透過 Ansys Fluent 粉塵侵蝕模擬，協助延長管路壽命- 艾索科技

2024.06.27

透過 Ansys Fluent 粉塵侵蝕模擬，協助延長管路壽命

侵蝕磨損是由於固體顆粒反覆撞擊表面而造成的材料損失，會對石油、天然氣、水力運輸和化學過程等不同行業帶來重大的經濟損失。

Ansys Fluent 透過在先前的預設模型中增加三個行業標準模型，實現了更先進的侵蝕流體動力學建模，可協助能源公司更準確的進行管路侵蝕模擬！

管路侵蝕是如何發生的？

侵蝕會嚴重損壞通道、閥門和管件，導致更高的更換成本以及寶貴的生產時間損失。例如，一些石油和天然氣配件僅運行 30 分鐘後，就可能因為侵蝕率過高而發生故障！工程師需要快速評估數十種設計變體的侵蝕情況，以尋找延長零件使用壽命的方法，從而降低成本並最大限度地延長流程正常運作的時間。

侵蝕是由於固體顆粒反覆撞擊管道表面而發生的機械過程。如果表面材料具有延展性，重複的顆粒撞擊將導致凹坑和板片的形成；隨著後續的顆粒撞擊，凹坑將會增大，最終板片很容易被移入流動中，如下圖 a 所示。

另一方面，脆性材料在顆粒撞擊下會產生橫向和徑向裂紋，這些裂紋會不斷增長並最終形成小碎片，這些小碎片會被連續的固體顆粒撞擊而被移除，如下圖 b 所示。

侵蝕是一種複雜的現象，取決於許多參數。顆粒參數可以包括以下：

1. 顆粒形狀或稜角

2. 顆粒大小

3. 侵蝕顆粒硬度

另一方面，流動參數對侵蝕的影響更大，因為它決定了顆粒濃度、顆粒撞擊角度和撞擊速度。影響侵蝕的其他參數是目標表面的特性，即表面硬度和多相效應。

透過使用計算流體動力學 (CFD) 來理解固體顆粒引起的侵蝕已取得了進展， CFD 可以對通過管道和彎道中的流體流動和顆粒軌跡進行精確建模，一旦計算出顆粒與表面碰撞的撞擊速度和角度，就可以實現量化侵蝕速率的經驗相關性。

許多經驗侵蝕相關性已在文獻中發表，這些都包括插入其中的撞擊角度、撞擊速度、顆粒直徑、顆粒質量和碰撞頻率。典型的侵蝕模型具有以下一般形式，例如 Ansys Fluent 中預設的侵蝕流體動力學模型：

可以使用 CFD 直接計算顆粒撞擊角度、撞擊速度和質量流量，然而必須補充衝擊角度函數、粒徑函數和速度指數作為求解器的輸入。

除了預設值之外， Ansys Fluent 還增加了三種行業認可的侵蝕相關性，為您提供更大的靈活性：Finnie 侵蝕模型、Oka 模型和 McLaury 侵蝕模型圖。

Ansys Fluent 中提供的侵蝕模型

就像湍流建模一樣，沒有一種通用的侵蝕模型適用於所有情況。每個侵蝕模型都針對特定的流動場景進行了經驗校準，因此在使用任何侵蝕模型之前，應考慮每個模型的相關流動條件。

侵蝕速率通常是在域中建立流場後計算的，實際上您可以將其視為 CFD 分析的後處理步驟。因此可以使用以下步驟在低顆粒負載情況下（顆粒體積負載<10%）預測侵蝕：

Ansys Fluent 中的離散顆粒模型面板

粒子反射係數: 法線

粒子反射係數: 切向

在 DPM 頁籤下的牆邊界條件面板中選擇適當的侵蝕模型，有四種型號可供選擇，分別為通用 Fluent 模型、Finnie 模型、McLaury 模型和 Oka 模型，如果需要可以調整或參數化模型參數。
進行流程一次迭代，這足以釋放顆粒並計算參與表面上的侵蝕速率。
顯示感興趣牆上的侵蝕速率雲圖，可以在同一面牆上繪製不同的侵蝕模型進行比較。

輪廓面板

侵蝕速率雲圖－Oka 侵蝕模型

侵蝕速率表面輪廓－ McLaury 侵蝕模型

透過 Ansys Fluent 您將可以進行管路的參數研究，並優化穿過有限封裝空間的管道的壓力降和出口均勻性。

軟體可顯示需要修改幾何形狀方向，幫助我們進行管路的最佳化設計，以實現改善管路侵蝕現象的目標。

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