论文总字数：20557字

摘 要

随着时代的发展，管道的种类，数量，输送的介质类型不断地变化发展。加上外界因素的不确定性和不稳定性，使得管道在使用过程中容易出现各种各样的问题，如内壁易遭腐蚀或磨损破坏，从而导致管道过早失效，从而造成许多不良的后果。随之产生的管道内壁涂层技术正是用于解决此类问题的关键。目前，最普片的管道输送介质是固-液两相流体，而涂层的粗糙度对管壁处的流场、应力场以及温度场具有一定影响。本课题通过实验及计算机流体力学分析，以含沙粒的NaCl水溶液作为流体介质，通过Solidworks建立具有不同粗糙度的直角弯管。在Fluent中对模型进行定义和编辑，设置不同的参数和边界条件，利用标准的k-ɛ湍流方程对模型进行模拟，最终得到了不同粗糙度下管道内速度场、压力场和温度场的分布图。通过分析总结，我们可以得到各场的分布规律以及随粗糙度的变化规律，为管道内壁涂层的制备及其在流动冲刷腐蚀环境中的应用提供理论基础。

关键词：近管壁；涂层；粗糙度；固液两相；Fluent；数值模拟

Study on The Influence of Pipe Inner Wall Roughness on Near-pipe Wall Solid-liquid Two-phase Flow Field

Abstract

With the development of The Times, the type, quantity and medium type of pipeline are constantly changing and developing. Combined with external factors of uncertainty and instability, making it easier for the pipeline in the process of using all kinds of problems, such as the lining is easy damaged by corrosion or wear, which can lead to premature failure pipe, resulting in many adverse consequences. And the resulting coating on the inner wall of the pipe is the key to solving this problem. At present, the most common medium for pipeline transport is solid-liquid two-phase fluid. The roughness of the coating is related to the flow field, stress field and temperature field of the pipe wall. This topic through the experiment and analysis of computer fluid mechanics, in NaCl aqueous solution containing sand as a fluid medium. Build right Angle bends with different roughness using Solidworks. Define and edit the model in Fluent.Then set different parameters and boundary conditions.Simulate the model with the help of the standard k-turbulence equation.After the distribution diagram of velocity field, pressure field and temperature field in the pipeline with different roughness was obtained, we can start to analyze and summarize the picture.Through this, we can get the field distribution and the regularity, along with the change of roughness of pipe wall coating preparation and its application in flow scouring corrosion environment to provide theoretical basis.

Keywords: near tube wall; coating; roughness; solid-liquid two-phase; Fluent; numerical simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的意义与背景 1

1.2 课题研究进展分析 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 研究目的及主要研究内容 3

1.3.1 研究目的 3

1.3.2 主要研究内容 3

第二章 数值模拟理论基础 5

2.1 三大守恒方程 5

2.1.1 质量守恒方程 5

2.1.2 动量守恒方程 5

2.1.3 能量守恒方程 6

2.2 CFD简介 6

2.2.1 CFD的发展 6

2.2.2 CFD的数值模拟过程 6

2.2.3 控制方程的离散方法 7

2.2.4 数值模拟的先进性及局限性 8

2.3 Fluent简介 8

2.4 本章小结 9

第三章 建立仿真模型及Fluent软件应用 10

3.1 建立仿真模型 10

3.1.1 模型建立 10

3.1.2 网格划分 13

3.2 Fluent应用步骤 16

3.2.1 General设置 16

3.2.2 Models设置 17

3.2.3 Materials设置 20

3.2.4 边界条件设置 20

3.2.5 初始化计算 21

3.2.6 迭代计算 21

3.3 本章小结 23

第四章 直角弯管简化模型研究 24

4.1 直角弯管简化模型内流动速度场分析 24

4.2 直角弯管简化模型内流动压力场分析 25

4.3 直角弯管简化模型内流动温度场分析 26

4.4 直角弯管简化模型内DPM浓度分析 27

4.5 本章小结 29

第五章 直角弯管实际模型研究 30

5.1 直角弯管实际模型内流动速度场分析 30

5.2 直角弯管实际模型内流动压力场分析 30

5.3 直角弯管实际模型内流动温度场分析 31

5.4 直角弯管实际模型内DPM浓度分析 32

5.5 直角弯管实际模型内颗粒轨迹分析 32

5.6 直角弯管简化模型与直角弯管实际模型对比分析 33

5.7 本章小结 33

第六章 经济性分析 33

第七章 结论及展望 35

7.1 结论 35

7.2 展望 35

参考文献 35

致谢 40

第一章 绪论

1.1 课题研究的意义与背景

随着时代的发展，管道的使用越来越频繁，显现出的问题也越来越多。由于输送条件，输送介质等因素^[1]的影响，常常会导致管道内壁的腐蚀，从而使得管道过早的失效，从而造成许多不良后果^[2-6]。管道内壁涂层技术始于国外，其最初目的是正是为了防止管道的内壁腐蚀^[7-12]。管道内壁涂层技术具有相对容易，成本低廉，不许外界操作等特点，是目前最有效和实用的防腐方法^[13,14]。随着研究技术的深入，研究者们发现内涂层不仅可以起到保护作用，还能起到降低管壁表面粗糙度和降低流体与管道摩擦的作用，从而达到提高管道寿命、减少能耗、节约成本的作用^[15,16]，同时还能解决天然气管道的输气能力问题^[17,18]。

我国管道内涂层技术的研发与应用起步较晚^[19]，制管技术还很落后，新制的管子内壁的粗糙度可达0.045nm以上^[20]。从而使得管道在投放应用后，引出了一系列问题，如管道使用寿命短，输送效率低等。因此，为了保障下游用气质量和相关输气系统的安全，管道涂层技术的研究刻不容缓。同时通过研究，还能起到促进经济发展和社会进步的积极作用^[21-27]。目前的研究法方法一般分为两种，即试验法和数值仿真法。试验法具有结果直观可靠的优点其，但是成本过高，周期长^[28,29]。数值仿真^[30]是通过计算机仿真技术建立管道固-液两相流中近管壁流场、压力场及温度场的仿真计算程序。通过这些程序来预测内涂层的工作效果。数值仿真能够减少试验次数，避免不必要的人力与物力资源的消耗，同时大大缩短试验周期，是解决此类问题的一种有效途径。

1.2 课题研究进展分析

1.2.1 国外研究现状

Jafari^[31]等人则采用气固流动的欧拉-拉格朗日四路耦合模拟方法，对综合侵蚀模型所需的固体颗粒碰撞角和碰撞速度进行了评价并利用k-ε湍流模型来研究气相流。进而得出了不同内、外半径比和不同固相颗粒浓度对水平环形管内气固两相流动侵蚀率的影响。

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