基于AnsysFluent及正交试验的90°弯管冲蚀影响因素分析

1、    基于ansysfluent及正交试验的90°弯管冲蚀影响因素分析    鲁剑啸摘       要：管道系统在物料运输过程中，受固体颗粒的冲蚀，常导致管道弯头失效。应用ansys fluent软件进行90°弯管冲蚀模拟，得出入口流速、颗粒质量流量、颗粒粒径、管道直径、弯径比均会影响90°弯管冲蚀率。采用正交试验方法分析得到冲蚀影响因素主次顺序为：入口流速>颗粒质量流量>弯径比>管道直径>颗粒粒径;通过方差分析得出，入口流速、颗粒质量流量对弯管冲蚀率的影响高

2、度显著，入口流速、颗粒质量流量、颗粒粒径间交互作用不显著。关  键  词：弯管;冲蚀率;交互作用;正交试验：tg 174.1       ： a       ： 1671-0460（2019）09-2102-05abstract： the pipe elbow is often damaged due to the erosion of solid particles during material transportation.the ansys fluent software was use

3、d to simulate the 90° elbow erosion.it was found that inlet velocity，particle mass flow rate， particle diameter， pipe diameter and ratio of bending radius to diameter all affected the erosion rate of 90° elbow.by orthogonal experiment， it was concluded that the primary and secondary order

4、factors of various erosion influencing factors were as follows： inlet velocity>particle mass flow rate> ratio of bending radius to diameter> pipe diameter>particle diameter. through the analysis of variance， it was concluded that the effect of inlet velocity and particle mass flow rate w

5、as significant， and the interaction between inlet velocity， particle mass flow rate and particle diameter was not significant.key words： elbow; erosion rate; interaction; orthogonal experiment管道系统在油品输送、油气田开发过程中应用广泛，但是在管道输送过程中，管道内的流动介质会对管道内壁不断冲刷腐蚀，弯头处流体流向的改变更是加剧了冲蚀破坏程度。国内外学者對弯头冲蚀进行了大量研究，彭文山等1研究颗粒流速、流

6、量及粒径大小对于弯管冲蚀率的影响，研究表明，在一定范围内，弯管最大冲蚀率随颗粒流速与颗粒流量的增加而增大，但并不完全随着颗粒粒径的增加而增大;孙宗琳2、许留云等3研究管道流速、颗粒质量流量、颗粒直径、弯径比对90°弯管的流场分布及磨损情况，研究表明，进口流速、颗粒直径、颗粒质量流量、弯径比的变化均会影响管道冲蚀率;徐磊4、梁光川5、胡炳涛6等研究流速、压力、管径、弯径比对弯头的冲蚀破坏，研究表明如上因素都会对管道的冲蚀破坏有影响;闫宏伟等7研究油气管道弯头影响因素，得到入口速度和质量流量对油气冲蚀率有正向促进作用。综上，以往研究大都为单因素模拟，没有考虑到不同因素对冲蚀率的影响程度，

7、且没有考虑到变量间交互作用对冲蚀率的影响。基于此，本文针对90°弯管进行液固两相流数值模拟研究，应用ansys fluent软件研究入口流速、颗粒直径、颗粒质量流量、弯径比、管道直径各种因素与弯管冲蚀率的关系， 采用正交试验方法分析各种因素对弯管冲蚀率影响程度的主次顺序。1  90°弯管冲蚀数值模拟1.1  物理模型根据输油管道系统管径规格表，选取公称直径d=50、65、80 mm，弯径比分别为1.5、2、2.5的90°弯管进行建模，为保证管内流体充分发展，取进出口长度l1=l2=12d，见图1所示。采用“古钱币”形式进行网格划分，见图2所示。

8、为简化计算，连续相介质取为水，离散相介质取为沙粒，入口类型设为速度入口，出口类型设为自由出流，连续相采用标准k-湍流模型，离散相采用dpm模型，dpm模型中冲蚀率公式8为：1.2  数值模拟结果分析1.2.1  流体速度对冲蚀率的影响在管道直径80 mm，弯管弯径比2.5，颗粒直径100m，颗粒质量流量为0.1、0.2、0.3 kg/s工况下，弯管入口流速分别为1、1.5、2、2.5、3 m/s时，得到流速与弯管冲蚀率的关系，见图3所示。由图3可知，进口流速增加时，弯管最大冲蚀率随之增加，并呈指数分布。保持进口流速不变，增大颗粒质量流量时，最大冲蚀率随之增加。1.2.2&#

9、160; 颗粒质量流量对冲蚀率的影响在管道直径80 mm，弯管弯径比2.5，颗粒直径50m，流体速度为1、1.5、2、2.5、3 m/s工况下，颗粒质量流量分别为0.1、2、0.3 kg/s时，得到颗粒质量流量与弯管冲蚀率的关系，见图4所示。由图4可知，颗粒质量流量增加时，冲蚀率随之增加，速度为1、1.5、2 m/s时，质量流量与冲蚀率的增长呈线性关系，速度为2.5、3 m/s时，质量流量与冲蚀率的增长呈指数关系。1.2.3  颗粒粒径对冲蚀率的影响在管道直径为80 mm，弯管弯径比为2.5，流体速度为1、1.5、2、2.5、3 m/s，颗粒直径为50、100、150 m工况下，得到

10、颗粒直径与弯管冲蚀率的关系，见图5所示。由图5可知，颗粒粒径不变，流速增加时，冲蚀率增加;流速不变，颗粒粒径增加时，冲蚀率发生变化，具体如下：颗粒质量流量为0.1 kg/s时，随颗粒粒径增加，冲蚀率随之减小;颗粒质量流量为0.2 kg/s时，随颗粒粒径增加，冲蚀率先减小后增大，颗粒粒径为100 m时，冲蚀率数值最小;颗粒质量流量为0.3 kg/s时，当流速v1.5 m/s时，随颗粒粒径增加，冲蚀率先减小后增大，v2 m/s时，随颗粒粒径增加，冲蚀率减小。由此可知，颗粒粒径、颗粒质量流量、流速三者间可能存在交互作用。1.2.4  管道弯径比对冲蚀率的影响在管道直径为80 mm，颗粒直径

11、为100m，颗粒质量流量0.1 kg/s，流体速度为1、1.5、2、2.5、3 m/s，弯径比为1.5、2、2.5工况下，得到弯径比与弯管冲蚀率的关系，见图6所示。由图6可知，随弯径比增加，冲蚀率呈现先减小后增大趋势，速度v2 m/s时，冲蚀率随弯径比变化较大，当v1.5 m/s时，冲蚀率随弯径比变化不大，当弯径比r/d=2时，冲蚀率得最小值;当管道弯径比不变时，随流速增加，冲蚀率随之增加。1.2.5  弯管直径对冲蚀率的影响在颗粒直径为100m，颗粒质量流量0.1 kg/s，弯径比为2，流体速度为1、1.5、2、2.5、3 m/s，弯管直径为50、65、80m工况下，得到管道直径与

12、弯管冲蚀率的关系，见图7所示。由图7可知，随管径增加，弯管冲蚀率呈现先增加后减小趋势，d =65m时，冲蚀率最大，d =80m时，冲蚀率最小。2  正交试验设计与讨论2.1  试验因素水平确定通过以上单因素模拟分析发现，90°弯管冲蚀率与入口流速a、颗粒质量流量b、颗粒粒径c、管道直径d、弯径比e直接相关，故本实验对如上因素进行正交设计，选取5因素3水平试验方案，见表1所示。考虑到ab、ac、bc间可能存在交互作用，根据正交实验设计原则，选择l27（313）表9-13比较合适，本实验正交表安排如表2所示，其中第10、12列为误差列，表2中没有显示。2.2 

13、; 正交试验结果分析根据表2的极差结果得出，试验各影响因素的主次顺序为a>b>ab1>ab2>e>d>c>bc1>bc2>ac2>ac1，即入口流速影响最大。因为交互作用较多，需通过方差分析来全面分析试验结果，见表3所示。从表3看出，因素a、b对试验结果的影响高度显著，交互作用对试验结果影响不显著。综上分析，在本实验条件下，试验较优组合取为a1b1c2d3e3，但较优组合没有在表3的试验中出现过，故根据较优组合进行模拟，模拟得到冲蚀率值为1.96×10-9 kg·m-2·s-1，见图8所示。3 

14、 结 论（1）不同因素变化对弯管冲蚀的影响效果不同，90°弯管冲蚀影响因素有：入口流速、颗粒质量流量、颗粒粒径、管道直径、弯径比;各影响因素的主次顺序为：入口流速>颗粒质量流量>弯径比>管道直径>颗粒粒径。（2）对于90°弯管冲蚀，分析了入口流速、颗粒质量流量、颗粒粒径间的交互作用，方差分果显示：交互作用不显著，不具有统计学意义。（3）试验条件下，本次试验设计最优组合为a1b1c2d3e3，模拟得到90°弯管的最大冲蚀率为1.96×10-9 kg·m-2·s-1。参考文献：1彭文山，曹学文. 固体颗粒对液/固两

15、相流弯管冲蚀作用分析j. 中国腐蚀与防护学报，2015，35（06）：556-562.2孙宗琳，邢振华，张孟昀，段鹏飞，吴玉国. 输油管道90°弯管冲蚀磨损数值模拟研究j. 辽宁石油化工大学学报，2018，38（02）：47-51.3许留云，胡泷艺，李翔. 90°弯管冲蚀磨损的数值模拟研究j. 当代化工，2016，45（09）：2240-2243.4徐磊. 基于ansys的输油管道弯头冲蚀分析与优化j. 油气田地面工程，2016，35（09）：6-9.5 梁光川，聂畅，刘奇，何莎，李明，陈定朝. 基于fluent的输油管道弯头冲蚀分析j. 腐蚀与防护，2013，34（09）

16、：822-824，830.6 胡炳涛，朱荣涛，李超永，王贤. 弯管冲蚀失效模拟研究及影响因素分析j. 常州大学学报（自然科学版），2019，31（02）：27-34.7 闫宏伟，崔子梓，焦彪彪，汪洋. 油气管道弯头冲蚀仿真研究及影响因素分析j. 热加工工艺，2018，47（06）：93-97，102.8 shan s n，jain s.coiled tubing erosion during hydraulic fracturing slurry flowj. wear，2008，264：279-290.9 杨锐，王建春，张咏梅，钱伟. 正交试验法优化妇舒保凝胶中大黄和虎杖的提取工艺j. 西北药学杂志，2013，28（4）：342-345.