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管路系统广泛地应用于石油、化工、电力、天然气等过程工业领域中的流体输送,每年因弯管冲蚀破坏造成的经济损失不可估量。为了降低流动加速腐蚀速率,提高设备安全运行周期,学者们提出了许多降低流动加速腐蚀速率的方法,并且取得了一定的成果。 本文主要从流体力学角度出发,采用加装弯管前置扰流子的方法,通过改善弯管内部流场结构,降低流体对腐蚀产物膜的作用力,以此来降低弯管流动加速腐蚀速率。并应用CFD软件FLUENT,对防腐型弯管前置扰流子进行数值模拟和优化设计,主要从以下几个方面进行研究: (1)扰流子叶片横截面翼型的选择。管道内的雷诺数范围一般处在[105,106]之间,对于每一种特定的翼型在某一雷诺数区间内,均有一个最优升阻比。依据空气动力学理论知识,叶片横截面翼型的选择原则是:在雷诺数区间为[105,106]范围内,选取升阻比较大的翼型作为扰流子叶片横截面,且其翼型的无升力攻角尽可能的小。翼型的类型很多,而且因各种不同需要不断产生新的翼型,所以经过初步筛选,NACA0009、M-6、斯奇伯格、3307b、Go-417a5、E63、AG10、AG09这几种翼型满足条件要求,为后面建立有限元模型进行数值模拟计算提供有利参考。 (2)扰流子结构及安装尺寸对其性能的影响。弯管内部流场分布非常复杂,加装防腐型弯管前置扰流子之后能够使其得到大大改善,使得弯管外弯曲面的压力相较之前明显减小。探讨扰流子的叶片弦长、叶片安装攻角、扰流子的安装尺寸对扰流子的最终效果影响,为后续的优化设计工作提供依据。模拟结果显示:(a)保持其他变量不变,单独考虑叶片弦长的影响,随着叶片弦长的增大,弯管中心面外侧的最大压力系数增大;(b)单独考虑叶片安装攻角的影响,当θ在1°到2°范围内,最大压力系数随着安装攻角的增加而减小;从2°至6°,最大压力系数随着安装攻角的增大而增大;(c)单独考虑扰流子安装距离l的影响,在0mm到10mm之间,弯管中心面外侧的最大压力系数减小,呈现良好的趋势。之后,随着l的增大,最大压力系数反而增大。 (3)扰流子的优化设计。通过正交设计,根据影响扰流子性能的合理参数:扰流子的叶片弦长L、叶片安装攻角α、扰流子安装距离l设计三因素五水平正交试验。以弯管中心面外侧的压力系数为目标函数,对弯管前置扰流子结构结构与安装尺寸进行优化设计。优化后的方案为:在研究范围内,叶片弦长L=0.5D、叶片安装攻角α=2°、扰流子安装距离l=10mm,并且优化方案下的扰流子中心面外侧的最大压力系数与原始管道中心面外侧的最大压力系数相比减少了16.22%。