[发明专利]一种减轻固粒对壁面冲蚀磨损的方法

说明书

技术领域

本发明属于壁面磨损领域，特别涉及一种减轻固粒对壁面冲蚀磨损的方法。

背景技术

在钢铁、机械及石化等工程领域存在大量的气-固两相流动体系，如两相叶轮机械、气力输送及除尘装置等。由于气流中的固粒速度很大，而且经常偏离流线，所以会对壁面产生冲击磨损，影响正常生产并带来事故隐患。因此，有必要研究该类流动体系的壁面磨损行为。通常有两种方法来减轻壁面磨损，其一是提高壁面材料的抗磨性，如使用耐磨材料、在壁面上镀覆耐磨材料或对壁面进行改性处理等，但采用该种方法往往导致成本提高。其二是根据气-固两相流理论，通过改变壁面形状来改变近壁流场的条件，从而影响固粒的速度和轨迹，最终减轻固粒对壁面的磨损。近年来的研究有采用在壁面上沿流体垂直方向焊肋条的方法，这种方法虽能减轻磨损，但带来流场附加损失；另有在流场入口引进扰动促进拟序结构的产生以减轻磨损，虽然此方法的减磨效果较好，但较难实施。

本发明针对现有技术的不足，综合考虑了成本，流场损失，可行性等多方面因素，提出了减轻固粒对壁面冲蚀磨损的经济有效的方法，并给出了减磨效果最明显的开槽方式，界定了获得较低磨损率所需颗粒粒径和入射角的范围。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种减轻固粒对壁面冲蚀磨损的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种减轻固粒对壁面冲蚀磨损的方法，该方法包括：

（1）在壁面上开凿纵向沟槽，且沟槽宽度与沟槽间距相等；

（2）固体颗粒加工至直径小于50μm的小颗粒；

（3）调整固体颗粒入射角为10°~30°或70°~90°。

本发明的有益效果是：本发明通过在壁面上开凿纵向沟槽以减轻固粒对壁面磨损，从而以一种较低成本的方式对在钢铁、机械及石化等工程领域存在大量气-固两相流动体系的设备起到有效的保护，减少了设备的维修与更新，同时降低了长期运行的大型设备由于磨损带来的事故隐患，提高了生产的稳定与安全，从而带来一定的经济效益。

附图说明

图1是试验装置示意图；

图中，储气罐1、管道2、阀门3、压力计4、流量计5、粉煤灰罐6、试件7、分离器8、收集箱9、通风机10。

具体实施方式

本发明减轻固粒对壁面冲蚀磨损的方法为：在壁面上开凿若干纵向沟槽，以减轻固粒对壁面磨损。当沟槽宽度与沟槽间距相等时，减轻磨损的效果最显著。在壁面和颗粒材料确定的情况下，磨损率取决于颗粒的尺寸及进口处颗粒运动方向。当壁面材料为A3钢，壁面长度，宽度，厚度为450mm×120mm×15mm，壁面开槽宽度，高度及沟槽间距为6mm×5mm×6mm，对于密度为1500kg/m³粉煤灰颗粒，当颗粒直径为0~50μm，入射角为10°~30°或70°~90°时，单位质量颗粒的磨损率可小于9mm³。其中磨损率定义为碰撞到壁面的单位质量颗粒所产生的壁面磨损体积损失，单位是mm³。入射角定义为进口处颗粒运动方向及水平方向之间的夹角，单位是度数。

由于气流中的固粒速度很大，而且经常偏离流线，对固粒在湍流场中与壁面的碰撞磨损的测量难度极高。因而本发明所提出的方法其推导依据是基于数值模拟和实验验证两种方法。

其中数值模拟方法中模型包括近壁流场模型和颗粒模型。颗粒在近壁流场中受到多种力的作用而运动，采用拉格朗日法计算作用在固粒上的力，然后得到固粒的运动信息，再就固粒效应对流场进行修正。由于涉及的流场中存在局部低雷诺数区域，难以直接应用标准k-ε模式，因此需采用针对低雷诺数情形修正过的k-ε模式。首先，在边界条件下求解湍动能和耗散率得到气流场的速度，将计算区域划分成子区域，并将方程在子区域上积分后得到一系列代数方程，然后迭代求解。其次，计算颗粒速度和轨迹。第三，考虑颗粒对流场反作用下的流场速度修正。第四，当颗粒碰到壁面时，计算颗粒的反弹速度和角度，同时计算壁面的磨损量。最后，颗粒碰到壁面后，根据颗粒的反弹速度和角度，从第三部开始继续计算。计算时，每个算例的颗粒数为8万，颗粒在入口处沿y和z方向等距离分布，间距为1mm，初始时刻的颗粒和气流的速度相同，颗粒的初始运动方向随机选取。经过大量计算，最终得出开凿纵向沟槽后颗粒对壁面的磨损，以及磨损率与沟槽高度和间距的关系，颗粒对壁面磨损的影响等。