\r王华昆1, 2,余建星1, 2,余 杨1, 2,谭玉娜1, 2,李修波1, 2,冯志强\r3\r
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AuthorsHTML:\r王华昆1, 2,余建星1, 2,余 杨1, 2,谭玉娜1, 2,李修波1, 2,冯志强\r3\r
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AuthorsListE:\rWang Huakun1,Yu Jianxing1, 2,Yu Yang1,Tan Yuna1, 2,Li Xiubo1, 2,Feng Zhiqiang\r3\r
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AuthorsHTMLE:\rWang Huakun1,Yu Jianxing1, 2,Yu Yang1,Tan Yuna1, 2,Li Xiubo1, 2,Feng Zhiqiang\r3\r
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Unit:\r1. 水利工程仿真与安全国家重点实验室(天津大学),天津 300072;
2. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240;
3. 钦州学院机械与船舶海洋工程学院,钦州 535011\r
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Unit_EngLish:\r1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety(Tianjin University),Tianjin 300072,China;
2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration,Shanghai 200240,China;
3. Institute of Mechanical and Marine Engineering,Qinzhou University,Qinzhou 535011,China\r
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Abstract_Chinese:\r针对油气输送管道中的固体颗粒侵蚀问题,提出了一种更符合实际细砂形状的二维、三维细砂数值模拟方法.根据不规则天然石英砂微粒的扫描电子显微镜(SEM)检测结果,采用图像处理技术和数理统计方法,得到不规则细砂平面投影形状的统计分布类型及分布参数.试验结果表明:砂粒周长(p)、平面投影面积(A)、等效直径(D)、等效椭圆主轴长(Lmaj)和短轴长(Lmin)服从对数正态分布(Lognormal)或广义极值分布(GEV)分布,而纵横比(AR)则服从GEV 分布.基于试验统计分析结果,考虑颗粒长短轴之间的比例关系以及面积、周长与长短轴之间的内在联系,提出了一种二维不规则细砂颗粒模拟的新方法.基于二维细砂模拟结果,考虑颗粒厚度分布,提出了三维随机细砂模型模拟方法.通过Matlab 和Python 编程,基于ABAQUS 平台建立了二维和三维砂粒有限元模型.结果表明:该方法不仅可以考虑颗粒分布参数之间的内在联系,而且模拟精度较高,根据已有的砂粒形状分布参数即可构建合理的砂粒有限元模型.此外,该方法也可模拟几何形状更复杂的石英砂颗粒.通过自顶向下建模方法和圆角功能,可实现非尖锐颗粒的三维模拟,使得数值模型更贴近实际.本文试验结果及数值模拟方法可为油气输送管道颗粒侵蚀数值模拟和侵蚀机理研究提供依据.\r
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Abstract_English:\rConsidering the problem of solid particle erosion in oil and gas pipelines, this paper proposes a numerical simulation method that can simulate the actual shape of two-dimensional (2-D) and three-dimensional (3-D) fine sand. According to the scanning electron microscopy test results of irregular natural quartz sand particles combined with image processing techniques and mathematical statistics methods, the distribution types and distribution parameters of in-plane shape of irregular sand particle were obtained. The experimental results show that the perimeter (p), planar projection area (A), equivalent diameter (D), major axis length (Lmaj), and minor axis length (Lmin) of equivalent ellipse follow a lognormal distribution or generalized extreme value distribution (GEV) whereas the aspect ratio (AR) follows
the GEV distribution. Based on the statistical analysis of the test results, the inherent relation between the major and minor axes and the relation between the area, perimeter, and major and minor axes were considered and a new numerical method for 2-D irregular sand particles was proposed. Based on the 2-D simulation results and the distribution of the thickness of fine sand, a 3-D modeling method for stochastic fine sand was proposed. Both the 2-D and 3-D finite element models of sand particle were established within the framework of ABAQUS by a user-defined Matlab and Python program. The results indicated that the proposed method not only considers the inherent relation between the distribution parameters but also features high simulation accuracy. A reasonable finite element model of sand particles can be constructed according to the existing distribution parameters of sand. Additionally, the proposed method can be used to simulate complicated quartz sand particles. A 3-D model of particles without sharp corners is realized based on the top-down modeling method and rounded function; this model becomes more consistent with practice. The test results and numerical modeling methods can provide basic information for the study on the numerical simulation of particle erosion and the mechanism of erosion of oil and gas pipelines.\r
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Keyword_Chinese:侵蚀;石英砂;统计分析;数值模拟\r
Keywords_English:erosion;quartz sand;statistical analysis;numerical simulation\r
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不规则细砂的统计特性及二维/三维数值模拟\r\n\t\t
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