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。     

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。     

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.     

新型气溶性射流喷嘴设计与数值模拟

针对传统高压水射流清洗耗水量大,能耗和运营费用高、清洗后的废液需要处理才能达到环保要求的缺陷,提出了新型射流清洗方式—气溶性射流.对新型气溶性射流喷嘴进行了结构设计,得到了喷嘴混合室直径、喉部直径、出口直径、收缩段长度以及扩张段长度等关键参数,并对新型喷嘴内外气液二相流场进行了深入计算与分析.结果表明,气液二相流雾滴在喷嘴轴线上速率随气流入口压力增大而增大,在喷嘴喉部速率变化率最大,在喷嘴出口处速率达到最大;当扩散角为10°时,射流扩散较慢,内部扰动和摩擦损失较小;当收缩角为30°时,气液二相流流动性较好,能量损失较小;粒径较小雾滴沿轴线方向速率变化较大,当喷射距离为35mm时,气液二相流雾滴速率达到最大值.     

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。     

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。     

低浓度多相流管道冲蚀磨损数值模拟

液固多相流冲蚀磨损会严重影响管道的使用寿命。以某输油管线设计为研究对象,运用Fluent软件中的Mixture-DPM双向耦合模型研究低浓度颗粒的油水多相流管道流场变化,分析集输管线整体冲蚀速率分布,得到了不同管件冲蚀磨损较严重的区域。为了进一步研究冲蚀磨损的影响因素,选取3种不同的入口流速及原油含水率进行综合对比分析,结果表明：不同管件的冲蚀磨损区域各不相同;90°弯管磨损区域主要集中在外拱壁面,三通管磨损区域主要位于下支管右壁面,渐缩管磨损区域主要位于喉部区域及出口处,盲三通在盲端1/3处形成小型旋涡,且磨损区域主要位于盲端与下支管相贯线区域以及下支管右壁面处;冲蚀速率随入口流速的增加呈指数型增长,指数系数为1.89;随原油含水率增加,冲蚀速率呈倒"U"形变化,当含水率为20%时,冲蚀速率达到最大值。     

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。     

弯管中气固两相流冲蚀模拟研究

以某含有固体杂质微粒的输气过程为研究背景,运用ANSYS-FLUENT软件中E/CRC冲蚀磨损模型,对输气管道中的90°弯管进行气-固两相流的模拟计算,讨论不同的气体速度、固体杂质微粒的质量流率以及固体杂质微粒的微粒粒径对弯管的冲蚀磨损的影响.分析结果表明:气体入口速度越大,90°弯管的冲蚀率越大;固体杂质微粒质量流率越大,90°弯管的冲蚀率越大;当微粒粒径小于某一临界值时,微粒粒径越大,冲蚀率减小,当微粒粒径大于这一临界值时,微粒粒径越大,冲蚀率越大.在工程应用中可用于气体运输管道的检测,节约检测成本,提高管道输气的安全性.     

冲蚀角度对Fe-2.5B耐锌液腐蚀性能的影响

将试样装夹在自制的预设一定冲蚀角度的转盘上进行锌液冲蚀试验,实现流动锌液对试样冲蚀表面0°、30°、60°和90°冲蚀角下的冲刷腐蚀。结果表明:在圆盘转速为70r/min,冲蚀时间为24h的条件下,Fe-2.5B合金(质量分数,%)的冲蚀率随冲蚀角度的增加而逐渐降低,并在高角度下呈现急剧降低的趋势;而316L不锈钢的冲蚀率在冲蚀角为30°时最大,冲蚀角为90°时最小,表现出典型韧性材料的冲蚀率特性。Fe-2.5B合金在流动锌液中的冲蚀率仅为316L不锈钢的33%~38%,其优异耐锌液冲蚀性能依赖于Fe-B合金中网状Fe2B相对流动锌液的阻挡效应。同时,一定韧性相基体的存在对Fe2B在冲蚀过程中起到支撑作用,进而表现出该合金中两相结构在锌液冲蚀中的"腐蚀协同效应"。此外,冲蚀角度的增加造成锌液流速在试样表面的切向冲刷分量弱化而法向冲击分量强化,这使得冲刷对最外层疏松ζ-FeZn13相的移除作用减弱。强的传质过程随冲蚀角度的增加不断弱化,从而使网络状组织结构的Fe-B合金在锌液中的冲蚀率明显降低。     

固液冲蚀作用下的四通流道设计及分析

在油气钻采过程中,为了提高压裂效率,部分井场会采用一种高压四通管汇连接装置。基于液固两相流和冲蚀磨损理论,建立了流道夹角分别为0°～14°在不同工况下的三维模型,利用fluent软件探究水力压裂下高压四通管的冲蚀磨损特性。结果表明：传统的直流道四通不论在何种工况下冲蚀集中区域都在四通交汇的相贯线上,随着角度增加,冲蚀集中区域由相贯线及附近壁面变为出口端圆柱面;通过对流体不同工况下的分析表明,不同的流道夹角下,流体冲蚀影响各不相同。单出口工况下,较小流道夹角有效的降低了冲蚀率,随着角度继续增加,管壁的最大冲蚀率平缓增长;双出口工况下,最大冲蚀率也会有效降低,但随着夹角继续增加至5°,最大冲蚀率不会继续降低,而呈现增长的趋势;三出口工况下四通,最大冲蚀率降低效果并不明显,且流道夹角由3°增加到14°,最大冲蚀率增长幅度很大。     

带盖板预旋系统流动与温降特性的数值模拟

为了研究带盖板预旋系统的流动与温降特性,对不同喷嘴角度和不同转速(工况)下的预旋结构模型进行了数值模拟。在相同进气条件下,研究了有无预旋结构和不同喷嘴角度下的盘腔流动与温降特性,分析了旋转雷诺数对系统流动情况和温降效果的影响。结果表明：预旋结构在盖板腔内产生的漩涡增强了盘腔的流动,相比于无预旋结构,其盖板腔压力和系统出口总温明显降低;随着喷嘴角度的增大,盘腔总温和静压均增大,温降效果变差;随着旋转雷系诺数的增大,无量纲质量流量增大,无量纲温降和总压损失系数均减小;预旋角由50°减少到30°时,系统无量纲温降增加了23.7%。     

临界CO2 传输中水合物对弯管冲蚀规律分析

管道输送超临界CO2过程中,受含汽量条件影响而形成的CO2固体水合物颗粒会对管壁造成冲蚀.研究水合物颗粒在不同条件下对弯管管壁的冲蚀规律对CO2的安全输送有重要意义.利用COMSOL Multiphysics软件分析超临界CO2输送管道的弯管段的固液两相流的流场规律,研究不同流速、不同粒径、不同弯曲角度下固体水合物对管壁的冲蚀规律.结果 表明,流动速度和粒子粒径的增加会使固体水合物对管壁的冲蚀更严重,使冲蚀区域的分布位置往弯管外侧管壁集中;弯管角度发生变化时,碰撞时粒子的入射方向与壁面的夹角发生改变,造成了冲蚀区域和程度的不同,直角弯管更易受到水合物粒子的冲蚀破坏.     

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。     

压裂工况下T型三通冲蚀影响数值模拟

研究水力压裂工况下T型三通的冲蚀。基于FLUENT内置的DPM模型探究流速、质量流量、粒子直径、进出口流通方式对T型三通冲蚀的影响。结果表明：内部流速与冲蚀率的变化关系呈现幂函数关系,且曲线中存在冲蚀影响临界流速。液体流速小于临界流速,流速的增加引起冲蚀程度增加较不明显,当流速超过临界流速,引起冲蚀率的急剧增加。支撑剂颗粒粒径与冲蚀率的变化关系呈正相关。汇流状态下的冲蚀率最大,分流状态下的冲蚀率最小。汇流状态下的冲蚀率最大是分流状态下的30.7倍;既不分流也不汇流状态下的最大冲蚀率可以达到了分流状态的冲蚀率的5.4倍。     

燃气轮机双燃料喷嘴燃油内流场特性仿真分析

作为燃气轮机中的重要部件,喷嘴内部结构直接决定了燃油燃烧和动力输出效率,设计喷嘴结构并开展喷嘴中内流场特性仿真分析成为新型燃气轮机开发的研究重点。使用Solidworks软件对双燃料喷嘴结构进行设计,并对其燃油流道进行数值模拟。利用Fluent软件先对喷嘴燃油的整体内流场进行数值k-epsilon模拟,再使用流体容积法（VOF）方法对喷嘴燃油的核心流道进行数值模拟,研究喷嘴燃油流道的特性。结果显示燃油流道的质量流量、进口流速和核心流道进口流速随着进口压力的增大而增大;雾化锥角会随着进口压力的增加而增大,且当进口压力超过0.5 MPa时,雾化锥角最终会稳定在110°左右;同时结合相关实验数据与仿真数据进行对比。本文的仿真研究为燃气轮机喷嘴的结构改进提供了依据。     

铝合金上热沉积氧化铝–二氧化钛涂层的固体颗粒冲蚀研究

Thermal barrier coatings are widely used as surface modifications to enhance the surface properties of the material and protect from surface degradations such as erosion and corrosion. Ceramic-based coatings are highly recommended to increase wear resistance in the industrial sector. In this paper, an alumina–titania ceramic powder was deposited on an aluminum alloy using an atmospheric plasma spray technique. Experimental investigations were performed to study the behavior and erosion rate of the material. Solid particle erosion studies were performed by varying the particle velocity and particle flow rate. The angle impingement and stand-off distance were constant for comparison. The base metal has a clinging effect and the mass change was negative at a maximum particle flow rate of 4 g·min?1. Under the same process conditions, the coated sample had a reduced lifetime and reached a maximum erosion rate of 0.052 (Δg/g). The solid particle erosion studies confirmed that the base metal aluminum alloy had severe surface damage with erodent reinforcement when compared to the coated samples. The influence of the particle velocity, particle flow rate, and input process parameters were also identified.