采用CFD-DEM方法分析了不同颗粒形状在90°弯头管道中引起的侵蚀现象

《Powder Technology》：CFD–DEM analysis of erosion in 90° elbow pipe induced by different particle shapes

颗粒形状对90°弯头管道侵蚀行为的影响研究采用CFD-DEM耦合方法，对比分析球体、球体-圆柱体及多面体颗粒的侵蚀差异。结果表明多面体颗粒因尖锐边缘产生更剧烈的冲击和动态运动，导致侵蚀最严重，验证了非球形颗粒在侵蚀模拟中的重要性。

　　这项研究围绕颗粒形状对90度弯头管道中磨损行为的影响展开，采用了耦合离散元法（DEM）和计算流体动力学（CFD）的方法，以期获得更精确的磨损预测。研究中主要关注了三种不同形状的颗粒——多面体、球柱体和球体，它们代表了工业环境中常见的不同角度和曲率特征。通过将模型与实验数据进行对比验证，研究发现多面体颗粒在预测磨损模式方面提供了最高的准确性，这反映了颗粒在现实场景中复杂相互作用的本质。多面体颗粒由于其不规则的表面和尖锐的边缘，表现出更强的撞击侵略性和动态运动，从而导致更高的磨损程度。相比之下，球形颗粒导致的磨损率被低估，因为其光滑的形状和对流场的干扰较小，突显了在磨损模拟中使用理想化颗粒几何形态的局限性。

研究还通过轨迹和力的分析进一步强调了多面体颗粒的独特行为，它们表现出更加不规则的运动轨迹和更高的阻力，而球柱体颗粒则显示出了中间特性。这些结果表明，在磨损模型中引入非球形颗粒几何形态对于提升预测准确性具有重要意义。研究的发现为未来的磨损研究和工业应用提供了宝贵的参考，尤其是在如何通过改进系统设计来减少磨损和延长设备使用寿命方面。

磨损是指由于流体携带固体颗粒的持续接触，导致材料表面逐渐损失的现象。这一过程在许多工业应用中都对设备的退化起着重要作用。在颗粒悬浮于流动介质的系统中，磨损问题尤为突出，因为颗粒的持续撞击和滑动会对表面造成严重损伤，从而显著缩短设备的使用寿命。这种现象在诸如石油天然气、采矿和化工制造等行业中尤为关键，其中管道是受影响最严重的部分。弯头和肘管由于其显著的曲率，材料退化速度更快，其几何形状会导致流体行为和颗粒轨迹发生重大变化。这些变化增强了颗粒与管道壁的相互作用，使得这些区域比直管部分更容易受到损害。

近年来，数值模拟方法在分析弯头几何形状中的流体行为、评估泵的效率以及估计磨损分布方面变得至关重要，这是由于计算方法的进步。为了表示颗粒在流体中的运动，两种广泛采用的方法是离散相模型（DPM）和离散元法（DEM）。研究发现，DPM将颗粒视为质点，这种方法虽然计算效率高，但无法准确捕捉颗粒形状、大小和碰撞对磨损行为的影响，特别是在处理非球形颗粒或高浓度颗粒流时。即使在低至中等质量负载的情况下，颗粒碰撞对磨损的影响也应引起重视。

此外，假设颗粒为球形会大大简化相互作用，导致磨损预测常常与实验数据不符。这些不足强调了需要更先进的方法，以融入颗粒特有的动态特性，从而提升CFD在磨损预测中的准确性。为克服CFD中颗粒建模的局限性，研究人员采用了离散元法（DEM），这是一种强大的技术，用于模拟单个颗粒的行为。DEM依赖于牛顿力学来计算颗粒在多相流中的旋转和线性运动，捕捉颗粒轨迹并考虑不同的接触力，包括颗粒与颗粒以及颗粒与壁面之间的相互作用，提供了更详细和动态的颗粒行为理解。为了提高磨损预测的精度，研究人员将DEM与CFD相结合。这种结合通过有效捕捉非球形颗粒的运动和相互作用，增强了模拟的准确性。例如，一些研究已经应用CFD-DEM框架来分析颗粒在管道系统中的运动和磨损行为。

在相关研究中，DEM相较于DPM的优势在于其能够融入颗粒形状这一关键因素，这对于磨损现象的分析至关重要。非球形颗粒，如尖锐边缘的沙粒，与表面的相互作用方式与球形颗粒不同，常常以更尖锐的角度反射。这些相互作用导致的磨损模式与球形颗粒造成的磨损模式存在显著差异。通过将CFD与DEM结合，研究人员可以更有效地模拟泵送系统中的多相流，从而捕捉标准CFD模型通常忽略的复杂行为。

多年来，人们一直致力于研究流体携带颗粒与管道表面的相互作用方式。然而，大部分研究集中在理想化的球形颗粒上。它们的一致几何形状简化了建模过程，因为单一的尺寸值可以表征其运动，而传统的阻力公式能够给出相对准确的预测。然而，在现实工业环境中，如石油开采、矿物加工和化工制造中，颗粒很少表现出完美的对称性。相反，它们往往具有复杂、不规则的形状，这些形状对颗粒的运动轨迹、撞击响应和磨损效果产生了显著影响。尽管这些非球形颗粒在工业中普遍存在，但它们对管道中磨损的影响尚未得到充分研究。

本研究将重点放在颗粒形状对磨损的影响上，特别关注了90度弯头管道中磨损最显著的区域。不同于传统模型假设颗粒为球形，本研究探讨了多种颗粒形状，包括球体、多面体和球柱体，以更好地反映颗粒几何形状的多样性。这些形状的变化引入了阻力行为、旋转和接触力的不同，这些因素通常在标准模拟中被忽视。为了更准确地捕捉这些影响，本研究采用了耦合CFD-DEM的方法。这种方法使得对弯曲管道系统中磨损行为的分析更加详细和具有代表性。

本研究，据我们所知，是首次使用基于DEM的方法来分析不同颗粒形状对90度弯头管道中磨损和颗粒运动的影响。以往的研究，如Zeng等人（2014）[16]，使用DPM模型并假设颗粒为球形，未考虑形状对旋转或壁面撞击的影响。在本研究中，我们使用DEM来捕捉更加真实的颗粒相互作用，包括旋转行为，这对于预测磨损至关重要。Zeng等人的实验结果仅用于验证模拟的准确性，以确保模型的可靠性。这种方法有助于加深对非球形颗粒引起磨损的理解，并为工业应用提供有价值的参考。