固-液两相流黑水管道冲蚀磨损的数值模拟研究

煤气化黑水处理系统管道由于其流体介质高含固体颗粒和腐蚀性介质，且工作在高温、高压差环境中，极易受到冲蚀磨损和腐蚀的耦合作用而失效，影响其服役寿命. 采用计算流体力学(CFD)方法数值模拟研究了煤气化黑水处理系统固-液两相流管道的冲蚀磨损行为和机理，以及流体介质速度和固体颗粒粒径对管道冲蚀磨损的影响规律，并分析了盲通管和涡室结构对弯管冲蚀磨损行为的优化改善效果. 研究结果显示，煤气化黑水处理系统管线的冲蚀高危区主要分布在弯管外拱和变径管等结构突变区域；管道冲蚀磨损行为与其内部流体的运动和颗粒冲击特性有关；管道的冲蚀率均随着流体速度的增加而加剧，而粒径对弯管和变径管冲蚀率的影响并非单调关系，这与颗粒受力作用有关；弯管优化分析显示，涡室结构可以降低弯管的最大冲蚀率，减缓弯管的冲蚀磨损.      

非球形固体颗粒对弯管内壁的磨损机制

为研究弯管内固体颗粒在液相夹带条件下的运动特性及颗粒对弯管内壁的磨损,采用计算流体动力学与离散元耦合的方法,建立数值模型,考虑固液两相之间的作用,对弯管内的固液两相流动进行数值模拟;通过软件的应用程序编程接口嵌入自编译磨损模型;借助试验结果,验证数值模型的有效性. 结果表明,所建立的数值模拟方案可以准确地模拟颗粒在管内的运动特征并能够预测弯管内壁的磨损位置以及磨损程度. 弯管内的二次流对颗粒运动有重要影响,弯管外侧壁面中心线附近的磨损较严重,磨损的形式以小角度划擦切削为主. 弯管磨损主要与颗粒对壁面的碰撞速度、碰撞角度及碰撞频率有关. 运动中的颗粒与壁面发生多次碰撞,碰撞角度逐渐减小. 随着颗粒球形度的增大,在相同碰撞条件下引起的磨损量变小,但是会降低颗粒的随流性. 颗粒形状影响颗粒在流场中的运动速度以及颗粒与壁面的碰撞. 随着颗粒球形度增大,严重磨损区域向弯管进口方向移动,壁面平均磨损量先减小后增大;当输送颗粒的球形度为0.91时,壁面磨损量最小.      

煤液化高压差调节阀空蚀/冲蚀磨损预测

针对煤液化示范工程中高压差调节阀高速气-液-粒三相流传输引起的阀芯严重空蚀和冲蚀磨损问题,采用k-ε湍流模型、Schnerr-Saur空化模型、随机轨道模型和冲蚀磨损模型,计算了典型开度下的速度、压力、相分率和磨损率等参数.计算结果表明:阀芯头部圆弧段下游附近有空化区,其顶部附近存在高速回流且压力高于介质的饱和蒸气压,综合分析空化区、回流区和壁面压力可预测空蚀主要发生在阀芯顶部;阀芯的最大冲蚀磨损率发生在顶部,且随开度减小而加剧.并结合调节阀实际损伤形貌,验证了空蚀预测方法及冲蚀磨损计算的正确性.本研究有望为多相介质传输设备的优化设计提供参考.     

石油防砂割缝筛管的冲蚀磨损性能研究

以直径为0.1～0.6 mm的石英砂为磨料,黏度为10 mPa·s的原油为携砂液,在自制的冲蚀磨损试验装置上研究了含砂原油对石油防砂割缝筛管的冲蚀磨损性能,采用LW200-4CS数码倒置金相显微镜观测了筛管缝口表面的冲蚀磨损形貌;利用曲线拟合方法建立了割缝筛管冲蚀磨损率与原油流速、砂粒直径、砂粒浓度、冲蚀角之间关系的数学模型.结果表明:筛管的冲蚀磨损率随含砂原油流速的增加而成指数关系增加;开始时随着原油中所携带砂粒直径和浓度的增加,筛管的冲蚀磨损率增加,达到一定数值后砂粒直径和浓度再增加,割缝筛管的冲蚀磨损率反而降低;随着冲蚀角的增大,割缝筛管的冲蚀磨损率增加,在冲蚀角为90°时达到最大,这种现象不同于塑性材料的冲蚀磨损机理;所建立的数学模型与试验结果较吻合.     

90°弯管内气固两相湍流流动的数值研究

利用两相湍流KET模型对90°弯管内气固两相湍流流动进行了数值模拟,得到了弯管内两相流动的一些规律,并提出用颗粒动理学压力来定性表征弯管内磨损严重部位,为管道抗磨损设计提供了一定的理论依据。     

含砂流对弯管段冲蚀的机理分析

管道的弯管段、闸阀等处常常面临含砂流动的冲蚀磨损而导致管壁减薄或泄漏。为研究弯管段冲蚀磨损的主要机制,进行了加入5%石英砂的固液两相管流循环试验。试验按砂粒粒径分组,主要观测布置在弯管段的一组碳钢贴片在2~3小时后的壁面冲蚀特征。用失重法计算各贴片的冲蚀速率,基于扫描电镜(SEM)研究了贴片表面的损伤形貌。冲蚀后的贴片表面既有犁沟、挤压凹坑及划痕,亦有圆形蚀坑。能谱分析(EDS)显示有一定量的铁氧化物,且不同位置处的贴片失重率有正有负,由此可见导致贴片表面破坏的机制既包括切削、挤压和二次冲击等含沙流流动的机械作用,也伴随着腐蚀作用。这两种机制在弯管各区有不同的体现,且受砂粒粒径的影响。用数值模拟的两相流冲蚀弯管段流场压力和颗粒分布特征做了验证。结果表明弯管段的壁面损伤机制在外拱壁面以颗粒冲击和切削为主,在内拱璧面则以氧化腐蚀为主。     

稀相气固两相流90°圆截面弯管流动特性

针对工业中常见的圆截面90°弯管中的稀相气固两相流的流动特征难于观测,以及由此造成的对其流动特性缺乏认识的问题,以天津大学的气固装置具备的实验条件为基础,以压力测量值作为模型有效性的评价依据,建立了适用于圆截面管道的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型.针对FLUENT中通过定义反射系数设置颗粒-壁面碰撞关系不能反映实际过程的问题,建立了考虑颗粒与壁面接触过程中的不同运动状态的颗粒-壁面碰撞模型,并引入计算.以此为基础,对不同固气质量比、流量和管道曲率情况下的流动特性进行了研究.发现:两相流体在流经90°弯管后,速度分布的恢复长度与固气质量比、管道曲率半径等有密切关系,曲率半径为2的管道整体压损最小,过小或过大均会导致较大压损,与Mason弯管磨损试验的结论规律相近.     

冲蚀磨损与冲蚀、空蚀交互磨损的对比研究

基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,数值对比研究了在模拟水轮机工况中不同转速时,冲蚀与冲蚀、空蚀交互作用时,转盘表面的流场(压力场、流体浓度分布),然后在转盘式磨损装置上,进行了汽液固三相冲蚀与空蚀交互磨损试验.结果表明:对于冲蚀磨损来说,随着转速增加,压力增大,在冲蚀作用下加入空蚀磨损,压力增高,磨损加剧;而对于交互磨损来说,随着转速增加,转盘表面的空蚀磨损区域从空化孔附近开始沿着转盘旋转的反方向偏移,并且磨损程度加剧;数值计算的气泡较多且压力梯度较高区域和试验转盘磨损区域基本一致,数值计算结果和试验结果吻合得较好.     

碳化钨颗粒增强钢基复合材料的冲蚀磨损性能研究

以直径为188～250 μm的石英砂为磨料,在自制颗粒冲蚀磨损试验机上对WC颗粒增强ZG45钢基表层复合材料的气-固两相冲蚀磨损性能进行研究,采用扫描电子显微镜观察其磨损表面形貌.结果表明,在相同冲蚀角条件下,增强相WC颗粒的直径越大,复合材料的耐磨性越差,复合材料在冲蚀角为45°时的冲蚀磨损率最大;而ZG45钢在冲蚀角为15°～30°范围内的冲蚀磨损率达到最大值,此后随着冲蚀角增加而减小;复合材料抗冲蚀磨损性能在较小冲蚀角(15°左右)下优于ZG45钢,在较大冲蚀角(≥30°)时劣于ZG45钢.     

旋转、弯曲、扩散流道中液固两相流场的数值模拟及其分析

本文简要介绍了旋转、弯曲、扩散流道中,液—固两相流数值计算结果,进而从理论上分析了泵叶轮压力面遭受磨损和输送两相流时扬程降低的原因。     

一种基于直接计算高阶奇异积分的断裂力学双边界积分方程分析法

相对于有限元法,边界单元法在求解断裂问题上有着独特的优势,现有的边界单元法中主要有子区域法和双边界积分方程法.采用一种改进的双边界积分方程法求解二维、三维断裂问题的应力强度因子,对非裂纹边界采用传统的位移边界积分方程,只需对裂纹面中的一面采用面力边界积分方程,并以裂纹间断位移为未知量直接用于计算应力强度因子.采用一种高阶奇异积分的直接法计算面力边界积分方程中的超强奇异积分;对于裂纹尖端单元,提供了三种不同形式的间断位移插值函数,采用两点公式计算应力强度因子.给出了多个具体的算例,与现存的精确解或参考解对比,可得到高精度的计算结果.      

汶川地震诱发文家沟巨型滑坡 碎屑流基本特征及成因机制初步分析

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2008年5月12日,汶川M80地震在四川省绵竹市清平乡文家沟内诱发一巨型滑坡。通过现场调查得知,滑坡前后缘高差455m,厚度20～30m,滑面为基岩层面,初始方量2750×107m3。滑体在运动中转化为碎屑流。滑坡-碎屑流总的水平运动距离为4022m,垂直运动距离为1443m,遗留的堆积物体积达5×107m3。滑坡距映秀—北川断裂仅36km,位于其下盘,地震烈度达XI度。滑坡导致文家沟中48人遇害,并形成一条完整的地震次生地质灾害链。初步分析表明滑坡启动速度快,滑坡向碎屑流转化过程明显、地点明确。碎屑流运动过程复杂,伴有强烈的“气垫效应”和“前缘气浪冲击效应”。作者认为,文家沟滑坡的高启动速度是长持时强烈地震动作用的结果,与山体的猛烈碰撞是导致滑体解体并转化为碎屑流的原因。     

Preface: Orbits around asteroid

One of the core issues in modern celestial mechanics is the orbital dynamics in the near-regime gravitational field of as- teroids, which provides deep insights into the mathematical nature of a class of nonlinear systems, and plays as a critical basis for in situ explorations of different science goals. Lots of efforts have been made to reveal the characteristics of orbital motion in the vicinity of asteroids, and to improve the skills of asteroid research in methodology.     

Effet de l'anisotropie élastique cristalline sur la distribution des facteurs de Schmid à la surface des polycristauxInfluence of crystalline elasticity anisotropy on Schmid factor distribution at the free surface of polycrystals

Experimental studies of the plasticity mechanisms of polycrystals are usually based on the Schmid factor distribution supposing crystalline elasticity isotropy. A numerical evaluation of the effect of crystalline elasticity anisotropy on the apparent Schmid factor distribution at the free surface of polycrystals is presented. Cubic elasticity is considered. Order II stresses (averaged on all grains with the same crystallographic orientation) as well as variations between averages computed on grains with the same crystallographic orientation but with different neighbour grains are computed. The Finite Element Method is used. Commonly studied metals presenting an increasing anisotropy degree are considered (aluminium, nickel, austenite, copper). Concerning order II stresses in strongly anisotropic metals, the apparent Schmid factor distribution is drifted towards small Schmid factor values (the maximum Schmid factor is equal to 0.43 instead of 0.5) and the slip activation order between characteristic orientations of the crystallographic standard triangle is modified. The computed square deviations of the stresses averaged on grains with the same crystallographic orientation but with different neighbour grains are a bit higher than the second order ones (inter-orientation scatter). Our numerical evaluations agree quantitatively with several observations and measures of the literature concerning stress and strain distribution in copper and austenite polycrystals submitted to low amplitude loadings. Hopefully, the given apparent Schmid factor distributions could help to better understand the observations of the plasticity mechanisms taking place at the free surface of polycrystals. To cite this article: M. Sauzay, C. R. Mecanique 334 (2006).     

Nonlinear behavior of matrix-inclusion composites under high confining pressure: application to concrete and mortar

This paper is devoted to a micromechanics-based simulation of the response of concrete to hydrostatic and oedometric compressions. Concrete is described as a composite made up of a cement matrix in which rigid inclusions are embedded. The focus is put on the role of the interface between matrix and inclusion which represent the interfacial transition zone (ITZ). A plastic behavior is considered for both the matrix and the interfaces. The effective response of the composite is derived from the modified secant method adapted to the situation of imperfect interfaces. To cite this article: T.H. Le et al., C. R. Mecanique 336 (2008).     

Dynamics and Breakup of Viscoelastic Liquids (A Review)

The phenomena of hydrodynamic breakup of liquid jets, drops, films, bridges, and filaments are reviewed for liquids with viscoelastic properties. The reasons for breakup are capillary instabilities, collisions with rigid obstacles, and other forms of dynamic action. The relationship between the properties of the liquids and the features of the breakup process is discussed.     

Flow stability analysis and excitation using pulsating jets

Classical flow stability applied to transition from laminar to turbulent flow may also describe the behavior of vorticity fluctuations created by a pulsating jet placed along a solid boundary. A numerical laminar flow experiment involving a pulsating jet placed along the surface of a duct with flow separation downstream, resulted in eliminating most part of the separated flow region. Applying the same approach to a turbulent flow, it was possible to develop a turbulent stability flow formulation and apply successfully turbulent pulsating jet flow separation control. To cite this article: D. Skamnakis, K. Papailiou, C. R. Mecanique 333 (2005).