管道是广泛应用在石油、化工和冶金等行业中的流体输送设备。流体中含有的大量固体颗粒杂质,导致管道在工作中极易出现严重的冲蚀磨损现象,由此引发的事故频繁出现。弯头是管道系统中不可缺少的组成部分,有研究表明其冲蚀磨损率比直管部分高50倍,成为管路中出现减薄穿孔最常见的部位。如何提高管道弯头的耐冲蚀磨损性能,以保障管道运输的安全,是研究者长期以来关注的焦点问题。自然界中的生物在进化过程中形成了一些与其生活环境相适应的特征,学习和模仿这些典型特征,并将其应用于改善机械零部件的功能特性上,已经成为解决工程技术难题的一种新手段。本文运用仿生学思想,探索提高管道弯头耐冲蚀磨损性能的方法,具体开展了以下研究:选取生活在泥沙环境中的扇贝作为生物原型,应用逆向工程方法,使用三维扫描仪获取棱纹贝壳和光滑贝壳表面点云数据,建立三维几何模型,并用FLUENT-EDEM耦合方法模拟两种贝壳表面多相流流场,分析颗粒运动轨迹及贝壳表面受力。研究表明,棱纹方向垂直于来流方向的贝壳在水流中具有较好的稳定性,相比于光滑贝壳,颗粒撞击贝壳表面的合计冲击力降低了18%,颗粒碰撞次数减少了11%,贝壳棱纹产生的低速旋流区域改变了颗粒的运动轨迹和冲击速度,从而使贝壳具有较强的耐冲蚀磨损性能。选取流速和颗粒直径两个因素,根据石油管道的工作条件,应用FLUENT软件中离散相模型(DPM)模拟了标准弯头内部流场及其表面冲蚀率。分析发现弯头内出现了速度分离和二次流现象,冲蚀磨损区域主要集中在弯头10~90°范围内,且冲蚀率随弯头角度的增大而升高。设计了由管道系统、信息采集电气系统和运行状态监测记录系统组成的专用冲蚀磨损试验台。将红、黄、蓝三种颜色的乳胶漆和石膏粉混合后依次均匀涂抹在试验弯头内表面,制备了冲蚀磨损试验弯头样件。在不同流速和颗粒直径的条件下进行试验,并将试验结果与数值模拟冲蚀率云图对比分析,发现两者冲蚀磨损的强度和出现位置基本一致,验证了数值模拟计算方法的可行性和所选用模型的正确性。根据贝壳耐冲蚀磨损机理和光滑弯头冲蚀磨损出现位置,设计了肋条方向垂直于管流方向且肋条分布在10~90°区域的仿生弯头。运用试验优化设计方法对肋条参数进行优化,通过极差分析得出影响相对冲蚀率的主次因素顺序为肋条数目(C)、肋条直径(D)、流速(A)、颗粒直径(B),最优组合为:C=10,D=1.5mm,A=7m/s,B=0.5mm,其中3号试验件耐冲蚀磨损性能提高了5.84%。通过正交多项式回归分析,得到相对冲蚀率与各试验因素间的回归方程。将仿生弯头与光滑弯头进行对比分析,初步揭示了仿生样件耐冲蚀磨损机理:肋条间产生的低速旋流区域改变了粒子运动轨迹,同时降低了颗粒冲击弯头壁面的速度;同时主流区域流速增大,增强了颗粒的跟随性;流场的变化使得颗粒的运动轨迹向外侧偏移程度降低,减少了颗粒与弯头壁面碰撞机会。