冰水两相流流动及磨损特性研究

论文摘要

管道在海洋工程输水、输油方面具有重要作用。低温条件下,管道在使用过程中时常受到细碎冰晶干扰。细颗粒冰晶混入管道中容易产生冲蚀磨损,粗颗粒冰晶混入管道中容易导致管道输送阻力的上升,冰晶颗粒混入管道中也易造成管道的积聚。降低冰晶对管道冲蚀磨损影响、预防管内积聚已成为学界关注的热点。本文基于计算流体力学和离散单元法,对直管内的流动特性、弯管内的冲蚀磨损和直管内的积聚问题进行研究,主要研究内容如下:（1）以计算流体力学和离散单元法为理论基础,建立管道内液相流动的CFD模型以及颗粒间碰撞模型,并通过CFD-DEM耦合方法验证,从而证明直管流动特性的准确性。（2）采用CFD-DEM耦合方法对直管内冰水两相流的流动特性进行研究,重点研究流态、阻力特性和流场的变化规律,分析流速、粒径、体积分数和入射角度四种参数对流态、阻力损失和流场影响。结果表明静床流、动床流、悬浮床流的演变与流速、体积分数、粒径有关,颗粒入射角度对于流态的转变影响很小;流速越快、粒径越大、体积分数越高管道压降也就越高,但颗粒的粒径分布由窄变宽时,压降先减小后增大;单一粒径和流速对流场影响很大,而粒径分布和体积分数对流场的影响作用很小。（3）基于CFD模型分析斯托克斯数、粒径分布、流速、颗粒形状、弯管属性对冲蚀磨损特性影响,重点分析最大穿透率和最大冲蚀磨损区域的变化。结果表明斯托克斯数、粒径分布、流速、颗粒形状、弯管布置方式对最大冲蚀磨损区域影响较大;单一粒径相比存在粒径分布时对管道造成的磨损穿透率更大;流速越大、颗粒形状系数越大、弯管硬度越小、弯径比越小,穿透率越大,同时弯管布置方式也对穿透率存在一定影响。（4）采用CFD-DEM耦合方法研究直管内积聚特性问题,考虑粗颗粒冰粒流速、颗粒直径和颗粒形状对堆积位置和程度的影响,分析细颗粒在不同流速下直管内的聚并规律。结果表明,对粗颗粒冰晶而言,流速越大,颗粒直径越小管道越不容易出现积聚,六种颗粒形状中针状颗粒最容易使管道出现积聚、堆堵;对细颗粒冰晶而言,随着流速的增大,细颗粒在出口管段处聚并数量减少,聚并的颗粒体积越小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•     1.1.1 管道冰水两相流流动特性研究现状
•     1.1.2 管道两相流冲蚀磨损的研究现状
•   1.2 研究目标和内容
•     1.2.1 研究目标
•     1.2.2 研究内容
•     1.2.3 技术路线
• 第2章 数值模拟理论及模型建立
•   2.1 固液两相流数值模拟理论
•     2.1.1 欧拉-拉格朗日法
•     2.1.2 欧拉双流体法
•     2.1.3 欧拉-离散单元法
•   2.2 数值模型
•     2.2.1 连续相控制方程
•     2.2.2 湍流模型
•     2.2.3 离散单元法颗粒控制方程
•     2.2.4 离散相颗粒控制方程
•     2.2.5 冲蚀磨损模型
•     2.2.6 壁面条件设置
•   2.3 本章小结
• 第3章 直管内冰水两相流流动特性研究
•   3.1 物理模型和网格划分
•   3.2 流动特性的验证及检验
•     3.2.1 流动特性检验
•     3.2.2 流动无关性检验
•   3.3 湍流模型的选取
•   3.4 直管内冰水两相流流态分析
•     3.4.1 流速对流态影响
•     3.4.2 粒径对流态影响
•     3.4.3 体积分数对流态影响
•     3.4.4 颗粒入射角度对流态的影响
•   3.5 直管内阻力损失分析
•     3.5.1 流速对流动阻力影响
•     3.5.2 粒径对流动阻力影响
•     3.5.3 体积分数对流动阻力影响
•     3.5.4 颗粒入射角度对流动阻力影响
•   3.6 管道内海水流速分布研究
•   3.7 本章小结
• 第4章 冰水两相流管道冲蚀磨损特性研究
•   4.1 物理模型和网格划分
•   4.2 流场分析
•   4.3 斯托克斯数对于冲蚀磨损影响
•   4.4 粒径分布对冲蚀磨损影响
•     4.4.1 单区间粒径相对最大数量对冲蚀磨损影响
•     4.4.2 双区间粒径相对最大数量对冲蚀磨损影响
•     4.4.3 单区间粒径绝对数量对冲蚀磨损影响
•   4.5 流速对冲蚀磨损影响
•     4.5.1 颗粒与流场速度同步
•     4.5.2 颗粒与流场速度不同步
•   4.6 颗粒形状对冲蚀磨损影响
•   4.7 弯管属性对冲蚀磨损影响
•     4.7.1 弯管表面粗糙高度影响
•     4.7.2 弯管硬度影响
•     4.7.3 弯管布置方式影响
•     4.7.4 弯管弯径比的影响
•   4.8 本章小结
• 第5章 管道内积聚现象研究
•   5.1 管道积聚现象分析
•   5.2 管道积聚因素分析
•     5.2.1 粗颗粒在管道内堆积
•     5.2.2 细颗粒在管道内聚并
•   5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间获得的科研成果
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘寒秋

导师: 刘爱华

关键词: 管道,冰水两相流,流动特性,冲蚀磨损特性,积聚特性

来源: 武汉理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 武汉理工大学

分类号: P756.2

DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.000440

总页数: 107

文件大小: 17557K

下载量: 35