具有仿生内表面结构的弯管抗冲蚀特性数值分析

作者：郭姿含; 张军^*; 黄金满; 李晖

来源：表面技术, 2023, 52(05): 90-100.

DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.05.009

• 弯管
• CFD–DPM
• 冲蚀
• 气固两相流
• 仿生表面
• 数值模拟
• 三角形槽

目的 管道冲蚀是气固两相流动中不可忽视的重要问题，直接影响管路系统的安全运行及管道的使用寿命。针对这一问题，从仿生学角度，参照沙漠红柳、沙漠蝎子等的体表形态，设计三角形槽、矩形槽、等腰梯形槽3种抗冲蚀特性的弯管仿生表面结构。方法 运用CFD–DPM方法，采用Finnie冲蚀模型，考虑颗粒与流体的双向耦合作用，对所设计的具有仿生表面结构的弯管抗冲蚀特性进行模拟，并考虑不同流速、颗粒质量流量对冲蚀的影响。在数值模拟基础上，采用正交试验法分析三角形槽仿生结构的3个主要参数对抗冲蚀特性的影响。结果 数值模拟结果表明，具有仿生表面结构的弯管冲蚀主要出现在弯头35°～60°区域槽的底部。3种槽表面仿生结构均可提高弯管的耐磨性，三角形槽的抗冲蚀特性最佳，提高了约38.33%，矩形槽次之，提高了约28%，等腰梯形槽最差，仅提高了约8.33%，且3种仿生表面结构的抗冲蚀性能优劣次序不随流速和颗粒质量流量的变化而变化；正交试验结果表明，在三角形槽中影响冲蚀的因素依次为槽间距、槽宽、槽深，最佳组合结构的抗冲蚀性能相较于普通弯管提升了约41.5%。结论 槽形仿生表面结构减小了颗粒与壁面的碰撞，降低了碰撞速度，从而减小了冲蚀。抗冲蚀性能最优的表面仿生结构为三角形槽，矩形槽次之，等腰梯形槽最差。在三角形槽中影响冲蚀的因素依次为槽间距、槽宽、槽深。该研究可对弯管的抗冲蚀特性设计提供新的思路。

• 单位
  集美大学