毕业论文课题相关文献综述
文 献 综 述
1.研究背景及意义
随着时代的发展，管道的数量、长度、输送的介质品种不断地变化发展，输送的条件和介质的特性也越来越复杂[1]。种种因素对管道内壁的造成的腐蚀将会导致管道过早的失效，从而造成许多不良后果[2-6]。管道内壁涂层技术始于国外，其最初目的是正是为了防止管道的内壁腐蚀[7-12]。内涂层具有成本低，工艺简单，涂覆容易等特点，是最有效和实用的防腐方法[13,14]。随着研究技术的深入，研究者们发现内涂层不仅可以起到保护作用，还可以降低管道内壁表面粗糙度、降低摩擦、提高管道寿命、减少能耗、节约成本[15,16]。在天然气管道上，还能防止夹杂在气流中的其他杂质沉积在被腐蚀的管道内壁表面上，从而提高管道的输气能力[17,18]。
我国管道内涂层技术的研发与应用起步较晚[19]，制管技术还很落后，新制的管子内壁的粗糙度可达0.045nm以上[20]。从而使得管道在投放应用后，引出了一系列问题，如管道使用寿命短，输送效率低等。因此，对管道涂层技术的研究，在保障下游用气质量和相关输气系统的安全，以及保证应用内涂层技术所带来的的社会性和经济性等方面具有重要意义[21-27]。目前研究管道内涂层技术的方法一般分为两种，即试验法和数值仿真法。试验法获得的结果直观可靠，其数据是改善内涂层技术的主要依据，但是试验法成本高，周期长[28,29]。数值仿真[30]是通过计算机仿真技术建立管道固-液两相流中近管壁流场、力场及温度场的仿真计算程序。通过这些程序来预测内涂层的工作效果。数值仿真能够减少试验次数，避免不必要的人力与物力资源的消耗，同时大大缩短试验周期，是解决此类问题的一种有效途径。
2.国内外研究现状
对于固-液两相流[31]的研究，我国的起步较国外稍有滞后。但随着对两相流理论[32]的深入了解，我国的研究水平一直在不断地上升。目前对固液两相的数值模拟主要有两类方法：（1）离散颗粒模型：欧拉-拉格朗日（Euler-Lagrange）方法；双流体模型：欧拉-欧拉（Euler-Euler）方法[33]。离散颗粒模型只把流体当做连续介质，将颗粒视为离散体系，在欧拉坐标系下考察流体的运动，在拉式坐标系下考察颗粒的运动。双流体模型把颗粒作为拟流体，认为颗粒与流体是共同存在且相互渗透的连续介质，两相都在欧拉坐标系下处理，其优点在于能够解决具有较高粒子浓度占主导地位的流场。Fluent作为国内外使用最广泛的CFD软件之一，被广泛用于科学研究中。研究者们利用Fluent进行建模与网格划分，并对涂层在固-液两相流中的与流场、应力场或温度场等进行模拟来研究不同工艺参数下的管道内涂层性能。如刘力红[34]等人利用了Fluent软件对前混合磨料射流技术高压管道中的固-液两相流场进行数值模拟，得出了水、磨料在管道中速度云图和磨料的体积分数分布图，考察了磨料浓度，高压管直径及水流量等参数的影响。
多相流条件下的材料侵蚀是一个受多种参数影响的复杂过程。了解侵蚀速率的物理机制，建立侵蚀速率预测的控制规律，对于减轻甚至避免侵蚀损伤具有重要意义[35]。彭伟，曹霞[36]等人就曾对固-液两相流管道弯管中固相颗粒的腐蚀利用Fluent进行了数值模拟。采用欧拉-拉格朗日双路耦合方法求解管道弯道内的液固流动。结合不同的侵蚀模型和两种颗粒壁面回弹模型，对侵蚀率进行了预测并将预测结果与试验数据进行比较，选择最准确的模型来计算一系列参数对侵蚀的影响。Jafari[37]等人则采用气固流动的欧拉-拉格朗日四路耦合模拟方法，对综合侵蚀模型所需的固体颗粒碰撞角和碰撞速度进行了评价并利用k-ε湍流模型来研究气相流。进而得出了不同内、外半径比和不同固相颗粒浓度对水平环形管内气固两相流动侵蚀率的影响。杨敏关，刘栋[38]等人对叶轮内输送不可压缩的固液两相流介质进行模拟，所选用的模型是混合型模型。吴宗武，孔建益[39]等人对石煤提钒搅拌浸出槽进行流场模拟，用GAMBIT建立流场实体模型，采用k-ε湍流模型、欧拉-欧拉多相流模型、以及多重参考系法处理搅拌桨区，对搅拌槽在直桨式和旋桨式两种类型下的流场以及装有挡板或导流筒后的流场进行了比较研究。贾慧芹，杨晓[40]等人对管内的放喷过程进行数值模拟，形成两相流动过程的数值模拟方法，研究不同条件下管内流态、压力、速度以及相比例的分布情况。杨新乐，张永利[41]等人以k-ε双方程模式湍流流动为理论基础，利用有限元分析软件对固液两相射流前混合喷嘴外冲击流场进行数值模拟，得到前混合磨料水射流喷嘴外冲击流场的速度场和应力场变化。叶群，胡敬宁[42]等人采用标准k-ε湍流模型对固液两相离心泵内部流场进行了三维非定常数值模拟，分析了不同时刻叶片和隔舌相对位置对离心泵瞬时性能及压力脉动的影响。范茏，毛在砂[43]等人采用两相流体模型，改进的内外迭代法对流场进行模拟来研究不同流场的影响。
3.研究内容
通过查阅相关文献，大致了解了管道内壁涂层防护的相关知识以及固液流畅模拟方面的相关研究。同时，对如何应用Fluent软件来对流场进行模拟仿真计算有了初步的了解。在此期间，我发现我国对管道涂层技术的研究方面起步较晚，在国内对管道涂层技术的研究方面的文献也相对较少。但是，随着各行各业对于管道的依赖以及西气东输等国家工程的开展，越来越多的问题显露了出来。输送油、气及化工物料的管道在运行过程中都因受到了不同程度的腐蚀与磨损而造成许多不良的后果。而油、气等管道的腐蚀不仅造成了大量的经济损失，甚至导致了一些灾祸的发生，例如，管道内壁破损穿孔使得油或气体泄露，严重污染了周围的环境，若遇到明火，更有可能导致爆炸或火灾 ，进而引发更多的问题，造成更大的经济损失。为了保护管体免受输送介质的磨损和腐蚀，减小输送阻力，降低成本，节约资源，使管道长周期安全有效的运行，对管道内涂层技术及影响涂层性能的参数进行研究与剖析显得尤为重要。如何用相对简易的方法，制备能增强管道耐腐蚀性能和耐摩擦性能的内涂层，在不降低管道本身优异的力学性能的前提下，提高的管道的使用寿命和使用安全性，仍是目前管道内涂层技术面临的迫切解决的问题。因此，我将通过建立管道内壁模型，利用Fluent进行合理的网格划分并整理模型计算数据资料，分析不同粗糙度下固-液两相流中流场，温度场及压力场的变化来探讨管道内壁粗糙度对其影响，从而探讨各场的分布规律以及随粗糙度的变化规律，为管道内壁涂层的制备及其在流动冲刷腐蚀环境中的应用提供理论基础。同时避免了因传统试验法而造成的人力与物力资源的浪费，在短时间内制备出耐腐蚀性与耐磨性能好的内涂层，达到恢复或维持管道使用安全性和使用寿命上的目的。
参 考 文 献
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