水平弯管盐泥流动磨损仿真分析*论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要：盐泥为工业制盐流程中卤水净化工艺后产物， 盐泥随意排放不仅污染环境， 也会对资源造成极大浪费， 需对盐泥进行无害 化资源化处理 。盐泥为固液两相流流体， 对盐泥的无害化资源化处理需要管路的输送， 为了探究盐泥在弯管中流动时对管道的冲 蚀磨损速率， 利用 Fluent 仿真软件对其进行分析 。选用 RNG k-ɛ湍流模型和 DPM 模型， 盐泥对弯管的冲蚀模型和颗粒碰撞恢复模 型采用 E/CRC 冲蚀磨损模型和 Grant and Tabaoff 壁面碰撞恢复函数， 考虑液固两相之间的耦合， 对盐泥在水平弯管中的流动进行研 究 。研究结果表明： 盐泥对水平弯管弯头压力分布场呈现为外侧压力大 、 内侧压力小， 而速度分布场则与压力场恰好相反 。盐泥 颗粒与弯管内壁发生首次碰撞的部位在弯头外侧的出口段， 一些颗粒还会发生多次碰撞 。弯管内壁存在冲蚀磨损弯， 弯头外侧磨 损速率显著大于弯头内侧， 而且磨损最严重的部位发生在弯头出口 20°附近。

　　Abstract: Salt mud is the product of brine purification process in the industrial salt making process . The random discharge of salt mud will not only pollute the environment, but also cause a great waste of resources. It is necessary to carry out harmless and resource-based treatment of salt mud. Salt mud is a solid-liquid two-phase flow fluid. The harmless and resource treatment of salt mud requires pipeline transportation . In order to explore the erosion and wear rate of salt mud on the pipeline when it flows in the elbow . Using fluent simulation software, RNG k-ɛ Turbulence model, DPM model, E/CRC erosion wear model and Grant and Tabaoff wall collision recovery function , considering the coupling between liquid and solid phases, the flow of salt mud in horizontal elbow is studied. The results show that the pressure distribution field of horizontal elbow caused by salt mud is large on the outside and small on the inside, while the velocity distribution field is just opposite to the pressure field. The first collision between salt mud particles and the inner wall of the elbow is at the outlet section outside the elbow , and some particles will collide many times. There is erosion wear on the inner wall of the elbow, the wear rate on the outside of the elbow is significantly higher than that on the inside of the elbow, and the most serious wear occurs near 20 ° of the elbow outlet.

　　Key words: salt mud; elbow; flow field; erosion wear

　　0 引言

　　盐不仅是老百姓日常生活中的必备物品， 也是工业 生产中重要材料， 卤水净化[ 1] 是制盐工业中一道十分重 要的工序， 但是卤水净化后会产生大量的盐泥沉淀物， 其主要成分为 CaCO3 、Mg(OH ) 2 和盐析而产生的 NaCl 晶 体以及絮凝剂[2-5]， 盐泥液相为卤水， 盐泥的固相质量分 数为 10%~35% 。我国的制盐工业发达， 盐泥的产量巨 大， 每年的盐泥产量都在千万吨以上， 但是盐泥的处理 方式却没有跟上盐泥的产量， 目前多数制盐企业对盐泥 处理方式多为填埋 、储存 、排入河道 、回井， 盐泥的随 意排放会对自然环境造成重大污染[2-5]， 而目前仍有大量 的盐泥堆积亟待无害化处理， 在对盐泥资源化无害化处理 过程中需要对盐泥进行转运， 盐泥的转运依赖管道输送。

　　在盐泥输送过程中， 因为盐泥中含有CaCO3 、Mg(OH ) 2 和盐析产生的 NaCl 晶体等固体沉淀， 在管道运输中会不 可避免地与管壁发生碰撞， 对管壁造成冲蚀 。在以往研 究含固两相流在管道中的流动中， 固体颗粒与管道壁面 发生碰撞最为激烈地方通常位于两相流流动的拐角处， 会对管道产生冲蚀[6-9] 。金浩哲等[ 10]研究了油类液固两相 对弯管和三通管的冲蚀影响， 发现在弯管中磨损最严重 的部位在外侧弯转的中间部位和出口的内侧部位， 三通 管磨损最严重的部位在孔口处， 而且弯管和三通管磨损 的速率和曲率半径有关 。M R Safaei[ 11]设计一种非侵入式 超声波探测装置， 可以在不破坏管道的情况下探测到流 体对管道的损伤， 通过该装置探测流体在对垂直-水平 弯管 ( V-H ) 和水平 -水平弯管 ( H-H ) 存在显著的差异 。而且在同样条件下， 流体 V-H 弯管的损伤更大 。 Peyman Zahedi 等[ 12]研究了气- 固流体和气-液- 固流体在 管道中流动对管道的损伤， 利用无创超声装置探测了弯 管 8 处位置的壁厚， 研究发现在一定的速度内， 随着流 体流动的速率增加管壁的冲蚀程度增加， 但是当流动的 速度更高的时候， 流体对管道冲蚀速率反而会下降。

　　盐泥浆也属于含固两相流的一种， 在管道中流动输送， 必然会对管壁产生冲蚀磨损， 长此以往， 会出现严 重的管道磨损现象， 管壁变薄， 降低管道的力学性能 。 本文采用数值模拟的方法， 旨在通过盐泥在弯管内的流 场进行分析， 探究盐泥在不锈钢弯管中流动时， 对管道 内壁的冲蚀磨损速率 。在企业采用不锈钢管道输送处理 盐泥， 为预防或者减轻盐泥对管道的冲蚀提出指导性意见。

　　1 计算模型

　　1.1 几何模型

　　图 1 所 示 为 管 道 磨 损 的 几 何 模 型， 管 道 直 径 D= 100 mm， 弯径比为 3. 弯管转弯角为 90°， 利用 Mesh 划 分网格， 为保证求解精度和节约算力 。使用 Mesh 分别划 分弯管网格数为 305 280 、534 352 、686 140 、870 215、 1 043 952. 仿真计算结果如图 2 ( a ) 所示， 当网格数到 达 60 万后， 网格的冲蚀速率开始趋于稳定 。另外为保证 盐泥进入弯头前其流场得到充分发展， 盐泥进入弯头之 前的直管长度 L 必须足够长， 所以构建不同的弯管模型， 可得到如图 2 (b) 所示结果， 发现当直管长度 L> 16D 时， 弯管的冲蚀速率开始趋于稳定， 为排除误差的影响， 故取直管长度为 18D。

　　1.2 盐泥颗粒轨迹模型

　　考虑固相和液相之间存在相互耦合作用， 所以采用 拉格朗日离散相固体颗粒控制方程建立盐泥颗粒的轨迹模型：

　　式中： Fd ( v - vp ) 为盐泥颗粒所受到的阻力项， v 为液相 速度， vp 为盐泥颗粒速度; 等式右边第二项为盐泥颗粒 所受到的重力相， ρ p 为固相的密度， ρ 为液相密度; Fother 为盐泥颗粒收到的其他力。

　　1.3 湍流模型

　　盐泥在弯管管内流动时由于强旋转和沿壁面弯曲流 动的原因， 呈现出来的流动状态往往为湍流状态， 故盐 泥在弯管的流动状态为湍流 。湍流模型选择广泛应用在 二次流和旋转流场且表现优异的 RNGk-ɛ模型。


　　1.4 壁面磨损模型

　　本文采用E/CRC壁面冲蚀磨损模型[ 13]， 其磨损方程为：
　　式中： ER 为冲蚀速率; A 为常数; FS 为颗粒形状系数， 当颗粒外形为尖锐形状时取值为 1. 当外形为标准球形 时取为 0.2. 介于尖锐和球形两者之间时取值为 0.53; up 为颗粒的碰撞速度， n 为速度指数; F (θ ) 为冲击角函数。

　　1.5 壁面碰撞恢复模型

　　选用 Grant and Tabaoff 壁面碰撞恢复函数[ 14]。

　　2 盐泥对弯管的冲刷损伤

　　2.1 盐泥性质

　　本文所研究的盐泥取样于湖南省某盐化公司工业制盐过程中 。分析取样盐泥的物性， 其中盐泥的性质如表 1 所示， 盐泥固相成分如表 2 所示。

　　取盐泥的绝干颗粒， 肉眼观测下如图 3 ( a ) 所示， 盐泥由于其高粘度的性质， 很容易便粘结呈块状， 图 3 (b) 为采用 400 倍的显微镜观察下盐泥颗粒状态， 其外 形呈现出不规则形状。

　　2.2 边界条件

　　设置入口为速度入口， 且入口速度为 5 m/s， 水力半 径为管道直径， 出口为自由流出出口， 入口和出口边界 条件皆为 escape， 壁面边界条件设置为 reflect， 颗粒的质 量流量为 1 kg/s， 颗粒直径为 0.012 4 mm， 将盐泥颗粒外 形当作球形， 环境压力设置为大气压力， 重力方向为 z轴正方向 。忽略盐泥颗粒之间的相互碰撞， 故选择 DPM 模型对盐泥颗粒进行预测， 考虑盐泥液相和固相之间的 耦合关系， 利用 Simplec 算法进行压力-速度耦合， 计算 对流项和扩散项皆采用二阶迎风差分格式。

　　2.3 盐泥在弯管中的流场分析

　　盐泥在弯管内流动的压力场分布如图 4 所示， 可以 发现在弯管的直管段， 由于沿程压力损失， 其内部的压 力渐渐降低， 而且在直管段不存在径向的压差[ 15] 。但是 当盐泥流经到弯头时， 由于离心力的作用， 弯头不仅会 在轴向形成压差， 在径向也会存在压差， 而且径向的压 差呈现出弯头外侧压力大， 内侧压力小。随着盐泥流出弯 头， 离心力消失， 径向的压差也会随之减小， 直至消失。

　　盐泥在流过弯管的时的速度分布场如图 5 所示， 速 度流线图如图 6 所示， 盐泥在流过流过弯管时， 由于离 心力的作用， 弯管外侧的压力都要大于弯管内侧， 盐泥 在刚进入弯道因为压力的作用， 外侧的速度要小于内侧， 但随着盐泥的流动， 离心力对盐泥速度的影响程度渐渐 要大于压力对速度的影响程度， 弯道外侧盐泥的速度也 慢慢大于内侧 。而且在盐泥流经弯头时， 湍动效应会越 来越强， 二次流也越来越明显， 出现明显的对称迪恩涡， 从弯头的入口 90°到 30°， 这种迪恩涡现象呈现出越来越 明显的趋势 。在 α=30°时， 二次流现象最为显著， 而且 迪恩涡也最对称和稳定， 这是因为盐泥在流经弯头的时 候会产生径向的压差， 而且压差越来越大， 弯头外侧的 压力要大于内侧， 盐泥在受到径向的压差之后， 就会沿 管壁两边向内侧流动， 当管壁两侧盐泥流体在管壁中间也就是管壁内侧相遇后， 盐泥并不会原路返回， 而是从 弯头内侧直接流向弯头外侧， 形成了对称的迪恩涡 。从 30°到 0°时， 因为弯头径向的压差开始减小， 二次流现象 逐渐减弱 。当盐泥从弯头出口流向弯管的出口时， 几乎 不存在径向的压差， 但是盐泥在径向上仍然会保持着迪 恩涡流动。

　　2.4 盐固相颗粒在弯管中运动的轨迹

　　盐泥颗粒在弯管中的运动轨迹如图 7 所示， 从图中 可以看出， 盐泥颗粒的速度趋势大体是和盐泥浆的流动 趋势是一致的 。盐泥颗粒在刚进入弯管弯头时开始出现 零星的碰撞， 在弯头的出口处颗粒与壁面的碰撞达到顶峰， 从图中可以看出有颗粒在与弯管弯头内壁碰撞一次 之后， 还会与壁面发生多次的碰撞， 由于多次碰撞的原 因， 盐泥颗粒轨迹在弯头出口段相较于入口段显得更加 紊乱。

　　2.5 盐泥对弯管的磨损

　　盐泥颗粒对管道的冲蚀磨损比较严重的地方都是在 弯管的外侧， 如图 8 所示， 这是因为由于离心力的作用， 盐泥颗粒总是与弯管的外壁首先发生碰撞 。而且碰撞程 度也是最激烈的。

　　按照盐泥流动方向的顺序， 每间隔 10°截取不同弯 管截面处的冲蚀量， 316 L 不锈钢的密度为 7 980 kg/m3. 借此可以计算出各截面盐泥颗粒对弯管内壁的冲蚀速率， 并将结果绘制成图， 如图 9 所示， 此外为直观理解单个 截面冲蚀的具体部位， 图 9 (k) 表示每个图的横坐标位置 。从图可知 α=70°开始， 各个截面外侧的冲蚀磨损程 度要显著地大于内侧， 这是由于离心力的作用， 盐泥颗 粒与弯头外壁碰撞的概率要远大于与弯头外壁的概率， 所以弯头外壁的磨损程度要大于内壁。

　　管道外侧的磨损程度会出现不同程度的波动， 这是 由于盐泥颗粒受到“二次流”和颗粒碰撞之后的反弹再 多次碰撞的作用 。从 90°到20°， 弯头的冲蚀磨损速率逐 渐增加， 在 α=20°左右的时候到达顶峰， 从 20°到 0°时候 冲蚀磨损速率有所减小。

　　图中 α=90°和 α=80°弯头的冲蚀磨损程度很小， 而且 入口处弯头外壁和内壁冲蚀磨损的对比效果没有其他截 面对比明显， 这是因为盐泥刚从直管管道进入弯头， 几 乎不会和壁面发生碰撞， 而且离心力的作用还不那么明 显， 弯头内壁和外壁的磨损程度几乎一致。

　　3 结束语

　　通过采用数值模拟软件， 对盐泥在水平弯管中流动 时流场分析， 进而研究盐泥对管道冲蚀磨损速率， 获得 如下重要结论。

　　( 1 ) 盐泥在流入弯头时， 由于离心力的作用， 造成 弯头径向存在压差， 弯头外侧压力大于弯头内侧压力， 盐泥受到径向压差的影响， 会向弯头内侧流动， 形成二 次流， 但是在弯头的后段， 离心力影响要强于径向压差 的影响， 弯头外侧盐泥的速度要大于内侧的速度。

　　( 2 ) 盐泥对弯头的磨损主要发生在弯头外侧， 其中 磨损最严重的部位在弯头的出口段， 重力对冲蚀最严重

　　部位也有影响， 在直管部位， 由于盐泥颗粒经过弯头并 与弯头发生碰撞反弹， 盐泥出口段直管的磨损速率要大 于盐泥入口段直管。

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