【摘 要】
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管道系统被广泛应用于固液两相输送过程,其中固体颗粒的存在容易使得管壁出现磨损失效,严重影响到两相混合输送的可靠性,因此对两相流动及磨损之间的关系进行研究显得非常重要。管道系统中两相介质的流动方向会根据实际的输送需求和安装要求进行调整,而不同的流动方向对管壁的磨损程度和磨损区域有着不同的影响,但这方面的研究尚不够充分。本文基于数值计算方法和实验方法,对两相混合介质在不同流动方向工况下的弯管壁面磨损进
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管道系统被广泛应用于固液两相输送过程,其中固体颗粒的存在容易使得管壁出现磨损失效,严重影响到两相混合输送的可靠性,因此对两相流动及磨损之间的关系进行研究显得非常重要。管道系统中两相介质的流动方向会根据实际的输送需求和安装要求进行调整,而不同的流动方向对管壁的磨损程度和磨损区域有着不同的影响,但这方面的研究尚不够充分。本文基于数值计算方法和实验方法,对两相混合介质在不同流动方向工况下的弯管壁面磨损进行了研究。首先研究了不同流动方向下标准90°管道中的严重磨损位置,并对其磨损速率进行预测;然后在此基础提出了两种降低磨损的弯管结构改进方案。主要的研究内容如下:（1）使用CFD-DEM耦合方法对不同流动方向下标准弯管内部的固液两相流动与弯管壁面磨损进行了计算,揭示了颗粒在管道中的运动规律,并探究了颗粒与流场相互作用产生的影响。发现在θ1=0°方向下弯管最大磨损速率最大,而在θ1=180°方向下弯管最大磨损速率最小;碰撞次数、壁面能量损失以及壁面平均积累力共同影响着弯曲段壁面最大磨损速率。（2）搭建了固液两相弯管磨损实验平台,进行了五种流动方向下标准90°弯管的磨损实验。颗粒浓度的变化范围是1%-10%,颗粒粒径为2mm。通过对数值模拟结果和实验结果进行对比,验证了CFD-DEM耦合方法的有效性,并确定了θ1=0°方向和θ1=180°方向下,弯管弯曲段壁面上的最大磨损区域范围。（3）根据标准90°弯管的磨损规律研究结果,提出了两种结构改进弯管。分析两种改进弯管内流场的变化规律、颗粒运动特性、弯管壁面磨损区域分布,结果发现在一定情况下两种改进弯管均能降低弯管壁面的整体磨损。在浓度小于4%时堵塞三通型弯管会起到降低壁面磨损速率的作用,带涡流室型弯管则在浓度大于7%时才会起到降低壁面磨损速率的作用。还发现碰撞次数、壁面能量损失以及壁面平均积累力影响着两种改进弯管整体壁面的最大磨损速率。由于堵塞三通段和涡流室的存在,运动到这两处的颗粒需要获得更多的能量来加速运动到出口段。（4）在θ1=0°流动方向下,堵塞三通型弯管的磨损区域主要在堵塞三通段和出口段的交界处。带涡流室型弯管的磨损区域主要集中在涡流室和弯曲段的交界处。随着颗粒浓度的增大,磨损区域均会向外延伸,磨损现象变得更加明显。
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