專利名稱：一種減輕固粒對(duì)壁面沖蝕磨損的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壁面磨損領(lǐng)域，特別涉及一種減輕固粒對(duì)壁面沖蝕磨損的方法。
背景技術(shù)：
在鋼鐵、機(jī)械及石化等工程領(lǐng)域存在大量的氣-固兩相流動(dòng)體系，如兩相葉輪機(jī)械、氣力輸送及除塵裝置等。由于氣流中的固粒速度很大，而且經(jīng)常偏離流線，所以會(huì)對(duì)壁面產(chǎn)生沖擊磨損，影響正常生產(chǎn)并帶來(lái)事故隱患。因此，有必要研究該類流動(dòng)體系的壁面磨損行為。通常有兩種方法來(lái)減輕壁面磨損，其一是提高壁面材料的抗磨性，如使用耐磨材料、在壁面上鍍覆耐磨材料或?qū)Ρ诿孢M(jìn)行改性處理等，但采用該種方法往往導(dǎo)致成本提高。其二是根據(jù)氣-固兩相流理論，通過(guò)改變壁面形狀來(lái)改變近壁流場(chǎng)的條件，從而影響固粒的速度和軌跡，最終減輕固粒對(duì)壁面的磨損。近年來(lái)的研究有采用在壁面上沿流體垂直方 向焊肋條的方法，這種方法雖能減輕磨損，但帶來(lái)流場(chǎng)附加損失；另有在流場(chǎng)入口引進(jìn)擾動(dòng)促進(jìn)擬序結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生以減輕磨損，雖然此方法的減磨效果較好，但較難實(shí)施。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，綜合考慮了成本，流場(chǎng)損失，可行性等多方面因素，提出了減輕固粒對(duì)壁面沖蝕磨損的經(jīng)濟(jì)有效的方法，并給出了減磨效果最明顯的開(kāi)槽方式，界定了獲得較低磨損率所需顆粒粒徑和入射角的范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種減輕固粒對(duì)壁面沖蝕磨損的方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種減輕固粒對(duì)壁面沖蝕磨損的方法，該方法包括(I)在壁面上開(kāi)鑿縱向溝槽，且溝槽寬度與溝槽間距相等；(2)固體顆粒加工至直徑小于50 μ m的小顆粒；(3)調(diào)整固體顆粒入射角為10° 30°或70° 90°。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過(guò)在壁面上開(kāi)鑿縱向溝槽以減輕固粒對(duì)壁面磨損，從而以一種較低成本的方式對(duì)在鋼鐵、機(jī)械及石化等工程領(lǐng)域存在大量氣-固兩相流動(dòng)體系的設(shè)備起到有效的保護(hù)，減少了設(shè)備的維修與更新，同時(shí)降低了長(zhǎng)期運(yùn)行的大型設(shè)備由于磨損帶來(lái)的事故隱患，提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定與安全，從而帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1是試驗(yàn)裝置示意圖；圖中，儲(chǔ)氣罐1、管道2、閥門3、壓力計(jì)4、流量計(jì)5、粉煤灰罐6、試件7、分離器8、收集箱9、通風(fēng)機(jī)10。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明減輕固粒對(duì)壁面沖蝕磨損的方法為在壁面上開(kāi)鑿若干縱向溝槽，以減輕固粒對(duì)壁面磨損。當(dāng)溝槽寬度與溝槽間距相等時(shí)，減輕磨損的效果最顯著。在壁面和顆粒材料確定的情況下，磨損率取決于顆粒的尺寸及進(jìn)口處顆粒運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)壁面材料為A3鋼，壁面長(zhǎng)度，寬度，厚度為450mmX120mmX15mm，壁面開(kāi)槽寬度，高度及溝槽間距為6mmX 5mmX6mm,對(duì)于密度為1500kg/m3粉煤灰顆粒，當(dāng)顆粒直徑為O 50 μ m,入射角為10° ^30°或70°、0°時(shí)，單位質(zhì)量顆粒的磨損率可小于9_3。其中磨損率定義為碰撞到壁面的單位質(zhì)量顆粒所產(chǎn)生的壁面磨損體積損失，單位是mm3。入射角定義為進(jìn)口處顆粒運(yùn)動(dòng)方向及水平方向之間的夾角，單位是度數(shù)。由于氣流中的固粒速度很大，而且經(jīng)常偏離流線，對(duì)固粒在湍流場(chǎng)中與壁面的碰撞磨損的測(cè)量難度極高。因而本發(fā)明所提出的方法其推導(dǎo)依據(jù)是基于數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩種方法。其中數(shù)值模擬方法中模型包括近壁流場(chǎng)模型和顆粒模型。顆粒在近壁流場(chǎng)中受到 多種力的作用而運(yùn)動(dòng)，采用拉格朗日法計(jì)算作用在固粒上的力，然后得到固粒的運(yùn)動(dòng)信息，再就固粒效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行修正。由于涉及的流場(chǎng)中存在局部低雷諾數(shù)區(qū)域，難以直接應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模式，因此需采用針對(duì)低雷諾數(shù)情形修正過(guò)的k-ε模式。首先，在邊界條件下求解湍動(dòng)能和耗散率得到氣流場(chǎng)的速度，將計(jì)算區(qū)域劃分成子區(qū)域，并將方程在子區(qū)域上積分后得到一系列代數(shù)方程，然后迭代求解。其次，計(jì)算顆粒速度和軌跡。第三，考慮顆粒對(duì)流場(chǎng)反作用下的流場(chǎng)速度修正。第四，當(dāng)顆粒碰到壁面時(shí)，計(jì)算顆粒的反彈速度和角度，同時(shí)計(jì)算壁面的磨損量。最后，顆粒碰到壁面后，根據(jù)顆粒的反彈速度和角度，從第三部開(kāi)始繼續(xù)計(jì)算。計(jì)算時(shí)，每個(gè)算例的顆粒數(shù)為8萬(wàn)，顆粒在入口處沿y和z方向等距離分布，間距為1_，初始時(shí)刻的顆粒和氣流的速度相同，顆粒的初始運(yùn)動(dòng)方向隨機(jī)選取。經(jīng)過(guò)大量計(jì)算，最終得出開(kāi)鑿縱向溝槽后顆粒對(duì)壁面的磨損，以及磨損率與溝槽高度和間距的關(guān)系，顆粒對(duì)壁面磨損的影響等。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法如圖1，高壓氣流從儲(chǔ)氣罐I中流出，由管道2經(jīng)過(guò)閥門3、壓力計(jì)4、和流量計(jì)5后，帶動(dòng)粉煤灰罐6中的粉煤灰流過(guò)試件7，接著由分離器8分離出粉煤灰，收集箱9中的粉煤灰可回收利用，管道尾部通風(fēng)機(jī)10用于產(chǎn)生負(fù)壓。固粒采用粉煤灰顆粒，密度為1500kg/m3，顆粒平均直徑為57μπι。壁面材料為A3鋼，與氣流的夾角可以調(diào)節(jié)，長(zhǎng)度、寬度、厚度分別為450mmX120mmX15mm，采用不開(kāi)溝槽及開(kāi)溝槽寬度、高度與溝槽間距分別為6mm X 5mm X 6mm和8mm X 5mm X 6mm的三種試件。在儲(chǔ)氣罐充滿高壓氣體使其壓力達(dá)到O. 392MPa，雷諾數(shù)Re ^ 105，流場(chǎng)為湍流。首先開(kāi)啟通風(fēng)機(jī)10而產(chǎn)生足夠的負(fù)壓，以保證粉煤灰能順利地流經(jīng)分離器8而進(jìn)入收集箱；再開(kāi)啟儲(chǔ)氣罐閥門3，調(diào)整壓力計(jì)4壓力至O. 294MPa，流量計(jì)5流量大約為28m3/h。隨后開(kāi)啟粉煤灰罐6閥門，使粉煤灰進(jìn)入管道系統(tǒng)，調(diào)整閥門使粉煤灰達(dá)到所需濃度。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)持續(xù)調(diào)整流量以保持氣體流量為常數(shù)，用精密天平稱量測(cè)定試件在試驗(yàn)前后的質(zhì)量損失，并以此作為磨損量。主要步驟如下第一步確定固粒采用粉煤灰顆粒，密度為1500kg/m3，顆粒平均直徑為57μπι ;壁面材料為A3鋼，與氣流的夾角可以調(diào)節(jié)，長(zhǎng)度、寬度與厚度分別為450mmX 120mmX 15mm,采用不開(kāi)溝槽及開(kāi)溝槽寬度、高度與溝槽間距分別為6mmX5mmX6mm和8mmX5mmX6mm的三種試件；雷諾數(shù)Re 105，流場(chǎng)為湍流。對(duì)于數(shù)值模擬方法每次試驗(yàn)顆粒數(shù)為8萬(wàn)，顆粒在入口處沿y和z方向等距離分布，間距為1mm，初始時(shí)刻的顆粒和氣流速度相同，顆粒的初始運(yùn)動(dòng)方向隨機(jī)選取。在此工作條件下，開(kāi)鑿縱向溝槽后的壁面相對(duì)于未開(kāi)鑿縱向溝槽的壁面，單位質(zhì)量顆粒的磨損率明顯減少，且開(kāi)溝槽寬度、高度與溝槽間距分別為6mmX5mmX6mm比8mmX5mmX6mm時(shí)磨損率低。對(duì)于實(shí)驗(yàn)方法在儲(chǔ)氣罐充滿高壓氣體使其壓力達(dá)到O. 392MPa，調(diào)整儲(chǔ)氣罐閥們壓力為O. 294MPa，流量計(jì)流量為28m3/h。用精密天平測(cè)得2種開(kāi)溝槽試件對(duì)應(yīng)于每單位質(zhì)量顆粒的磨損量分別為6. 6mm3和7. 8mm3,而不開(kāi)溝槽試件對(duì)應(yīng)于單位質(zhì)量顆粒的磨損量為10. 6mm3，表明在壁面上開(kāi)鑿縱向溝槽能夠減輕固粒對(duì)壁面的磨損，且當(dāng)開(kāi)溝槽寬度與溝槽間距相等時(shí)磨損率較低。第二步如表1，采用溝槽寬度與間距之比為3:1,2:1,1. 5:1，1:1，1:1. 5，1:2，1:3時(shí)進(jìn)行述職計(jì)算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溝槽的寬度與溝槽間距之比為1:1時(shí)磨損率最小，當(dāng)溝槽寬度大于或小于溝槽間距時(shí)磨損率均增大，故當(dāng)溝槽寬度與溝槽間距相等時(shí)減磨效果最好。表1:不同溝槽寬度間距之比下的磨損率
權(quán)利要求
1.一種減輕固粒對(duì)壁面沖蝕磨損的方法，其特征在于，該方法包括(1)在壁面上開(kāi)鑿縱向溝槽，且溝槽寬度與溝槽間距相等；(2)固體顆粒加工至直徑小于50m的小顆粒；(3)調(diào)整固體顆粒入射角約為UT~30°或70° ~ 90°。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種減輕固粒對(duì)壁面沖蝕磨損的方法，本發(fā)明通過(guò)對(duì)帶固粒的近壁流場(chǎng)進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提供了通過(guò)在壁面上開(kāi)鑿縱向溝槽以減輕固粒對(duì)壁面磨損的方法，并給出了減磨效果最明顯的開(kāi)槽方式，界定了獲得較低磨損率所需顆粒粒徑和入射角的范圍，為鋼鐵、機(jī)械及石化等工程領(lǐng)域的氣固流動(dòng)體系提供了減輕壁面磨損的有效方法。
文檔編號(hào)G01N3/56GK103018005SQ20121053249
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者林建忠, 袁方洋, 錢麗娟 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)