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输气管道中节流阀冲蚀数值模拟_论文

第3 2 卷第 9 期 ( 2 0 1 3 . 0 9 )( 试验 研 究)   输气管道中节流阀冲蚀数值模拟  梁光川 ’   聂畅  刘奇 ’   赵剑  陈晓春  1西 南 石油 大学 石油 工程 学 院 2 青 岛泰 能燃 气集 团有 限公 司  摘要 :在输气管线 中,不可避免会含 有一些 固体 杂质颗粒,且输气管道 中气体流速快 ,高   速 的 气体携 带 固体 颗 粒对 管 壁 不 断 冲击 ,更 易造 成 管道 的冲蚀 。特 别是 在 节 流 阀处 , 由于 阀 口   流通 截 面积 减 小 ,速度 、压 力 和 固体 颗 粒 的 流动轨 迹 发 生改 变 ,常 产 生较 严 重 的 冲蚀 现 象 。通  过F L UE N T 软件 ,从流体 力学的角度进行数值模拟分析 ,采用有限体积法建立数学模型 ,对输  气 管线 中节流 阀的 冲蚀 现 象进 行 了数 值模 拟研 究 ,验 证 了节 流 阀 中较 易发 生 冲蚀 的 部 位 。对 节  流 阀在 不 同条 件 下 的 平均 冲蚀 速 率进 行 分析 得 出 :节 流 阀的 平均 冲蚀 速 率 随 流体 进 口速 度 、压  力 、颗 粒 直径 、颗 粒含 量 的增加 而 增 大。   关键 词 :输 气管 线 ;节 流 阀 ;冲蚀 ;数值 模拟  d o i : 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 6 — 6 8 9 6 . 2 0 1 3 . 9 . 0 2 2   冲蚀 是 指流体 或 固体 粒 子 以一定 的速度 和角 度  对材 料 表 面 进行 冲击 所 造 成 材料 表 面 流 失 的现 象 。   f 为时问 ( S ) ;   (   1 , 2 , 3 ) 为 三个 方 向 ; G   为平  均 速 度梯 度 引起 的湍 动 能 ( N / ( m   ? S ) ) ; G  为 浮 力  在输气过程中,不可避免会含有一些 固体杂质 ,且  影 响 引起 的 湍动 能 ( N / ( m   ? S ) ) ;   为可 压缩 湍 流  输气管道 中气体流速快 ,高速 的气体携带固体颗粒  脉 动 膨 胀 对 总 的 耗 散 率 的 影 响 ( k g / ( m? S 。 ) );   2   对 管壁 不 断 冲击 ,比其 他 管 道更 易 造 成 冲蚀 现 象 。   =  +  ,,   , =l 0   ;口   、   为 湍 动 能 和 耗  特别 是在 节流 阀处 , 由于阀 L I 流 通截 面积 减小 ,速  源 项 ,代  度 、压力 和 固体颗 粒 的 流动轨 迹 发生 改 变 ,常常 是  散 率 的有 效 普 朗特 数 的倒 数 ; R 为  Ⅱ 表平 均应 变率 对 e 的影 响 ; C 】   : 1 . 4 2 ;C  = 1 . 6 8 。   发生 冲蚀 较严 重 的部位 u  。   基 于 流体 动 力学 的基 本理 论 ,利 用 F L U E N T软  件 对输 气 管线 中节 流 阀 的冲蚀 现象 进行 了数值 模 拟  研 究 ,验 证 了节流 阀 中较 易发 生 冲蚀 的部 位 ,分 析  了人 g l 速度 、入 口压力 、颗粒 质量 流量 及 颗粒 直 径  在壁 面监 视颗 粒 的冲蚀 情况 ,冲蚀速 率定 义 为  R   …。  =   :  …   —= p —l   — 丁 —  一 m p C ( 4) f ( a ) v  ̄ ) n f a c e   ( 3 )   式中 C (  ) 为 颗粒 直径 的 函数 ;   为颗 粒 对 壁  等 不 同因素 对节 流 阀 冲蚀 速 率 的影 响 。   面的冲击角 ( 侵入角 ) ;f ( a ) 为侵入角 的函数 ;   为颗粒相对于壁面 的速度 ; b ( v ) 为相对速度的函数 。   1 . 2 几何 模型  1 模 型 的建 立  1 . 1   数 学 模型  选 取管 径 为 6 0 0   m m 的 某 输 气 管 路 , 开 度 为  采用离散相模型 ,在欧拉坐标系下求解流体相  2 0 %的节 流 阀进 行建 模 ,模 型 由三 部分 组 成 ,分 别  的运动 方程 ,在拉 格 朗 日坐 标 系下 求解 颗 粒相 的运  为进 口段 、节 流段 、出 口段 。进 口段 和 出 口段 长 度  动 方程 。采用 重组 化 群 t e 一£ 模 型 ,其 湍动 能及 耗  分 别 为 5 和8   m。对 建 立 的模 型进 行 网格 划 分 ,对  散率 输运 方 程为  节 流段 及靠 近节 流段 的部 位进 行 网格 的细化 。   +  2   数值模 拟   , 。   冰脚 ) ,   扑 I ’  ( ㈩ 1 )   = G + Gb—1 0 £一 yM  +  = 2 . 1   边 界 条件和 计 算方法  对模 型设 置  种 边界 类 型 :进 口设 置 为速 度人  球 斟  。   p   +   口边 界 ;出 口设 置 为压力 出 口边 界 ;管壁设 置 为壁  面 边界 。设 置 速 度人 口的湍 流 强 度 为 1 %,水力 直  径为 0 . 6   m。 设 置 颗 粒 相 为 惯 性 颗 粒 , 密 度 为  1   专 ( G   + C 3   G b ) 一 尺   式 中 尼为单 位 质量 湍 动 能 ( m   / s   ) ; e为 单 位  质量湍 动能耗散 率 ( m   / s 。 ) ;1 0 为流体 密度 ( k g / m 。 ) ;   3   0 0 0   k g / m   ,射 流源 类 型 为 面射 流 源 。选择 两 相 耦  合计 算 ,采用 有 限体 积法 ,通 过 S I MP L E算 法 求

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