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固液两相流对弯曲管道冲蚀特性研究
| 论文题名： | 固液两相流对弯曲管道冲蚀特性研究 |
| 关键词： | 船舶管路系统;弯曲管道;固液两相流;冲蚀特性 |
| 摘要： | 十八世纪工业革命至今，船舶与航运业得到了巨大发展，随着十四五规划纲要的提出，国家对于经济发展的重视为航运业的发展迎来新的契机。航运扩能及船舶大型化发展，致使船舶管路系统也向智能化多样化发展，其中管道在输送液体介质时易夹杂固体颗粒，引发的冲蚀磨损行为会让管壁失效，管道冲蚀的重灾区出现在弯曲管道的弯管段，冲蚀造成的管壁磨损轻则造成管道寿命减短，重则导致管道功能失效，严重危害船舶安全。基于上述问题，本文以固液两相流 90°弯管、U 型弯管、双弯管为对象，采用计算流体力学（CFD）的方法对其流场、颗粒轨迹、冲蚀特性等方面进行了研究，对避免管路系统遭受冲蚀破坏而造成船舶安全事故，提升管路抗冲蚀性能具有实际意义，论文主要工作及成果如下： （1）基于欧拉-拉格朗日的方法，结合适用于弯管的湍流、颗粒离散相及冲蚀磨损的数学模型，构建了三种弯曲管道（90°弯管、U型管、双弯管）冲蚀磨损预测的数值模拟方法，将模拟得到的弯管冲蚀区域及最大冲蚀速率与文献中的试验数据进行对比，发现区域相似数值误差较小，验证了数值模型的可靠性。 （2）研究分析了不同流体颗粒参数、弯管结构参数及放置方向下90°弯管的流场、颗粒运动轨迹和冲蚀磨损特性，确定了影响因素对冲蚀区域与最大冲蚀速率的影响；探究了主要因素（入口流速、颗粒粒径、颗粒质量流速及放置方向）对U型管与双弯管的颗粒运动与冲蚀磨损规律，并对比分析了两者在速度、压力与壁面剪切应力分布上的区别，结果表明：90°弯管的最大冲蚀速率与颗粒质量流速呈正相关，与颗粒粒径为先降后升的关系，随着管径或弯径比的增大，弯管冲蚀面积变化呈相反趋势，弯管的最大冲蚀速率逐渐降低，当管径超过0.4m时弯管的抗冲蚀效果几乎不变，弯径比超过2.5时弯管的抗冲蚀提升效果减弱；通过改变弯管不同放置方向研究对冲蚀区域分布及最大冲蚀速率的影响，发现采取“倒L”式放置90°弯管能有效延长管道寿命；U型管的最大冲蚀区域分布于半圆形弯管段外拱侧，双弯管的最大冲蚀区域分布在第一个弯管段的两侧面，随着入口流速增大，双弯管的最大冲蚀区域也会出现在第二个弯管段外拱侧；U型管在不同流体、颗粒、放置方向因素下的抗冲蚀性能均好于双弯管。 （3）针对90°弯管受颗粒冲蚀磨损程度大的问题，根据分析结果结合对仿生学的研究，提出了一种外拱侧曲率为四倍管径、内拱侧曲率为两倍管径的胃形抗冲蚀弯管，通过改变管道内部颗粒轨迹和减弱管内二次流现象，降低颗粒对壁面的冲击力，在保证流体进出口速度及压力损耗不大的同时提升抗冲蚀效果。 |
| 作者： | 刘子煜 |
| 专业： | 机械 |
| 导师： | 余葵 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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