁=350mm，L₂=700mm。两个为入口端，在入口2添加一定量的颗粒物，入口1不添加颗粒物但改变此入口的速度，看其对入口2进入的颗粒对避免冲蚀的影响。利用Designmodeler建立的三维模型，然后利用ICEM CFD划分网格图2所示网格个数为58765个，通过网格的质量分析，网格质量统计显示都在0.4以上说明网格质量很好。

2 数学模型

管道内流体的流动满足连续性方程与动量守恒方程。FLUENT的揣流模型选择标准模型。计算冲蚀率我们采用FLUENT中内置的模型，冲蚀率为：式中：C（d_p）-颗粒粒径函数；

α-颗粒路径与壁面间冲击角；

f（a）-冲击角函数；

v-颗粒相对速度；

b（v）-颗粒相对速度函数；

A_face-壁面面积。

边界条件的设置为：入口1位速度入口，湍流强度采用Intensity and Hydraulic Diameter方式设置，Intensity=5%，Hydraulic Diameter=-0.35m。入口2页采用入口1相同的设置。出口设置为压力出口，湍流强度页采用入口1一样的设置方法。离散相模型的设置为：压力与速度采用Coupled耦合方案，控制方程采用一阶迎风格式进行离散。天然气的密度设置为0.717kg/m³，动力粘度为1.7894e^-5Pa·s，固体颗粒的密度为2000kg/m³，选择微粒的形状为球形，直径为10μm，颗粒的入口速度为10m/s。

3 计算结果分析

3.1 不同入口速度下的冲蚀模拟结果

保证入口2入口速度为10m/s和出口的条件不变，分别设置入口1的速度为5、10、20和30m/s，观察管壁的冲蚀结果。结果如图3所示（a：5m/s、b：10m/s、c：20m/s、d：30m/s）：

从模拟结果我们可以看出随着入口1的速度改变，管壁冲蚀的位置也发生了变化。入口速度越大，冲蚀位置越往出口方向移动。在管壁上形成的冲蚀的形状也发生了变化，在5m/s和10m/s的入口速度下，冲蚀形成的形状为较为均匀的椭圆形；在20m/s和30m/s的入口速度下，冲蚀形成的形状为喷射状靠近入口1的方向不在有冲蚀。但是从最大冲蚀率来分析，冲蚀率并不随入口1的速度单调变化，在入口速度为5m/s时最大冲蚀为2.14e^-6，在入口速度为10m/s时最大冲蚀为2.12e^-6，在入口速度为20m/s时最大冲蚀率达到了3.14e^-6，在入口速度为30m/s时最大冲蚀为2.86e^-6。从冲蚀率的计算公式可以看出，其受多个变量的控制，当入口1的流速变化时会改变颗粒冲击壁面的角度和颗粒与管壁接触的面积进而影响冲蚀率。

3.2 不同入口速度下T型管内的流场

为了分析在T型管内产生上述冲蚀结果，分别对产生对应冲蚀结果的流场进行分析。主要分析T型管内的压力场、速度场和流线情况。如图4（a：5m/s、b：10m/s、c：20m/s、d：30m/s）为T型管内的压力场分布。

为了分析在T型管内产生上述冲蚀结果，分别对产生对应冲蚀结果的流场进行分析。主要分析T型管内的压力场、速度场和流线情况。如图5（a：5m/s、b：10m/s、c：20m/s、d：30m/s）为T型管内的压力场分布。从压力场云图可以看出在三管交接处或形成一个负压区，从模拟结果可以看出当入口1流速为30m/s时，负压区的压力最低。当入口2流速为10m/s时负压区的压力最高。这说明两个入口速度越接近形成的负压区压力会较高。

为了更加更加清楚的分析微粒的运动，我们从管道内的速度云图和流线图来分析，如图5所示（a：5m/s、b：10m/s、c：20m/s、d：30m/s）。從速度云图和流线图我们可以看到在三管交接处会有漩涡的形成，同时入口1处的速度越大在交界处的下壁面处形成的流速越大，这样会降低从入口2进入的颗粒到达壁面概率同时改变颗粒的运动轨迹，使在管道下壁面产生冲蚀的位置发生改变。

4 结论

利用FLUENT对两入口一出口的T型管道墨香内的流场和速度场进行了模拟分析，保证携带有颗粒的入口的速度不变，改变另外一个入口的速度，看其对压力场和速度场的影响。着重分析流速的改变对管壁冲蚀产生的影响。

1）天然气在管道内输送过程中，其夹带的金属颗粒或未分离干净的固相颗粒因为高速流动会对管壁产生较大的冲蚀磨损。尤其是在流向发生变化的地方，冲蚀会更加严重，需要在生产中特别注意。

2）在T型管这种特殊的管件中，冲蚀磨损更加严重，如果有两个入口端尽量保持两个入口端的速度接近以降低冲蚀的影响。但是对于实际问题还需考虑颗粒和管壁的特性。

3）在长距离管输天然气中尽量减少T型管和弯头的使用，因为这些部位会受到管流的直接冲击，冲蚀损伤较一般直管段会成倍增加。