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。     

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。     

固体颗粒对射流偏转板伺服阀前置级冲蚀磨损的影响

针对射流偏转板伺服阀油液中的颗粒在高速射流时对其前置级产生冲蚀磨损的问题,将计算流体动力学和冲蚀磨损理论相结合,对射流偏转板伺服阀前置级进行了数值计算.模拟前置级油液的流动及固体颗粒的运动轨迹,计算了不同直径颗粒的最大运动速度及对前置级冲蚀磨损率的影响,分析了不同偏转板位移、V形导流窗口夹角以及不同偏转板厚度与前置级冲蚀磨损率的关系.结果表明:固体颗粒主要对劈尖冲击发生冲蚀磨损,油液中固体颗粒的直径越大其运动速度越小,但较大直径颗粒对前置级的冲蚀磨损较大;偏转板位移、V形导流窗口夹角以及偏转板厚度增大时前置级冲蚀磨损率减小.     

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。     

烟气横掠螺旋槽管束磨损特性的数值模拟

为探究烟气中固体颗粒对螺旋槽管束的磨损行为,应用离散相模型对烟气横掠顺列螺旋槽管束进行气固两相流动的数值模拟,并通过用户自定义函数引入新的磨损计算模型.分析了飞灰颗粒对光管和螺旋槽管磨损的差异以及烟气流速、粒径、横向/纵向管距和螺距、槽深等因素对螺旋槽管磨损的影响.结果表明:相同工况下,螺旋槽管管束磨损率比光管管束小10%左右;磨损率随烟气流速、颗粒直径、纵向管距的增大而增大;小粒径颗粒(dp=25μm)最大磨损位置发生在圆心角30°左右,较大粒径颗粒最大磨损位置发生在圆心角40°左右;磨损率随横向管距、螺距、槽深的增大而减小;槽深对螺旋槽管磨损率的影响远低于螺距的影响.     

固液两相流粒子冲蚀钻头内流道磨损

针对固液两相流粒子冲蚀钻头内流道磨损机制,应用固液两相流离散相模型(discrete phase model,DPM),建立钻头内流道冲蚀磨损的物理模型,获得粒子参数对内流道磨损的影响规律,并进行室内实验,验证DPM模型的有效性。研究结果表明:粒子对钻头内流道冲蚀磨损主要分布在内流道收缩面,越靠近钻头中心轴线,磨损率越大;随粒子入口速度的增大,内流道平均磨损率增大;随粒子直径的增大,内流道平均磨损率先减小后增大,最后趋于稳定,当直径为2.0 mm时平均磨损率最小;随粒子体积分数的增大,内流道平均磨损率近似呈直线增加;当粒子入口角度为50°时,内流道平均磨损率最大;压力对于内流道磨损影响较小;进行100 h磨损实验后,钻头内流道的磨损率减小了0.80%。     

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。     

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。     

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型管区域存在偏流；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·m-3 时，颗粒直径为100μm时，最大冲蚀速率为0.21 mm·a-1；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。     

反循环钻进中水龙头弯管磨损数值模拟

针对反循环钻进中水龙头弯管磨损失效问题,应用计算流体动力学方法对水龙头弯管内气固两相流场进行数值模拟,研究弯管内岩屑颗粒的运动轨迹及壁面磨损分布,并进一步分析岩屑特性对壁面磨损的影响.研究结果表明:气固两相流经过弯管时,岩屑与壁面在弯管30°,90°和150°转角位置存在碰撞集中区,对应形成3个壁面磨损区,其中30°转角位置磨损最严重,形成刺漏点;此外,岩屑颗粒特性对弯管磨损存在影响,随颗粒速度或质量流量的增大,弯管磨损速率显著增大;随颗粒直径增大,磨损速率先增大后减小;颗粒密度对弯管磨损影响不明显.