球形彎頭磨損的數(shù)值模擬與試驗研究
摘要：針對輸送系統(tǒng)中弧形彎頭易被磨損失效的問題，提出一種球形彎頭來替代弧形彎頭以提高彎頭使用壽命。通過Fluent14.5模擬分析2種類型彎頭的流場特性，探明了不同顆粒對彎頭的沖蝕磨損規(guī)律及彎頭的磨損分布特征，并進(jìn)行了球形彎頭與弧形彎頭磨損對比試驗?zāi)M和試驗結(jié)果均表明，弧形彎頭的較大磨損率是球形彎頭的4倍。
0 引言
在選煤廠中，重介質(zhì)輸送管道、煤泥輸送管道系統(tǒng)磨損失效嚴(yán)重，而由于輸送固液兩相流時造成彎頭的沖蝕磨損失效尤為常見 在管路輸送系統(tǒng)中，彎頭的沖蝕磨損是直管的50倍。由彎頭沖蝕磨損造成事故、停工的現(xiàn)象時有發(fā)生，不僅影響工作效率，對現(xiàn)場環(huán)境和施工人員造成潛在威脅。現(xiàn)代工業(yè)上一般采用更換耐磨材料與彎頭局部加厚的方法延長彎頭使用壽命，這不僅增加生產(chǎn)成本，更不能從根本上解決彎頭的磨損失效問題。因此本文提出研發(fā)球形彎頭來減緩彎頭內(nèi)壁的直接沖擊，降低沖蝕磨損。
1 2種彎頭的數(shù)值模擬
1。1 建模與網(wǎng)格劃分
利用Solidworks軟件建立三維實體計算模型，尺寸參數(shù)如圖1所示，建立弧形彎頭和球形彎頭的流體域模型，然后利用ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元采用六面體結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格如圖2所示。弧形彎頭共網(wǎng)格單元38 727個，球形彎頭共網(wǎng)格單元65 035個。
1，2 邊界條件與求解器設(shè)置
為對比2種彎頭的磨損性能，采用Fluent 14.5對其進(jìn)行固一液兩相模擬計算 選用Mixture混合模型，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)的K-E湍流模型，磨損模型采用DPM沖蝕磨損模型。
給料口邊界條件設(shè)置為velocity-inlet，出I=I設(shè)置為pressure—outlet，壁面邊界條件連續(xù)相設(shè)置為“No—Slip”壁面，壓力一速度耦合算法采用SIMPLE算法，壓力、動量、湍動能和湍流擴(kuò)散率的離散格式均采用一階迎風(fēng)格式。
水相與顆粒相速度均與試驗工況相同，給料中所加顆粒為石英砂，密度2 650 kg／m3，物料的質(zhì)量濃度10％，設(shè)置固相顆粒粒度分別為6，5、38、90、150、250、500 Ixm，將500 m顆粒視為大顆粒，其占總固相濃度的25％ ，其余均視為小顆粒，小顆粒石英砂占總固相體積濃度的75％。
2 模擬結(jié)果分析
通過對模擬中2種彎頭的速度分布、磨損率分布進(jìn)行分析，探究彎頭磨損原因。
2，1 速度分布對比
彎頭內(nèi)的速度與彎頭的磨損量呈指數(shù)關(guān)系，高速固相顆粒是彎頭失效的主要原因，2種彎頭的速度分布如圖3所示。
從圖3(a)可見，弧形彎頭的進(jìn)口直管段速度分布基本不變，隨著直管段接近彎管，彎管段速度增大，且速度沿半徑方向由外側(cè)向內(nèi)側(cè)呈階梯狀增長，在彎管內(nèi)側(cè)達(dá)到較大8.800 m／s。在彎管出El位置，其外側(cè)速度高于內(nèi)側(cè)速度，靠近出口直管段外側(cè)的速度在7.040～7.920 m／s變化。由此可知物料進(jìn)入直管內(nèi)較短距離內(nèi)速度變化不明顯，隨著彎管段結(jié)構(gòu)改變，物料流動方向與所受離心力作用改變造成速度在環(huán)形區(qū)域呈階梯狀增長 而靠近出口直管外側(cè)速度增大，其主要是出口直管外側(cè)直接受到彎管內(nèi)側(cè)高速流的圓周切向運動沖擊的結(jié)果 從圖3(b)可見，與弧形彎頭相比球形彎頭的進(jìn)VI直管段速度有所降低，速度在5.856～6.588 m／s。而進(jìn)入球體后，除球體中心區(qū)域速度較高，球壁速度降低出現(xiàn)速度“死區(qū)”，降低了對球壁的沖蝕作用 球形彎頭的較高速度出現(xiàn)在球體出口直管段。速度分布于6，5887.320 m／s，其低于弧形彎頭較高速度8.800 m／s分析可知，球形彎頭的球體結(jié)構(gòu)降低進(jìn)口直管及球壁附近的速度，減弱了速度對彎頭的磨損。
2-2 磨損分布對比
為直觀分析2種彎頭的磨損率分布，通過DPM磨損模型計算彎頭壁面磨損率，模擬的結(jié)果如圖4所示。
從圖4(a)可見，弧形彎頭在彎管的外側(cè)和出口直管段外側(cè)磨損較嚴(yán)重，在這2處均出現(xiàn)較大磨損率，較大值2.087x10-s kg／(m2·s)。圖4(b)可見，球形彎頭在球體外側(cè)靠近出口直管段的位置磨損嚴(yán)重，較大磨損率4.56xl0-6 krd(m2，s)。結(jié)合速度場的分布，可知這是含有較多大顆粒的高速固液兩相流沖擊所導(dǎo)致的結(jié)果。由此可以得出，2種彎頭的磨損主要是受高速的固相顆粒沖擊的影響?；⌒螐濐^彎管部分受進(jìn)口直管段物料的正面沖擊較嚴(yán)重。而在球體結(jié)構(gòu)中，直管段進(jìn)入球體后流動截面增大，物料速度降低，正確地緩沖了物料的沖擊，同時物料在球體內(nèi)流動時易產(chǎn)生湍流流動，一是隔擋了進(jìn)入球體高速顆粒對球壁的正面沖擊，正確降低了磨損；二是旋轉(zhuǎn)流速度較低，對球壁的磨損較輕。但在球體出口位置球壁易受顆粒直接沖擊，造成球形彎頭較大磨損率發(fā)生在直管和球體相接出口位置。
3 試驗研究
以石英砂為原料，0～250um粒徑石英砂占75％，250～500 m粒徑石英砂占25％ ，實驗進(jìn)料質(zhì)量濃度10％ ，流速6.5 m／So磨損前對彎頭進(jìn)行烘干處理后稱重。稱重的誤差在0.001 go試驗中將彎頭進(jìn)行塊劃分為進(jìn)口直管外側(cè)、內(nèi)側(cè)、彎頭外側(cè)、彎頭內(nèi)側(cè)、出口直管外側(cè)、內(nèi)側(cè)6部分，彎頭模型如圖5所示。
進(jìn)行64h沖擊磨損試驗后所得彎頭各部位平均磨損率對應(yīng)關(guān)系如圖6和圖7所示。
從圖6、圖7可見：弧形彎頭的彎管外側(cè)和出E直管段外側(cè)，其磨損較為嚴(yán)重?；⌒螐濐^的彎管外側(cè)平均磨損率較大。較大值3.21xlO kg／(m ·S)，出口直管段外側(cè)的平均磨損率1，3x10 kg／(mz·s)。該試驗與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致 球形彎頭的磨損區(qū)域主要集中在直管與球體相接的區(qū)域和出口直管外側(cè)區(qū)域 其中出口直管磨損變形嚴(yán)重，由圖7可見，在出口直管段外側(cè)磨損率較大值8.01~10 k (m ·s)，球壁的磨損率較小，為4.0xl0 kg／(m·s)。分析原因可知，磨損區(qū)域是速度較高的大顆粒集中區(qū)，而球壁內(nèi)側(cè)出現(xiàn)顆粒運動“死區(qū)” 通過試驗得出弧形彎頭的磨損率是球形彎頭磨損率的4～5倍，與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。
4 結(jié)語
(1)模擬結(jié)果表明，弧形彎頭彎管外側(cè)速度較大。磨損嚴(yán)重，其次是出口直管段外側(cè)。而球形彎頭在球壁和出口直管段相接位置速度較小，減緩了彎頭磨損。
(2)試驗結(jié)果表明，球形彎頭和弧形彎頭較大磨損率均出現(xiàn)在出口直管段，在球形彎頭的出口直管段外側(cè)出現(xiàn)磨損變形，這是顆粒沿彎管外側(cè)劇烈沖擊的結(jié)果。通過較大磨損率比較，球形彎頭的使用壽命是弧形彎頭的4倍。與模擬結(jié)果一致。
(3)磨損率隨速度的升高而明顯變大。管道輸送系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)盡可能降低速度，但球形彎頭礦漿流速的設(shè)計不得低于臨界流速，以免造成因粗顆粒在彎頭內(nèi)的沉降而堵塞管道。