旋流诱导的含颗粒输运系统弯管冲蚀控制

《Journal of Ocean Engineering and Science》：Swirl-Induced Erosion Control in Elbow Pipes for Particle-Laden Transport Systems

　　

确定最优入口旋流强度范围以降低弯管磨损。随着入口旋流强度的增大，管壁上的冲蚀热点发生迁移。在旋流条件下，颗粒粒径对磨损率的影响较颗粒密度更为显著。

含颗粒多相管道输送系统中，固体颗粒造成的弯管壁面冲蚀直接影响系统稳定性与设备寿命。这一问题在深海采矿水力提升系统中尤为突出：粗颗粒多金属结核或沉积物需经数千米垂直与水平管道输送，而高静水压力、复杂海流和动态船体运动使弯管段因惯性撞击和二次流而承受严重冲蚀。标准弯管对硬质颗粒的撞击尤为敏感，壁面磨损会缩短管道寿命并可能引发泄漏风险。由于冲蚀实验耗时、颗粒—壁面作用难以直接追踪，数值模拟成为预测和减缓弯管冲蚀的重要途径；其中CFD-DEM方法能较精确地处理高浓度粗颗粒流动与碰撞过程。已有研究表明旋流辅助输送可降低管壁磨损，但入口旋流强度与壁面磨损之间的关系、磨损热点的迁移规律以及是否存在最优强度范围仍未充分阐明。为此，研究人员采用CFD-DEM耦合Finnie磨损模型，通过在入口施加可控轴向与切向质量流量生成旋流，系统研究了入口旋流强度、颗粒粒径和颗粒密度对弯管壁面冲蚀的调控作用，并确定了最优入口旋流强度范围。该成果发表于《Journal of Ocean Engineering and Science》，为深海采矿等含颗粒输运系统的弯管防磨设计提供了依据。

研究人员采用的关键技术方法包括：CFD-DEM双向耦合数值模型；流体相采用RNG k-ε湍流模型；颗粒碰撞采用Hertz-Mindlin接触理论；壁面磨损采用Finnie磨损模型。入口旋流以旋流数S=∫U_zU_θr_pdA/(R_p∫U_z²dA)量化，模拟范围S=0–0.333。颗粒设定为球形，直径8–24 mm，密度1500–3500 kg/m³，体积浓度C_v=0.05。模型有效性通过Chen et al.弯管冲蚀实验数据进行了验证。

### 3.1 入口旋流强度的影响
通过对比不同S下弯管截面速度分布、二次流结构、颗粒运动轨迹及壁面磨损分布，研究人员发现：无旋流时弯管内形成经典Dean双涡；当入口旋流增强至S>3S₀时，旋流切向动量打破双涡对称性，双涡合并为集中单涡，流动进入旋流主导区。颗粒分布从随机/重力沉降状态逐渐转变为有序环形螺旋运动，有利于减少沉积并改善输送均匀性。壁面最大磨损率随S增大呈先降后升的非单调变化：S=2S₀时磨损率最低，较S=0降低32.5%，磨损热点由θ=40°–80°、φ=0°–30°迁移至φ=15°–45°；S=10S₀时磨损率最高，较S=0增加17.6%，热点移至φ=60°–75°。综合磨损抑制与颗粒流动均匀性，最优入口旋流强度范围为2S₀–4S₀。

### 3.2 颗粒粒径的影响
在S=4S₀条件下，研究人员分别模拟d_p=8、12、16、20、24 mm的颗粒流动与冲蚀行为。结果表明，粒径增大使颗粒在弯管外壁的富集现象更加明显，截面浓度呈环形分布，颗粒速度脉动强度随粒径增大而上升，其中弯管区脉动最强烈。壁面磨损率随粒径增大显著提高，最大归一化磨损率在d_p=24 mm时达到约2.0；磨损主要集中在外壁φ=30°–60°区域，并在φ=60°附近出现尖锐磨损峰。这说明大颗粒惯性效应增强，使其偏离流线并反复撞击管壁，从而导致局部严重冲蚀。

### 3.3 颗粒密度的影响
在S=4S₀条件下，研究人员比较了ρ_p=1500、2000、2500、3000、3500 kg/m³的颗粒流场与磨损分布。结果显示，密度增大同样增强颗粒向弯管外壁的富集，但颗粒速度脉动强度总体随密度增大而下降，水平管段对密度变化尤为敏感。壁面磨损率随密度增大呈近似线性上升，磨损峰位置保持在φ=40°–50°附近；高密度颗粒携带更高动能，使Stokes数增大，颗粒更倾向沿惯性直线运动而非跟随旋流螺旋运动。与粒径影响相比，密度变化对峰值位置的影响较稳定，但会显著改变磨损幅值。

### 讨论
研究结果表明，最大磨损率随入口旋流强度非单调变化的原因是旋流与Dean二次流之间的竞争。中等旋流（2S₀–4S₀）可部分破坏Dean双涡结构，削弱颗粒向弯管外壁的离心聚集，从而降低最大磨损率；高旋流则使颗粒形成紧贴管壁的环形/螺旋轨迹，沿同一路径反复碰撞，形成高度集中的磨损带，反而加剧磨损。模型的主要局限在于将颗粒视为球形并采用单分散体系，未考虑实际深海采矿浆料中颗粒形状和多分散粒径分布的影响。未来研究应考虑颗粒形状效应、多分散体系以及可解析几何结构的旋流发生器对最优旋流强度和磨损分布的影响。

### 结论
研究结论可归纳为：1）增大入口旋流强度使弯管双涡结构转变为集中单涡，颗粒由随机/重力沉降分布转变为有序环形螺旋运动，有助于提高输送效率；2）无旋流时磨损峰位于θ=40°–80°、φ=0°–30°；随S增大，最大磨损率先降后升且磨损热点发生迁移；S=2S₀时磨损率最小，较S=0降低32.5%；S=10S₀时磨损率最大，较S=0增加17.6%；兼顾磨损降低与颗粒流动，最优入口旋流强度为2S₀–4S₀；3）在S=4S₀条件下，增大颗粒粒径会提高整体磨损率并将磨损集中于φ=30°–60°，d_p=24 mm时最大归一化磨损率约为2.0，同时增强颗粒速度脉动；增大颗粒密度同样提高磨损率，峰值呈更线性增长，位置保持在φ=40°–50°附近，并在水平管段表现出更高的密度敏感性。