多相流管道测厚定点优化研究

1、浙江理工大学院学机械与自动诚信我谨在此保证：本人所写的，凡他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出主体均由本人完成，没有、剽窃他人已经或未的研究成果行为。如出现以上知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。人(签名)：年月日摘要随着原油劣质化，装置大型化，运行工况苛刻化的发展，石油化工的相关企业均加强各自管的定点检测，防止管道失效等突发事故。但是由于管道数量庞大，输送的多介质腐蚀性强，冲蚀腐蚀机理复杂，很难准确把握管道减薄的具置。密集型定点测厚检测量巨大，耗费大量的人力物力财力。石油化工多管道涉及、传热、相变等复杂过程，冲蚀机理复杂，采取提升管道材质、增大壁厚等并不能从根本上腐蚀失效。本论文以镇

2、海炼化换热器出口管道为研究对象，用 UG进行建模，展开对多腐蚀机理的研究。根据多组实际工况，采用湍流模型求解多流场，进行数值模拟。探讨各因素对管道冲蚀腐蚀造成影响，进行有指导性的布点检测，对布点进行优化，并总结出冲蚀破坏的发生规律。通过 FLUENT计算，获得壁面剪切应力等参数分布，确定最的部位，即实际管壁减薄甚至泄露的位置。结果表明：大小头上方壁面剪切应力很大，出口管道和主管道相接的部位壁面剪切应力也很大，需要布点。而由云图可知，弯管外侧壁面受到很大，冲蚀腐蚀严重，也需要进行布点。根据结果，布点可以明显降低工作量，达到优化定点测厚的效果。：系统；多管道；冲蚀腐蚀机理；冲蚀AbstractWi

3、th the development of bad crude oil, large-scale installations, harsh operating conditions, petrochemical related companies are strengthening their point of pressure piping systems detect and prevent pipeline failure and other unexpected accidents. However, due to the large number of pipes, conveyin

4、g corrosive media multiphase flow, erosion corrosion mechanism is very complex, difficult to accurately grasp the specific location of pipe thinning. Intensive testing sentinel huge amount of thickness measurement, spend a lot of manpower and material resources.Petrochemical multiphase flow pipeline

5、 complex process involving flow, heat transfer, phase change, the erosion mechanism is very complex; take the pipe material, increasing the wall thickness does not fundamentally control the flow of corrosion failures. In this thesis, Zhenhai Refining & Chemical heat exchanger outlet pipe as ther

6、esearch object, with UG software to m , expand the corrosion mechanism of themultiphase flow. According to the actual working conditions, turbulence mtosolve the multi-phase flow field numerical simulation. Of various factors on the pipeline erosion caused by corrosion, guidance cloth detection, opt

7、imization, and summed up the erosion damage occurrence distribution.FLUENT simulation, the wall shear stress parameter distribution, to determine the most dangerous parts of the actual wall thinning or even leaked. The results show that the: the wall shear stress of the size the head side very big,

8、the site of the phase-to-of export pipes and the competent Road, of wall shear stress is also great, need to the cloth point. And we can see by the pressure cloud, bend the outer wall surface is a lot of pressure, severe erosion-corrosion, also need to be distribution. According to the simulation re

9、sults, the distribution can significantly reduce theworkload to optimize the effect of the fixed-point thickness measurements.Key words: Chang top system; Multiphase flow pipeline; Erosion corrosionmechanism; erosion prediction目录摘要Abstract第 1 章 绪论11.1研究背景及意义11.2国内外研究进展11.3本文主要研究内容4第 2 章2.1多管道冲蚀机理及表征

10、参数6管道冲蚀机理62.2管道冲蚀表征7第 3 章3.1计算流体动力学建模9管道建模及离散化93.1.1 基本模型93.1.2 网格划分123.2多数值模型143.3初始及边界条件15第 4 章4.1结果分析及定点优化18结果分析184.2测厚定点优化26第 5 章5.1总结与展望27总结275.2展望27参考文献29致谢32浙江理工大学本科毕业设计（）第1章 绪论1.1 研究背景及意义管道作为一种特种，由于其简单、成本较低，对环境友好的优点在运送液体、气体等方面被广泛应用，尤其在石油、化工及天然气等行业中具有不可替代的作用1。管道按照用途可以分为工业管道、公用管道、长输管道。石油化工是管道分

11、布比较集中的行业，且操作环境很恶劣，近年来石油化工企业正着严峻的考验，“企业大型化、原油劣质化、工况苛刻化”等是大势所趋，特别是炼油厂方面劣质油之后，由腐蚀冲蚀失效的事故频率不断增加，程度不断加深。从而，各炼油厂都加强对管道腐蚀检测、防护和管理2。随着我国重质、高硫原油量的不断增加，管道劣质化趋势十分明显，特别是腐蚀减薄现象十分普遍，安全隐患增大，状况十分严重。由此的非计划停工时的 REAC 管束及出有发生，金陵、镇海、茂名、齐鲁、扬子、金山等也相继出现了泄漏、爆管事故，损失严重3。工业管道的腐蚀通口管常是点蚀和缝隙腐蚀为主，虽然腐蚀发生点具有随机性，但是腐蚀的分布具有规律性，管道腐蚀的影响因

12、素很多，如介质的酸碱性，管道的形状，流体的流速、流型等，各种机理尤为复杂，给研究带来很大不便。近年来，陆续出现很多检测应对性的难题。每种都有其利弊，如漏磁检测不能确定腐蚀的面积，在边缘处容易产生虚信号。超声波需要有连续的耦合剂，且工作量大、会影响其准确性4。效率低。智能爬行机则需先将管道进行，如若目前最好的是 CFD 数值模拟的，利用模拟腐蚀结果，具有的作用，对管道布点进行优化，从而减少布点，减少工作量。根据市场的需求形势制定生产计划，使装置能够经受住“变工况，超负荷，长周期”运行的考验。1.2 国内外研究进展油、气、水多管道内受多种因素的影响含有盐(氯化物)、杂质，因而，多管壁材料的减薄机理

13、十分复杂，是腐蚀冲蚀作用的过程，由于与过程有关，故称为腐蚀，并将其分为流传质腐蚀、相转变腐蚀和冲刷腐蚀5。本文主要研究冲蚀对管壁减薄现象的影响，以下主要讲冲蚀的影响。影响冲蚀腐蚀的因素很多，主要因素流速流态、攻角、液速、流体性质、1系统多管道测厚定点优化研究较高的内在紊流度、管道形状、冲刷强度大小、传质过程、颗粒性质、含油比等。另外管道的缝隙、内壁表面也影响腐蚀5。图 1-1 所示，是管壁冲蚀磨损的示意图。流体方向冲刷磨蚀区腐蚀膜原始金属表面图 1-1冲蚀机理图等4研究了流态对腐蚀的影响，得出不同的流态有不同的运动规律，其对管内壁冲刷腐蚀的影响也有很大不同。层流时，管壁内表面形成保护膜，流体对

14、管壁切应力小，不能破坏保护膜，因此对管壁的冲刷腐蚀比较缓慢，冲刷腐蚀不太严重。湍流时，流体与管内壁金属接触变得频繁，流体与金属之间的切应力比较大，同时流体中颗粒物无规则地剧烈冲击管内壁金属表面，使冲蚀腐蚀加剧。等4还研究了冲刷角度对腐蚀冲刷的影响，角度有垂直和水平之分，水平方向的冲刷对壁面是切削作用而垂直方向是对冲刷面的碰撞作用，两者同时对壁面产生影响，得出了延性材料在攻角为20° 30° 处的冲蚀率最大；而脆性材料在接近90° 处的冲蚀率最大。王德国等5研究了流速对腐蚀速率的影响，得出了对于钝化金属，在速度很小时会产生点蚀，在一定范围内增大传质速度会促进生成保护

15、膜，使得冲刷速度减慢。但是当流速超过一定范围之后，流速会破坏保护膜，因而流速增大，腐蚀速率增大。所以工程上十分重视这个临界速度，流速应该控制在点蚀产生的速度和产生强烈冲蚀的速度之间。等6提出对于不钝化金属来说，冲蚀磨损随着速度的增大而增大。王德国等57研究了型腐蚀，指出在多管道中，对管道的最严重的腐蚀发生在型处，前部产生水击，出现湍流现象，由于有大量气体，漩涡中的气泡撞击后破裂产生空穴效2金属管壁浙江理工大学本科毕业设计（）应。使内壁保护膜破裂，加剧冲蚀磨损，同时，气泡的冲蚀作用使得缓蚀剂失效，加剧了腐蚀。对管壁的剪切和冲刷加上气泡对管壁的碰撞作用，形成型腐蚀。型对管壁减薄现象影响很大，在实际

16、管道中一定要严加防护。史建强等8研究了管道形状对腐蚀的影响，得出了 90°弯头外侧的侧最大，冲刷作用也最强，而直管内流体对管壁无，即无冲刷作用，主要表现为切削作等9研究弯头磨损的特性，用，故弯头等管件处的冲刷腐蚀必须重点关注等10对弯头的改进得出弯头本身的材料对磨损的结果影响很大通常有管件材料升级，管件结构，管道的内部设计。提出了胃形弯管，并对该弯管进行了 Fluent 流体。从其模拟可以看出虽然弯肚处的最大值相差无几，但是由于体积变大，使得流速降低，流体对弯管的冲蚀大大降低，提11对管道结构进行数值模拟，得出了 REAC 管道局高了弯管的。偶部减薄甚至穿孔的位置通常发生在剪切应力最

17、大的区域，因此，根据剪切应力的点。等12对弯管进行 CFD分布规律可冲蚀破坏的研究，得出不同的弯径比，弯管的冲蚀磨损量和磨损区域有很大不同；相同的弯径比，弯径等13对水煤浆长距离管道进行模拟，得到减少比越大，最大磨损量越小。输浆管道磨损的措施：输送、设计合理输送速度、选择最佳输送浓度、提高引起材料疲劳破坏的循环次数。南14对管道材料进行研究，得出 16Mn材料弯头耐磨性最优，20 号刚和 10 号钢次之，18-8 不锈钢。Heuer J K 等15对在油、气、水多的混合物中低碳钢腐蚀进行研究，和流体成分是影响其腐蚀速率的主要因素。Y. M.Ferng16得出流量、温度通过 CFD 模型来腐蚀和

18、冲蚀磨损，两种模型，水动力模型和腐蚀冲蚀模型，得出腐蚀冲蚀模型到的磨损点分布与发电厂测试分布相当吻合，使测量点集中在管道腐蚀严重的部位，可以减少工作量。Rui Li 等17排水管道的弯头部分及在核反应堆的高压二次给水弯管管壁变薄现象，采用了计算流体动力学(CFD)作为工具，进行数值模拟，得到弯管管壁变薄，载体湍能衰减被证明是对液体撞击冲蚀率的一个重要因素。Quamrul H. Mazumder 等18对 90°弯管处气、流用 CFD 进行模拟，用三种不同气体速度和液体速度用于解决连续性，动量方程，能量方程，得出了在气相速度较低，液相速度较高时，引起的降比较大。Gregory F. H

19、omicz19用 CFD 数值模拟的流体流场的特3系统多管道测厚定点优化研究征和实际情况十分相近，模拟结果表明，最大的壁面剪切发生在内半径到弯管入口的下游处。Mr N A Barton20对油进行研究，得到管流体的高速部分或者突然改变方向的部分很容易受到侵蚀，因此，弯管处容易腐蚀，必须重点关注。定点测大多数炼油厂发现装置运行隐患和检测腐蚀率的重要，在腐蚀检测中扮演极其重要的21。国内在定点测厚工作方面处于摸索阶段，出于效益考虑，不可能全方位布点，首先在一些腐蚀相对比较严重的装置、管线处进行。各炼油厂的情况也会有差异，所以每个炼油厂必须根据自身情况进行定点，以提高工作效率22。定点腐蚀原则上设置

20、在弯头部位、液位经常波动的部位、易腐蚀、冲蚀的部位、成型时壁厚减薄部位、使用中产生的变形部位和表面缺陷检查时发现有疑问的部位、阀的前后端等23。24指出测厚点选择应该在高温、高压、高速介质冲蚀、具有腐蚀介质的苛刻部位，使测厚工作科学有效。胡杨25等对运行中管道定点测厚的研究，提到定点测厚、选择、原则、管理、注意事项等。指出运行中管道的定点测厚可以及时反映出管道腐蚀情况，等2对常消除生产隐患，保证生产装置正常运行和操作的人身安全。减压蒸馏装置的腐蚀分析，对测厚点的设置如下表 1-1 所示表 1-1常减压塔测厚布点测厚部分及管件闪蒸塔冷却器壳体及出短节塔空冷器壳体及出短节石脑油分离塔空冷器壳体及出

21、短节塔顶空冷器、冷却器壳体及出短节，塔顶封头、4 层以上塔壁、各侧线抽出口常压系统短节，进料段以下塔壁及塔底封头；温度大于 220的换热器壳体、出短节塔顶冷却器壳体及出短节，塔顶封头、各段填料和集油箱所对应的塔壁、各侧减压系统线抽出口短节、进料段以下塔壁及塔底封头；温度大于 220的换热器壳体1.3 本文主要研究内容为了实现系统多管道定点的优化，根据前人的研究成果以及的不足，从引起管道冲蚀失效的典型管件入手更加深入地用 CFD分析，重点研究流体对管道关键管件部位的冲蚀影响，揭示管道的失效机理，实现优化4浙江理工大学本科毕业设计（）设计，本文进行以的研究。第一章 分析课题的背景和意义。大量查阅中

22、外文献，了解国内外研究现状，找到本课题的切入点。第二章 深入剖析多管道的冲蚀机理，并了解其表征参数。主要表征参数是速度、壁面剪切应力等参数，根据 FLUENT 导出的云图，直观地表现出管道腐蚀发生处，以进行布点测厚优化。第三章 多管道建模及。利用 UG，先建模，用前处理 GAMBIT划分网格，对重点关注的管件进行网格加密，以保证研究的准确性，导入 FLUENT，根据多种不同的实际工况，用混合物模型进行。第四章 对结果进行分析，对多管道测厚定点优化。对定点进行优化，减少工作量，节约成本。第五章对本文进行总结并对后续研究进行展望。5系统多管道测厚定点优化研究第2章 多管道冲蚀机理及表征参数2.1

23、管道冲蚀机理图 2-1 形象地表示了管道冲蚀失效的典型机理，金属表面在介质的腐蚀作用下形成腐蚀产物保护膜，在流体过程中，局部腐蚀产物保护膜被冲破，在破损的局部位置金属母材再次发生化学(电化学)作用生成保护膜，保护膜再次被冲刷减薄。依此反复作用，形成一个自催化腐蚀过程，直至金属腐蚀穿孔11。管道失效的影响中，冲蚀失效是主要因素，它具有明显的局部性、突发性和风险性。大量的失效案例表明：管件是系统局部减薄、穿孔或者爆管的常见部位26。27提出弯头部分的冲蚀磨损是直管部分的 50 倍。腐蚀性腐蚀性变形后保护膜表面腐蚀产物保护膜腐蚀产物保护膜变形后保护膜表面保护膜表面保护膜表面剪切应力剪切应力碳钢基体碳

24、钢基体图 2-1与腐蚀耦合过程示意图冲蚀腐蚀的力学模型是保护膜与壁面的结合力和流体对保护膜冲刷力。其平衡点是管道内流体的临界速度，必须管道内流体的一系列指标，保证整个管道的安全。多流体及夹带的颗粒、气泡、液滴等会对管内壁金属材料有机械作用和流体与金属材料发生化学或者电化学腐蚀共同作用于管内壁金属材料，使金属材料发生损失的现象。石油化工、冶金、水利、矿山等行业的管件是管道冲蚀失效的主要部位，每个行业的管道工况各异，影响因素众多，涉及到流体力学、材料力学、化学、电化学等多学科，给研究带来很大论研究还不够深入，有待进一步研究4。当管道的流体为多，目前对它的理腐蚀介质的时候，冲蚀失效更加严重。发生冲蚀

25、腐蚀的金属常常会留下凹谷、泪滴状，及沟槽等痕迹，痕迹表面光亮，没有残留物留在表面。冲蚀磨损与流体方向有明显的依存，凹槽是沿着流体局部方向分布的。在众多影响冲蚀失效的因6浙江理工大学本科毕业设计（）素中，型最为严重，条件下形成水击，壁面剪切应力和都会极具增大，冲蚀增强。流体对管道的冲刷作用力与管道内和流体速度呈正比，管道内越大，流体流速越大，流体对管道的冲击力也越大，管道内壁保护膜脱落越快，新的保护膜又将生成，如此循环，会冲刷腐蚀，直至管壁减薄甚至出现穿孔现象。等28用数值模拟的研究了带颗粒流体对管道冲蚀，分析了几种不同模型中冲蚀位置的分布及流速和粒径对冲蚀的影响，得到速度越大，颗粒粒径大，冲蚀

26、越严重。2.2 管道冲蚀表征等29指出流体对管道的磨损有两种作用：质量传递效应和表面切应力效应。等30指出流体在管道内的流场非常复杂，管道冲刷多发生在弯管，都发生明显变化，会造成一定的损失。CFD大小头等处，流体的流速和模拟管道冲蚀得到的结果有多种表征：速度、壁面剪切应力、相分率、湍动能等。其中速度场以 90°弯管为例，管道分为射流区，大弧度面和小弧度面，其中小弧度面的速度达到最大，大弧度面的速度虽然没有小弧度面大，但是，它的速度依旧很高，高于射流区的速度，由于液滴或者固体颗粒的直接冲击，导致大弧度面上的冲刷最为严重，在弯管弯曲段处，整个主流流体的速度会增加，二次流会从大弧度面向小弧

27、度面移动，呈现出大弧度面大速度小，小弧度面小速度大31。因此，在弯头处，容易发生腐蚀的地方在大弧度面上32。偶尔也会发生在小弧度面上33。因此速度可以很直观的表现冲蚀腐蚀的发生点。在管道整个弯管处变化不大，相比较小弧度面，大弧度面的较大，表征不是特别明显，但是在一定程度上也可以表达。对于焊接的弯管等处由于工艺限制，通常在小弧度面上的壁面比较厚，而在大弧度面上的厚度相对比较薄。因此在设计的时候要考虑到这些误差，同时布点尽量集中在大弧度面上。剪切应力能直观表达冲蚀腐蚀的严重程度，应力最大处，表示变形量最大，保护膜最易破损，是管道腐蚀最严重的区域26。弯管壁面剪切应力分布在弯头两颊或者下游外拱壁面处

28、34。然后根据 CFD 模拟的结果，进行布点，对管道的布点进行优化，以达到减少工作量，减少成本的效果。而根据湍动能云图可以看出管道哪些部位流体的湍动能较大，即湍流的厉害程度。从而可以管道冲蚀腐蚀发生的具置。本文是讲油、气、水三相，没有考虑到混合物中包含的固体颗粒，7系统多管道测厚定点优化研究如果固体颗粒，就不能忽视，固体的重量及颗粒大小对管道的腐蚀影响很大，结果会有很大差别35。弯头大弧度面容易被冲蚀的现象，工业上有以下几种来应对这个问题。首先，可以采取对壁面进行涂层的来增加管壁的硬度，也可以用过滤网来降低流体中的颗粒数量（本文不加考虑），采取将流速在一定的范围之内，对管道进行布点检测，可以先

29、用 CFD布点。对管道进行模拟，然后进行性地8浙江理工大学本科毕业设计（）第3章 计算流体动力学建模3.1 管道建模及离散化1910-1917 年，英国气象学家 L.F.Richardson 尝试用 Laplace 方程来计算大气来预报天气预报，这标志着计算流体力学（CFD）的诞生36。流体力学是质量守恒、动量守恒、能量守恒等自然界三大定律的反映。传统流体力学的基础是连续介质学说。对流体力学的研究主要有两种：实验和理论研究。理论研究是基于运动规律和运动方程，提出各种简化模型。现在，计算机技术发展迅猛，以计算机模拟为主要研究，目前已经成为一种趋势，计算机促进理论研究和实验研究的发展，将它们有机地

30、结合起来，简化模型的建立使结果更加接近现实，促进流体力学的研究工作。CFD中，数据都是离散化的，采用有限差分法（FDM）、有限体积法（FVM）或者有限元素法（FEM），有限差分法将求解域分为差分网格，将微分转变成代数近似值，数字比较直观，表达简单。有限体积法有丰富的格式和良好的守恒性，能够生成各种形式的网格以适应复杂的边界条件，并且比有限元素法更加简单。而有限元素法的优点是在采用高阶计算时准确度更加高。由于数值都是离散近似值，所以在建立方程的时候都必须保证数学方程的正确性，特别是复杂的时，还应该结合实验和理论分析。3.1.1 基本模型CFD-介质和是建立在方程，质量守恒方程和能量守恒方程的基础

31、上得到的，所有连续状态的流体都适用，三个基本方程的表达式如下所示：1. 连续性方程：¶r¶t+ rÑ · v = 0（3-1）2. 动量方程：x 方向： ¶(ru) + Ñ(ruV ) = - ¶p + ¶t+ ¶t zx+ rf（3-2）¶t¶x¶x¶y¶zxy 方向： ¶(rv) + Ñ(rvV ) = - ¶p + ¶t xy+ ¶t yy + ¶t zy+ rf（3-3）¶t&#

32、182;y¶x¶y¶zy9系统多管道测厚定点优化研究+ ¶t yzz 方向： ¶(rw) + Ñ(rwV ) = - ¶p + ¶t xz+ ¶t zz+ rf（3-4）¶t¶z¶x¶y¶zz¶¶¶T¶¶TV 2V 23. 能量方程： ¶t r (e +) + Ñ ·r(e +)V = rq + ¶x (k¶x ) + ¶y (k ¶y

33、)22¶ (k ¶T ) - ¶(up) - ¶(vp) - ¶(wp) + ¶(ut xx )+¶z¶z¶x¶y¶z¶x+ ¶(ut xy ) + ¶(ut zx ) + ¶(vt xy ) + ¶(vt yy ) + ¶(vt zy )¶y¶z¶x¶y¶z+ ¶(wt xz ) + ¶(wt yz ) + ¶(wt zz ) + rfV（3-5

34、）¶x¶y¶z其中， r 为密度，V 为速度，t 为与流体粘性有剪应力，f 为体积力，p为流体各项同性压强。将（3-1）、（3-2）、（3-3）、（3-4）联立可以求出场和速度场，上面五式和其他方程联立则可以求出传热、传质、化学反应等，因此由这些方程为基础的 CFD 模型具有普遍性。根据雷诺数是层流还是湍流，进行模型的选定。R = rVD > 4000 为湍流， R = rVD < 2300 为层流，介于两者之间为过渡段。mmeeFLUENT 中的湍流模型主要有：Spalart-Allmaras 模型、k-e 模型（标准 k-ek-e 模型）、k- w

35、 模型（标准 k- w 模模型、大漩涡模拟模型），具体模型、k-e 模型、RNG k-e 模型、带旋流型、k- w 模型、k- w 模型、在选择的时候要看计算机的计算能力和时间限制、流体的压缩性、精度要求等使用要求来选择合适的湍流类型。本文管内流体是湍流，选择标准 k-e 模型。标准 k-e 模型自提出后，就是 CFD 中流场计算的主要工具。其使用范围广， 精度合理可靠，在实际中应用广泛。由于 k 方程式精确方程，e 方程是半经验公式，因而标准 k-e 模型具有以下特点：（1）标准 k-e 模型是半经验公式，k 方程是个精确方程，e 方程是由经验公式导出来的，它们是基于湍能和扩散率。（2）标准

36、 k-e 模型假定流场是完全湍流的，可以忽略流体之间的粘性。因而，标准 k-e 模型只对完全湍流的流场有效。以下方程为标准 k-e 湍程和 e 扩散方程的偏微分方程：能 k 方10浙江理工大学本科毕业设计（）¶¶t(rk) +(rku ) =(m + mi ) ¶k + G + G - re - Y + S¶¶（3-7）¶xi¶xs¶xkbMkiikjm(reui ) =(m +i¶ee (e 2k¶ (re )+¶¶x¶)- +Gk + Se（3-8）s ) &#

37、182;xC1eC3e GbC2er¶t¶xkejii其中，YM 是波动由在可压缩湍流过度的扩散产生的，Gb 是湍能由浮力产生的，Gk 表示湍能是由层流速度梯度而产生的，C1、C2、C3 分别是常量；s k 和s e 是 k 方程和 e 方程的湍流 Prantdtl 数，Sk 和Se 是用户定义的。k 2eut = rCu（3-9）其中， C1e = 1.44 ， C2e = 1.92 ， Cm = 0.09 ，se = 1.3 ，s k = 1.0 ，Cu 为常量。在 k-e 模型中，Gk 项表现了湍能，精确的 k 方程可以如下定义1 ¶u jGk = -ru

38、u1（3-10）i j¶xi在 FLUENT 的 k-e 模型中，计算中考虑重力和温度时，要在 k 方程中增加浮力的影响，在 e 方程做同样的处理。浮力的给出形式如下：mi¶TG = bg（3-11）biPr ¶xii其中，gi 是重力在 i 方向上的分量，Pri 是湍流能量常量。对于标准和k-e 模型，Pri 的默认值为 0.85。在 RNG 模型中， Pri = 1 a ，a 由相带旋流的应的方程确定，而且a0 = 1Pr = k uc 。热膨胀系数b 为p1 ¶rb = - r ( ¶T )P（3-12）理想气体则为mi¶rG

39、= -g（3-13）bir Pr ¶xii从 k 方程中可以看出在不层中湍能增长趋势。对于层，浮力会抑制湍流。在 FLUENT中，当考虑了重力和温度时，总会浮力的影响。当然对于 k 来说浮力的影响相对比较清楚，而对 e 方程来说浮力的影响就不是十11系统多管道测厚定点优化研究分清楚。可以在粘性模型面板中，设置浮力对 e 方程的影响。因此 Gb 值主要用在 e 方程中。常数 C3e 决定 e 方程受浮力影响的程度。3.1.2 网格划分本文模拟镇海炼化换热器出口系统多管道，管道的管件以弯管居多，同时包含有大小头，因此腐蚀比较严重。首先在 UG 进行建模，然后导出 stp文件，导入 GAM

40、BIT，进行网格划分。GAMBIT 是 FLUENT的前处理，它的功能和建模和网格划分，本文主要用到它的网格划分功能。由于本次管道比较复杂，给建模和网格划分带来一定的。网格质量的好坏直接影响仿真结果，而网格数量又会制约计算的速度，衡两者。在网格划分过程中，对计算区域进行单元划分，重点关注以上几个管件，在弯管处进行网格加密，并指定边界条件。全部设置完毕之后，导出 mesh 文件。采用结构 化网格划分，方便计算。并对弯管部分进行加密，使结果更加真实。建模结果如下图 3-1 所示。其中 1，2，3，4，5 为管道，7 所示为出口管道。图 3-1 UG 建模图网格几何划分的质量直接影响 FLUENT

41、计算速度及其收敛性，网格有非结构性网格和结构性网格之分，结构性网格比较适合 FLUENT 计算，能加快计算速度和保证收敛性，它比较适合流体的表面应力的计算，主要有二维的长方形网格和三维的长方体，主要优点是网格质量比较好，结构比较简单，缺点是在网格划分时比较费时，在计算域不太规则时比较难生成。因此，网格的划分需要技巧和耐心，特别是当管道比较复杂的时候。在 GAMBIT 中，非结构性网格在计算域内不同点连成的网格数目不同，主要有二维的三角形、矩形，三维的三棱锥、四棱锥、三棱柱、六面体等，如下图所示。12浙江理工大学本科毕业设计（）图 3-3 网格种类非结构性网格比较容易生成，但是，导入 FLUEN

42、T 计算时，计算相对比较缓慢。本文采用结构化网格和非结构化网格混合使用的，在管道结构相对比较简单，几何形状比较规则的地方，采用结构化网格，在几何形状复杂，网格交叉的地方采用非结构化网格。必须综合考虑网格数量，初始化时间，计算机内存等方面。本的网格图如下图 3-4 所示，在直管处采取机构化网格，在三通等处采用非结构化网格。图 3-5 所示为网格图中局部位置 A，B 处局部非结构性网格和结构性网格放大图。图 3-4 网格13系统多管道测厚定点优化研究图 3-5非结构性网格和结构性网格3.2 多数值模型多中的“相”并不是指代不同的物质，它是指在某一均匀系统中，力学性质近似相等的一群物质。也就是说同一

43、种物质如果它的颗粒直径相差很多，就得看成不同的相。多的分类有：气液两、气固两、液液两、液固两、气液固三、气液液三、液液固三等。本文是油、气、水三相，在相的选择上混合物。流体力学的发展为多的进程起到推动作用，目前处理多的有三种：-日-，法、。是流体被视为连续相，直接求解 N-S 方程。根据流体中包含的大量粒子、气泡、液滴可以求出分散相，连续离散相之间进行能量、动量、质量的交换。这样分散相的运动轨迹可以计算。文献37揭示-朗日法对计算机硬件的要求很高，目前很多模拟结果与实验结果偏差很大。-法把不同看成连续相，但是由于夹杂着其他相，因此，每一相的体积无法直接求得，引入一个相体积率的概念。体积率是每一

44、相占全部流体的比重，各相的体积率相加等于 1。然后，从各相的守恒方程中，可以推导出一系列方程，每一相的方程都比较类似，从实验中得到的数据进行模拟，是这些方程得以封闭。日-中流体和离散是瞬态的，即在特定点上的大量颗粒，对每一个颗粒进行轨迹的计算及求出其运动轨迹，统计其瞬时速度，得出统计数据，表达其轨迹和速度。14浙江理工大学本科毕业设计（）FLUENT中，-多模型有三种：流体体积模型、模型及混合模型。流体体积模型在固定的网格下实行表面跟踪，这种情况是应用在多种互不相融的流体的交界面上的，在这个模型中，每种用相同的动量方程计算出每种相的体积率。模型是三者中最复杂的模型，它是建立 N 个动量方程和

45、N 个连续方程来求解每一相的。而混合模型是相对比较简单的一个模型，本文采用的就是混合模型，因此，在此处重点混合模型。混合模型可以计算的多具有以下特点：各不同的速度或者模拟有强烈耦合的各项同性-或者各相同的速度运动。法中，各被看做是互相贯穿的连续相，可以用体积率来表示，所以混合模型求解时应用了能量方程，动量方程，连续性方程和体积率等方程，并用相对速度来描绘。混合模型应用的对象是粒子负流体、气泡流等，也可以是均匀多，但是多的离散相必须是没有相对速度的。混合模型不能使用无粘度、大涡湍流和多项可压缩流。本文的多是均匀，气象是可压缩的，油互不相融，对比集中模型，适合混合模型。因此，选择 FLUENT 中

46、混合模型进行数值模拟。在混合物模型中，各参数一定。其中，o，g，w 分别代表油相、气相、。流量 Q：Q = Qo + Qg + Qw1.（3-14）质量流量 M：M = Mo + M g + Mw2.（3-15）= Qgg= Qo= Qw3.流速：U，U，U（3-16）ogwAAAow= MgM= MoM= MwM4.相分率：x，x，x（3-17）ogw3.3 初始及边界条件一般三维、二相或者三相的湍流，其工况的各种物理参数，如速度、压力温度等都随时间的变化而变化38。镇海炼化换热器管道出口的物性参数如下表3-1、表 3-2、表 3-3 所示，本文对同一工况不同温度下换热器流出物对管道的冲蚀，

47、首先选择典型的运行工况和操作数据，对管道进行 CFD 模拟。如图 3-1 所示，管道共有 5 个进口，一个出口。进口 1，2 管道的内径 307mm。进口管道 3，15系统多管道测厚定点优化研究4，5 的内径为 255mm。大小头以下部分管径都为 307mm。主管道及出口管道的内径为 692mm。表 3-1 壳程出口物性参数（79）气相油相实际体积流量（m3/h）密度（kg/m3）77241.282.06065241.84696.8925291.04963相分率 黏度 （cp）流量 （kmole/h）Cp/Cv传热系数（W/m-K）0.49950.00881434.081.09640.0193

48、0.38700.3360598.651.23600.10630.11340.35551403.881.1790.6691s ，密度 r = 2.060 kgm3 ，粘度 v1=0.0088´10-3 P s量 Q1=4.2912 m3气as ，密度 r = 696.89 kgm3 ，粘度 v2=0.3360´10-3 P s量 Q2=3.6245 m3油a：流量 Q3=1.40506 m3 s ，密度 r = 963kg m3 ，粘度 v3=0.3555´10-3 P sa表 3-2 壳程出口物性参数（82）气相油相实际质量流量（kg/h） 密度（kg/m3）相分

49、率 黏度 （cp）流量 （kmole/h）Cp/Cv传热系数（W/m-K）91802.131.9670.58240.00891767.951.09960.019654859.73699.810.32290.3392496.741.23340.106521112.319630.094680.34241171.921.1810.6711s ，密度 r = 1.681kg量 Q1=5.10012 m3m3 ，粘度 v1=0.009014´10-3 P s气as ，密度 r = 699.81kgm3 ，粘度 v2=0.3229´10-3 P s量 Q2=3.04776 m3油as

50、，密度 r = 963kg m3 ，粘度 v3=0.3424´10-3 P s：流量 Q3=1.17291 m3a表 3-3 壳程出口物性参数（85）气相油相实际体积流量（m3/h） 密（kg/m3）相分率 黏度 （cp）流量 （kmole/h）Cp/Cv传热系数（W/m-K）110742.821.8560.68730.00912239.101.10430.019942251.08703.600.24640.3441377.081.23100.106714780.279630.066280.3301820.441.1820.673016浙江理工大学本科毕业设计（）量 Q1=6.152

51、38 m3 s ，密度 r = 1.856 kgm3 ，粘度 v1=0.0091´10-3 P s气a量 Q2=2.34728 m3 s ，密度 r = 703.60 kgm3 ，粘度 v2=0.2464´10-3 P s油a：流量 Q3=0.821126 m3 s ，密度 r = 963kg m3 ，粘度 v3=0.3301´10-3 P sa边界条件的确定是方程有解的前提，会直接影响结果的精确度。边界条件选择与网格划分、计算模型、计算区域、实际物理等因素有关。边界条件主要有、出口、壁面、流道内切面。本文的选择速度进口、出口选择出口、壁面选择、流道内切面选择内部

52、面。速度用于定义不可压缩流体，可以根据需要选择输入，速度的大小及方向是速度在坐标系方向的分量。出口输出的是定静压，如果在计算过程中流体的流向是反向的，那就需要指定回流条件。若回流条件比较接近实际值，定义出口在计算的时候更容易收敛。壁面的选择是为了限制流体的区域，壁面处被看滑移边界条件。由于在网格划分的时候采用面切割对局部网格进行加密，就会产生多个内部界面，故对其设置是为了在计算的时候流体能够顺利地流过。在 FLUENT 中，求解分为三种：SIMPLE，SIMPLEC 以及 PISO。默认算法为 SIMPLE 算法。本文的求解选择 SIMPLEC，因为 SIMPLEC 算得到更好的结果，松弛因子

53、选择默认，精度选择精度。由于管较大，网格数量很大，带来的计算量也相对较大，对计算机的要求比较高。虽然一阶精度更加容易收敛，但是精度的准确度更高。采用精度虽然给计算机带来很大的，但是，结果更加接近真实值。在网格划分的时候有几段的网格是采用非结构化网格，流体的状态为湍流，精度结果更加准确，一阶精度比较适合结构化网格。17系统多管道测厚定点优化研究第4章FLUENT道内流体的结果分析及定点优化利用多个方程对流场进行计算，包含多种模型，能准确反映管状态。通过导出的壁面剪切应力、湍能、速度、密度等多种流体参数的云图，直出管道内流体冲蚀腐蚀相对比较严重的位置，进行有引导性布点，从而减少工作量，节约成本。4.1结果分析图 4-1 79时壁面剪切应力79物料时壁面剪切应力如上图 4-1 所示，整个管4，5 管道的大小头上方管道 A，B，C 壁面剪切应力很大