包钢矿浆管道三通和变径管部位数值模拟及磨损预测研究

摘要

包钢白云鄂博矿浆管道是目前国内压力最高、管径最大、输送能力最强的长距离铁精矿浆输送管道，它的投产运行给包钢集团带来了巨大的经济效益。然而，由于矿浆与管壁产生的磨耗行为以及管道时常出现恶劣运行工况等原因，导致管道局部组件内壁严重磨损，引发恶性事故，给生产运行造成危害，对职工的人身安全构成威胁。
　　本文针对此种情况，利用 FLUENT软件对铁精矿浆管道三通管和变径管两种易磨损管件进行了液固两相流模拟仿真，使用UDF将磨损模型写入FLUENT软件，得到管壁磨损云图，结合管内流场云图找出磨损较为严重的区域及磨损规律；通过对两种管件的磨损量监测，验证数值模拟结果的可靠性。同时，通过改变矿浆浓度和粒径大小，对三通和变径管的磨损情况及变化规律进行分析。研究表明：
　　1）矿浆管道三通管磨损较为严重的区域主要分布在两个出口管道靠近管道底部距中心轴0.2m的位置，且磨损率达到峰值，并以左右两个峰值为中心向外扩散，形成两片磨损较大的区域，区域半径约为0.2m。实际布控测量这两个位置，发现0.2m处的壁厚在整个三通管中最薄，说明数值模拟结果和实际磨损情况基本吻合，证明了模型假设的合理性，验证了数值模拟磨损预测的可行性。
　　2）矿浆管道变径管与三通管相比，整体磨损程度较小，在变径段与小管径直管连接处磨损最严重，实际监测得到，在变径管中此处的内壁最薄，与数值模拟情况基本一致；随着矿浆进入小管径直管，由于湍流动能和壁面切应力突然增大，导致矿浆对管壁的磨损增大，从连接处到之后0.1m处的管壁磨损仍然严重。因此，在对矿浆管道磨损的研究中，要将湍流动能和壁面切应力加入其中综合考虑，确保更为精确的磨损预测。
　　3）其它控制参数不变，磨损程度随着颗粒浓度的增大而变大，在正常运行浓度范围内，矿浆浓度控制在60%~65%时，三通管和变径管磨损程度相对较轻；在粒径为0-150μm范围内，随着矿浆粒径的增大磨损程度变大，但当粒径增大到100μm后，磨损增大的程度并不明显。

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1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 磨损研究的发展现状

1.3 管道磨损研究

1.4 管道多相流研究

1.5 磨损模型的发展

1.6 论文研究的主要内容

2 计算流体动力学基础

2.1 计算流体动力学简介

2.2 FLUENT软件

2.3 UDF编写

3 矿浆输送管道三通管流场的数值模拟

3.1 数学模型的建立和分析

3.2 几何结构及网格的生成

3.3 计算结果及分析

3.4 本章小结

4 矿浆输送管道变径管流场的数值模拟

4.1 数学模型的建立和分析

4.2 几何结构及网格的生成

4.3 计算结果及分析

4.4 本章小结

5 浓度和粒径对磨损的影响

5.1 浓度对磨损的影响

5.2 粒径对磨损的影响

5.3 本章小结

6 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录1 UDF

在学研究成果

致谢