Page 44 - 《摩擦学学报》2020年第6期

第 6 期 乔小溪, 等: 固-液两相流黑水管道冲蚀磨损的数值模拟研究 727

煤炭是我国重要的消耗能源，煤炭的清洁高效利 1 数值模拟
用是国家重大需求. 煤气化作为煤炭能源清洁高效利
1.1 几何模型
用的核心技术 [1-5] ，其黑水处理系统是煤气化工艺中不
以某煤气化黑水处理系统的中压闪蒸罐至低压
可或缺的重要环节，但由于黑水处理系统管道中流动
闪蒸罐段管线为研究对象，其固-液两相流体域三维
介质高含固体颗粒和腐蚀介质，且工作在高温、高压
模型和尺寸如图1所示(其中D=250 mm). 由于管线为
差环境中，极易受到腐蚀和冲蚀磨损而失效. 管道的
对称结构，因此只对管线一侧管道进行编号. 其中，管
失效会造成煤化工系统非计划停车事故，给企业带来
道2号、7号和9号均为90°弯管，4号管道为等径三通
巨大的安全隐患和经济损失.
冲蚀磨损的研究可采用试验测试 [6-12] 和数值仿真 管，5号管道为变径管，1号、6号和10号为水平等径管，
[10]
等方法 [13-19] . Elemuren等 试验研究了钾肥泥浆中颗 3号和8号为竖直等径管.

粒浓度对90°输送弯管内表面的粗糙度、质量损失和
Outlet
硬度的影响规律，结果显示，冲蚀后弯管入口表面的
粗糙度大于中间和出口表面粗糙度；弯管的质量损失 4D
90° D Outlet
[11]
和出口的硬度均随浓度增加而增加. Mazumder等 试 9 # 10 #
0° r9=3D
验研究了垂直-水平(V-H)和水平-水平(H-H)布置铝制
弯管的冲蚀特性，其冲蚀程度采用质量损失和厚度损 8 # 4D
4D
失进行表征，结果显示V-H弯管冲蚀程度在H-H弯管 4 # 5 # r7=3D 90°
6 #
3D
[12]
的两倍之上. Vieira等 研究也显示V-H弯管的质量损 8D 7 #
失是H-H弯管的7.5倍.
随着计算机技术的发展，数值仿真广泛受到研究 3 # 16D
[16]
者的青睐. Kannojiya等 针对多相流泥浆引起的管道
X
冲蚀磨问题，仿真分析了流体速度、颗粒直径及固体 r2=6D 90°
[17]
浓度对管道冲蚀速率的影响规律. Wang等 仿真研究 0° 2 # Z Y
1 #
显示，石油输送弯管存在两处严重冲蚀位置，且弯管 Inlet 2D
2D
布置方式和颗粒尺寸均会明显改变弯管的冲蚀严重
Fig. 1 The Schematic diagram of 3D fluid domain
[18]
位置. Farokhipour等 仿真分析了标准弯管和含盲通 图 1 仿真流域三维示意图
结构的三通管中含颗粒流体的流动和冲蚀特性，结果
#
显示，与标准弯管相比盲通三通管在抗冲蚀方面更具 管道材料采用20 碳钢，内部介质为黑水，其固-液
[19]
有优势. Zhang等 利用CFD方法研究了含硫颗粒对 两相分别为煤粉颗粒和黑水清液. 黑水介质的材料属
高酸性气田弯头的冲蚀作用，结果显示，弯管同样存 性列于表1中. 仿真入口边界条件采用速度入口，连续
在两个冲蚀严重位置，即弯管外拱面、弯管下游和直 相速度设置为7 m/s；出口边界条件采用压力出口，根
管连接处的内弧面，且最大冲蚀率和平均冲蚀率均随 据实际生产条件设置出口压力为0.5 MPa.
比值R/D(弯管曲率半径R与直径D的比值)增加而降低. 1.2 计算模型
目前管道冲蚀磨损行为的研究大多集中在油气 1.2.1 离散相方程
输送管道，针对煤气化黑水处理系统管道冲蚀分析的 仿真忽略颗粒间碰撞导致的结合或破裂，并认为
研究尚不多，且研究对象主要为单个管道，欠缺对整 粉煤颗粒离散相与黑水清液连续相间无热量交换. 采
[20]
个黑水处理系统管线的研究分析 . 本研究中拟采用 用DPM(Discrete Phase Model)对固-液两相流中离散
数值模拟方法(软件Fluent)对煤气化黑水处理系统部
表 1 黑水介质物相表
分管线进行仿真分析，判断管道冲蚀磨损严重区域的
Table 1 The properties of black water
位置，分析冲蚀磨损机理，探讨流体速度和固体颗粒
Density/ Volume Viscosity/ Particle
粒径对管道冲蚀行为的影响规律，并研究分析弯管的 Phase (kg/m ) 3 fraction (kg/m/s) size/μm
结构优化方案，切实提高煤化工管道运行的可靠性和 Liquid 851.633 96.5% 12.9×10 −5 −
稳定性. Solid 1 750 3.5% − 70