一种气固两相流中弯管抗磨方法的数值试验研究

    1 引言

    多相流动已经渗入到国民经济的各部门。但同时也出现了很多问题。如：固体颗粒物料的管道输送中，风机和除尘器内，气流中的固体颗粒对壁面冲击产生的磨损严重影响了设备的寿命。当固体微粒或液滴高速打击到材料表面上时，将引起冲蚀磨损。Tilly[1]在分析锅炉管道失效时，发现有 1/3 是由于冲蚀磨损造成的。在通过管道输运材料时，弯管部位的冲蚀磨损率可比直管部分高 50 倍。因此，寻找减轻磨损，提高设备的抗磨性具有十分重要的意义。

    对由颗粒碰撞而引起壁面磨损的研究在国内外已有充分的开展[2,3]。颗粒碰撞壁面导致其磨损主要决定于以下几个因素：① 碰撞条件，如：颗粒碰撞壁面速度，碰撞角度，颗粒浓度，以及运载颗粒流体的性质等；② 被碰撞物体的性质，如：材料性质，输送管道的放置，曲率，和壁面条件等；③ 碰撞颗粒的性质，如：颗粒类型，特性，大小和圆度等。在以上因素中，决定磨损量大小最重要的是第1 种。如果其它条件相同，降低颗粒碰撞壁面速度或改变颗粒碰撞壁面角度，都能在很大程度上减少壁面磨损。

    本文所研究的抗磨方法是在弯管内的外侧壁面上布置一定量的具有一定截面几何形状的肋条。通过改变颗粒碰撞壁面的速度和角度来减少对壁面的磨损。

    本文数值试验是在贴体坐标系下运用二阶k-ε湍流模型研究三维气流场，运用 FRST 模型[4]考虑颗粒在湍流场中所受湍流脉动作用，运用 Grant 模型[5]和 Tabakoff 模型[6]分别计算颗粒碰撞和壁面磨损量。笔者曾在浙江大学流体工程研究所粉尘实验室对该设计弯管进行了实验研究[7,8]，实验模型如图 1所示。本文是该项研究的继续，所不同的是采用中碳钢作为实验材料，肋条被均匀分布在直角弯管内 20~ 80°的外侧壁上。

    2 数学物理模型和计算方法

    2.1 算例

    在本文数值计算中，对模型进行以下假设：

    (1) 在直角弯管中的气固两相流是稳态的，充分发展的；

    (2) 载粒流体是牛顿流体，不可压缩的，等温的。气相动量方程可认为是椭圆形方程；

    (3) 固相颗粒粒径分布在 20~80μm 内,满足高斯分布。本文研究气固两相流为稀相两相流，忽略颗粒-颗粒间碰撞，但考虑了颗粒-壁面间碰撞。忽略颗粒旋转和静电力。

    计算中所引用的数据与实验数据（表 2）相一致，最终将两者进行比较。

    气流场数值模拟运用贴体坐标系。根据肋条尺寸，计算中分别使用3种网格参数：20×10×68, 20×10×82 和 20×10×106。网格分配详见表 3。