加热炉管内液固两相流固体颗粒冲蚀规律分析

横管跑道型结构炉管是煤焦油加热炉中的重要部件,煤焦油中携带的固体颗粒会对弯头管壁造成冲蚀,研究在不同条件下弯头管道处的冲蚀规律对安全生产具有重要意义。利用FLUENT软件模拟炉管弯管处液固两相流流动规律,分析在不同质量流、流速、温度、颗粒直径下固体颗粒对管壁的冲蚀规律。结果表明,弯管整体部分会产生断断续续区域性的冲蚀,其中最严重的部分发生在弯管中间处。流体的颗粒质量流量、速度、温度及颗粒直径的增大均会增大管壁处的最大冲蚀率,质量流量、流体速度与冲蚀速率之间呈二次函数关系,质量流量增加到0.11 kg/s后会对冲蚀率产生一定的抑制作用;流体速度对冲蚀率影响最大。流体的温度在20～50℃内,温度升高改变流体黏度系数成为冲蚀率增加的主要因素,在50～60℃,颗粒动能与流体黏度的耦合作用是导致最大冲蚀率减小的主要因素。当颗粒直径在50～200μm,冲蚀速率随着颗粒直径增大增加较慢。研究结果对于预测加热炉炉管冲蚀情况、预测最大冲蚀位置、适当增加炉管壁厚、提高炉管使用年限具有重要的参考意义。     

水力喷射工具外壁反溅冲蚀数值分析

水力射孔技术利用高速含颗粒两相流的冲蚀作用对目标壁面打孔或切割作业,在射孔过程中高速两相流会反溅至工具外壁引起冲蚀破坏,严重时会使工具失效。本文利用欧拉-拉格朗日模型计算高速颗粒喷射反弹后的运动状态,得到水力射孔工具外壁的反溅冲蚀速率及区域,得到颗粒的反溅运动规律及反溅冲蚀的主要影响因素。计算结果显示随着射孔孔深的变化,颗粒反溅撞击速度和角度发生改变;随射孔深度增加反溅冲蚀速率降低,而反溅冲蚀区域增大;反溅冲蚀速率会随着喷射速度增大而增加,而反溅冲蚀区域基本不受喷射速度影响。因此,反溅冲蚀速率主要受射孔液喷射速度影响,而反溅冲蚀区域主要受射孔深度影响。     

气固混合流对集输管道弯管的冲蚀模拟

针对含砂天然气对长输管道弯头处的冲蚀现象,以90°弯管为例,运用单向耦合冲蚀模型及控制变量法分析颗粒质量流率、流体进口流速、颗粒粒径及重力场对弯管的冲蚀作用,结果表明：在非重力场中,弯管的冲蚀区域主要集中在拐角大弧面区,且呈椭圆形分布;随颗粒质量流率的增加,最大冲蚀速率拟合曲线呈线性正相关;随流体进口流速的增加,最大冲蚀速率拟合曲线呈非线性指数相关,指数系数为0.305 8;随颗粒粒径的增加,最大冲蚀速率呈先减小后增大再减小的变化趋势;相同条件下,在重力场中弯管的冲蚀集中区域与非重力场相同,但最大冲蚀速率明显增大,且冲蚀区域发生变化;当重力为沿出口法向正向时,冲蚀区域由椭圆形变为圆形,并伴有二次冲蚀集中现象,当重力为沿出口法向反向时,冲蚀区域由椭圆形变为三角锥形。     

渐缩型气动喷砂喷嘴冲蚀模拟分析

为研究气动喷砂枪喷嘴喷射颗粒对自身造成的冲蚀磨损情况,通过选取渐缩型气动喷砂喷嘴为研究对象,运用CFD软件对其内部流场及颗粒运动特性进行模拟分析;通过改变收缩角度、颗粒粒径及颗粒质量流率进一步分析影响喷嘴冲蚀速率变化的规律。结果表明:喷嘴的冲蚀区域主要集中在收缩段及收缩段与出口段交界面处;以收缩角度为30°、45°、60°的喷嘴为例,随收缩角度的增加,冲蚀区域出现"逆向发展";随颗粒粒径的增加,喷嘴最大冲蚀速率呈现先下降后上升的"U"形变化趋势,且其最低点所对应的粒径与收缩角度成反比;随颗粒质量流率的增加,喷嘴最大冲蚀速率呈上升趋势,但并未呈现线性关系。     

基于数值模拟的水下发球管汇系统流动与冲蚀

水下发球系统具有作业成本低、无需长时间停井的优势,应用前景广泛。发球管汇系统管道结构复杂,管道内流场变化规律不清,出砂现象严重,在发球过程中会出现高流速,易发生冲蚀。基于某水下发球管汇系统,应用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)的方法进行流场计算及冲蚀分析。结果表明,管内流速分布不均,弯管与T形管区域存在偏流;气液两相分布较为均一,但在竖直管段存在积液。对比冲蚀模型的计算结果,发现Generic与DNV模型计算结果相对准确;颗粒冲蚀速率较大的位置主要分布在含液区域或气液界面处,且竖直管段的冲蚀速率比水平管段更大;当颗粒含量为10×10^-6 kg/m³时,颗粒直径为100μm时,最大冲蚀速率为0.21 mm/a;最大冲蚀速率随着砂颗粒含量的增大、含砂量的增大而增大;且随着砂粒直径的增大,冲蚀区域愈趋向集中。管内流速高,长时间运行时冲蚀现象严重,需加强关键冲蚀区域的防护措施,提高腐蚀裕量,以保障管汇系统的安全运行。     

重晶石对金属表面冲蚀作用研究

采用高速旋转冲蚀的方法评价了重晶石对金属表面的冲蚀效果,考查了剪切速度、剪切时间以及加重剂含量对冲蚀速率的影响规律。利用粒度分析仪、扫描电镜以及表面形貌仪研究了重晶石对金属表面的冲蚀作用机理。研究发现,冲蚀速率受冲蚀流速、作用时间、重晶石粒径大小及其含量的影响明显,冲蚀时间越短、流速越大、重晶石粒径越大、重晶石含量越高,冲蚀速率越高。     

通海截止阀冲刷腐蚀的数值模拟及优化

为了对阀门的冲蚀速率及整体的冲蚀分布进行优化研究,采用ICEM CFD流体分析软件对型号为DN125的阀门及其改进模型内流场进行了数值模拟分析。通过对比结果表明,改进后模型阀芯处最大冲蚀速率下降了60%,平均冲蚀速率下降了67%。改进后的模型能够有效提高阀门的抗冲刷腐蚀特性,同时通过分析结果表明,改进后的模型冲蚀速率的减小与粒子速度的降低有关。     

渣浆泵内固相颗粒冲蚀特性的数值模拟

应用雷诺涡粘模型(液相)、离散相流动模型(固相)和压力耦合流场计算法,对渣浆泵全流道内固液两相湍流场的固相颗粒的冲蚀行为进行数值模拟.研究泵转速、固相粒径和叶片参数对颗粒冲蚀特性的影响.研究结果表明:随着泵转速的提高或者粒径的增大,颗粒冲击叶片表面的位置逐步移向叶片的头部,颗粒的冲击速度和冲击角度随之增大;不同叶片参数的叶轮对固相颗粒的冲蚀行为影响明显;数值模拟的研究成果可应用于抗冲蚀磨损叶轮的设计.     

基于DDPM模型的高压管汇冲蚀磨损数值模拟

为探究考虑颗粒间相互作用的高压管汇冲蚀磨损机理,通过计算流体力学方法研究了高压管汇固液两相流的速度、压力、湍动能和湍流耗散率,通过正交试验设计25组仿真,对比分析DDPM模型和DPM模型的数值模拟结果,得到工况参数、空间夹角、颗粒特性对高压管汇冲蚀速率的影响规律。结果表明：在用CFD方法对高压管汇进行冲蚀磨损数值模拟时,DDPM模型对高压管汇岐型三通冲蚀磨损的预测精度好于DPM模型;空间夹角在60°～90°时,最大冲蚀集中在三通相贯线和相贯线两侧面;空间夹角在30°～45°时,最大冲蚀集中在三通相贯线处;随着颗粒形状系数减小,流速4 m/s到12 m/s,冲蚀速率逐渐增大,最大冲蚀速率变大1.4倍,并在流速最大时达到峰值;结论可为高压管汇结构优化和剩余服役寿命预测提供理论支撑。     

冲蚀角度和弯头几何尺寸对冲蚀磨损的影响研究

为了更深入研究输气管道中重点管件——弯头的气固两相流问题,弄清固体颗粒运动轨迹与冲蚀磨损之间的关系,根据相似性原理搭建了模拟试验平台。采用k-ε双方程模型建立相应的气固两相流仿真模型,并将仿真结果同试验结果进行对比,验证了仿真模拟的正确性。在此基础之上,详细进行了固体颗粒的入射角度和弯头的几何尺寸对冲蚀磨损的影响研究。结果表明,冲蚀的入射角度对弯头的冲蚀磨损情况有很大影响。当入射角偏向弯头内管壁时,最大冲蚀率随着入射角的增大而增大。当入射角偏向外侧管壁时,入射角为15°时弯头的最大冲蚀率最大。另外,通过改变弯头的曲率半径和外形,都可以减小弯头的最大冲蚀磨损速率。     

1Cr9Mo钢高速气-固两相流冲蚀磨损

采用自制的激波驱动气-固两相流冲蚀磨损试验装置,选取SiO2、Al2O3和SiC颗粒,对煤化工常用材料1Cr9Mo钢进行高速气-固两相流冲蚀磨损试验研究.结合试件表面冲蚀磨损形貌,分析冲击速度、冲击角度、颗粒硬度、颗粒粒径、试件温度等因素对材料的冲蚀磨损率的影响.结果表明:在20 ℃和400℃下,1Cr9Mo钢的最大冲蚀磨损率均出现在15°～25°的冲蚀角之间,体现出典型塑性材料的冲蚀磨损特征;低角度冲蚀时磨损机理以颗粒的切削作用为主,高角度冲蚀时颗粒垂直撞击材料表面产生凹坑并致使凹坑周围的片状物碎屑从材料表面剥离;试件冲击速度指数在2.3 ～3.2范围内,磨损率受颗粒硬度影响较大;在相同冲蚀条件下,硬度较高的Al2O3和SiC颗粒对试件的磨损率比SiO2颗粒高一个数量级;磨损率随颗粒粒径的增大呈现先递增后下降的趋势;在400℃时SiO2颗粒对试件的冲蚀磨损率明显提高,磨损率最大值约为20℃时的3倍.     

页岩气压裂三通管汇冲蚀磨损分析

为了探索在页岩气水力压裂作业中,压裂液对四种夹角三通管汇的冲蚀与磨损规律,基于固液两相流模型、颗粒轨迹模型和冲蚀速率模型,在Fluent中对30°、45°、60°和90°4种角度的三通管汇构建了冲蚀磨损模型。并根据不同的流体速度、颗粒质量流量、直径和压裂液黏度进行数值模拟仿真,总结三通管汇在各因素综合下的冲蚀磨损规律。结果表明：管汇的最大冲蚀率随流速的增大呈幂函数增长;管汇冲蚀率与质量流量的增大近似呈线性增长;在颗粒直径大于临界值时,管汇冲蚀率显著变大;管汇冲蚀率随着压裂液黏度的增加而缓慢减小,并随着其继续增大而趋于平缓。因此为减小管汇冲蚀磨损量,可以适当减小质量流量,选用0.001 5 Pa·s黏度左右的压裂液、450μm左右颗粒直径的支撑剂和30°夹角的三通管汇。结果可为三通管汇的选型、断裂以及失效提供一定的参考依据。     

冲击角度和喷射速度对超级13Cr油管冲蚀速率影响实验研究

利用自制的喷射式冲蚀实验装置,在胍胶压裂液与40/70目石英砂混合形成的液固两相流体中,研究了冲击角度和喷射速度对超级13Cr油管冲蚀速率的影响。采用扫描电镜分析了冲击角度和喷射速度对超级13Cr油管的冲蚀形貌的影响。实验结果表明,超级13Cr油管冲蚀速率随喷射速度的增大呈幂率关系增长。冲击角度为30°时超级13Cr油管的冲蚀速率最大,但幂指数较小;冲击角度为45°时,冲蚀速率居中,但幂指数最大;而冲击角度为90°时,冲蚀速率最低,幂指数最小。扫描电镜分析结果表明,在较小的冲击角度和较高的喷射速度下,石英砂颗粒对超级13Cr油管表面产生了较深的切削犁沟。而在较大的冲击角度和较高的喷射速度下,超级13Cr油管表面产生微裂纹,主要损伤机理为冲击锻打造成的材料挤压成片脱落。     

稠油输送管道90°弯管的冲蚀模拟分析

为了研究重质稠油内砂粒对弯管的冲蚀作用,以90°弯管为研究对象,运用计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）软件建立液固耦合的离散相冲蚀模型（discrete phase model,DPM）,利用SIMPLEC算法计算得到不同温度、砂粒粒径及质量流率下重质稠油输送管道弯管处冲蚀速率的变化规律。结果表明,同一流动状态下,随着温度升高,重质稠油的黏度及90°弯管的冲蚀速率皆呈指数递减趋势,最大冲蚀点出现在弯管90°方向线与侧壁面中线交点处;湍流流态下,90°弯管的冲蚀速率随砂粒粒径的增大而减小,稠油的黏性力对大粒径砂粒的束缚作用明显,冲蚀速率较低;湍流流态下,冲蚀速率随砂粒质量流率增加而增大,近壁面处砂粒与稠油间形成的黏性微团层对质量流率增加所引起的冲蚀具有一定缓解作用。     

岩石结构对碎屑岩储层弹性参数影响的数值研究

结合岩石颗粒粒径分布,通过过程模拟法构建3维数字岩心,利用有限元方法研究了岩石颗粒尺寸比、颗粒大小以及颗粒分选性对岩石弹性特性的影响.结果表明岩石颗粒的大小、分选性均会对岩石的物性以及孔隙结构产生影响,引起岩石弹性模量和纵横波速度的变化.颗粒尺寸比对岩石弹性的影响是非线性的,随着大颗粒含量的增大,岩石体积模量先增大至最大值,然后再减小至趋于不变,随着颗粒尺寸比的变大,大颗粒含量对岩石弹性模量的影响增强.粒径对饱和水岩石弹性的影响弱于对干岩石的,并且粒径越小,岩石体积模量对孔隙流体的变化越敏感.随颗粒分选性变差,岩石体积模量和剪切模量及纵横波速度变大.     

固-液两相流充填管道输送冲蚀磨损数值研究

 为探究充填管道在输送过程中的冲蚀磨损机理, 基于工程流体力学理论及颗粒输送力学模型, 引入离散颗粒轨道模型、塑性冲蚀磨损模型, 对某矿山复杂充填管路条件下浆体特性对管道冲蚀磨损影响进行研究。结果表明, 浆体流速、黏度以及颗粒尺寸对管道冲蚀磨损影响显著, 颗粒形状影响较弱。高流速下, 弯管磨损最为严重, 直管段磨损较轻且分布较为均匀, 流速降低, 主要磨损部位偏向弯管出口部位;弯管部位最大磨损值在15°~30°以及60°~75°之间;此外, 粒径较小时, 磨损严重程度随粒径增加而增大, 粒径达到600 μm 后, 最大磨损值随粒径增加呈现下降趋势。     

堆石料强度的缩尺效应试验研究

在超大型和大型三轴仪上开展了级配缩尺后不同最大粒径堆石料的强度试验,研究了强度的缩尺效应.试验结果表明:随着最大粒径的增大,强度指标c增大、(φ)变小,非线性强度指标(φ)0变大、△(φ)变大.颗粒破碎是强度随着最大粒径变化的主要原因之一.同等应力条件下,颗粒破碎率随着最大粒径的增大而增大;当应力较小时,不同最大粒径堆...     

受限颗粒体对运动副摩擦力-速度关系的影响研究

在运动过程中受粉尘、碎屑等颗粒的影响，运动副动力学特性会产生复杂变化。针对此类问题，文章开展了弹簧-滑块-传送带摩擦实验，通过将二氧化硅、金刚石、氧化铁等受限颗粒体引入铝质滑块-橡胶传送带，探究摩擦力-速度关系、摩擦非线性-速度关系的变化。研究发现：不同载荷、颗粒材料、颗粒粒径对速度摩擦力-速度等关系会产生不同影响；随着载荷增加，滑块的摩擦力均值和标准差随之增大；加入二氧化硅颗粒后，摩擦力均值呈现减小趋势，摩擦力标准差呈现先减小后增大的趋势；加入金刚石、氧化铁颗粒后，摩擦力均值呈现增大趋势，摩擦力标准差呈现减小的趋势；随着粒径的增大，滑块受到的平均摩擦力及标准差呈现增大的趋势。该研究对含受限颗粒体的运动副的动力学特性有一定的指导意义。     

颗粒粒径对三氮硝化-反硝化影响特征研究

为了探索自然条件下毫米级砂颗粒粒径大小对三氮硝化反硝化的影响,分别用细砂、中砂和粗砂进行了室内静态实验,分析了粒径对氮硝化反硝化的影响规律。结果发现:三氮的硝化反硝化能力与介质颗粒粒径大小有关。随着颗粒粒径的增大,硝化反应开始时间越早、持续时间越长和反应速率越快;对应的氮浓度变化幅度越大,表现为氨氮去除率增高和硝氮积累率增大。而且反硝化反应持续时间和反硝化速率也会随着颗粒粒径的增大而增加。该规律对自然条件下不同粒径的含水系统对氮的自净能力的大小有一定的指导意义。     

川南页岩气开采中分离器排污系统的冲蚀分析及改进方案

在页岩气开采过程中,井里采出的页岩气会携带大量的砂粒等杂质,在经过分离器气液分离之后,底部携砂污水在高压驱动下,会使高速流动的砂粒对排污阀造成严重的冲蚀。针对该问题,以川南长宁地区生产井为例,建立相应计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)模型,基于ANSYS Fluent求解器,针对不同压力、砂质量流量和颗粒特性条件下,对排污阀的冲蚀情况进行模拟分析。模拟结果表明：分离器运行压力越大,砂量质量流量越大,冲蚀速率及年冲蚀厚度逐渐增大,并呈现线性相关关系;颗粒形状系数越小,砂粒粒径越大,冲蚀速率以及年冲蚀厚度急剧增大;运行压力为1.5～5.5 MPa时,年冲蚀厚度为8.6～76.1 mm,根据行业标准得知目前的排污系统存在快速减薄穿孔现象。为此提出了一种新型的排污系统改进方案,并对该方案进行验证模拟分析。模拟结果表明,当排污管内流速为12 m/s时,排污阀最大冲蚀速率为4.53×10^-5 kg/(s·m²),折算成年冲蚀厚度为0.9 mm,相较于未改进的排污系统,缓蚀率可达99.7%以上。