流体机械

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管内异物动态流动路径数值计算方法及试验验证

王浩然 , 徐子航 , 许晓飞 , 王泽武

流体机械 | 设计计算 2026,54(3): 31-38

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流体机械 |设计计算 2026 , 54 (3) : 31 -38

管内异物动态流动路径数值计算方法及试验验证

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王浩然（1998），男，硕士研究生，主要从事承压结构完整性研究，E-mail：361202230@qq.com。

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王浩然, 徐子航, 许晓飞, 王泽武

作者信息

大连理工大学化工机械与安全系，辽宁大连 116024

通讯作者:

王泽武（1977），男，副教授，主要从事承压结构完整性研究，通信地址：116024辽宁省大连市大连理工大学西区化工实验楼H317，E-mail：wangzewu@dlut.edu.cn。

作者简介:

王浩然（1998），男，硕士研究生，主要从事承压结构完整性研究，E-mail：361202230@qq.com。

Numerical calculation method and experimental verification for dynamic flow path of foreign objects in pipelines

Haoran WANG, Zihang XU, Xiaofei XU, Zewu WANG

Affiliations

Department of Chemical Machinery and Safety，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

出版时间: 2026-03-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.03.004

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摘要

收起

受限湍流中复杂形状异物运动轨迹与受力特性的定量预测是评估工业管道系统安全风险的关键挑战之一。针对现有CFD软件在计算复杂运动边界时，网格重构效率低下和难以精确解析瞬态碰撞过程的不足，创新性提出一种耦合浸没边界法（IBM）与离散元法（DEM）数值计算方法，开发含球状异物的某变径管道流体流动模型，结合自适应SST k-ω湍流模型与DEM接触理论，实现流体-异物-管壁的多物理场双向耦合求解。搭建流体动力学试验测试台，采集球状异物在变径管内的悬浮高度，试验值与数值解平均误差小于10%，验证开发的数值模型的可靠性。同时，研究块状异物在同一变径管内的动态流动行为，与球状异物相比，其运动轨迹和流场特性存在显著差异。研究结果可为深入理解异物流动路径及潜在风险评估提供数值计算基础。

关键词

管道 / 异物 / 流动路径 / 浸没边界法 / 离散元法

Abstract

收起

Quantitatively predicting the motion trajectory and force characteristics of complexly shaped foreign objects （FOs） in confined turbulent flows is key to assess the safety risks of industrial pipeline systems.In response to the limitations of existing CFD software，particularly inefficient mesh reconstruction for complex moving boundaries and difficulties in accurately resolving transient collision processes，this study proposed an innovative coupled numerical method that integrated the immersed boundary method （IBM） and the discrete element method （DEM）.A fluid flow model for a variable‑diameter pipeline containing spherical FOs was developed，achieving bidirectional，multi‑physics coupling （among the fluid，the FOs and the pipe wall） by combining an adaptive SST k-ω turbulence model with DEM contact theory.A hydrodynamic experimental test rig was constructed to measure the suspended height of spherical FOs in the variable‑diameter pipe.This revealed an average error of less than 10% between the experimental and numerical results，thereby validating the numerical model's reliability.Furthermore，the dynamic flow behavior of a block‑shaped FOs in the same variable‑diameter pipe was investigated，revealing significant differences in trajectory and flow field characteristics compared to spherical FOs.These results lay the computational path for understanding FOs induced motion mechanisms and developing future risk assessment methods.

Key words

pipeline / foreign object / flow path / immersed boundary method / discrete element method

引用本文

王浩然, 徐子航, 许晓飞, 王泽武. 管内异物动态流动路径数值计算方法及试验验证. 流体机械, 2026 , 54 (3) : 31 -38 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.03.004

Haoran WANG, Zihang XU, Xiaofei XU, Zewu WANG. Numerical calculation method and experimental verification for dynamic flow path of foreign objects in pipelines[J]. Fluid Machinery, 2026 , 54 (3) : 31 -38 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.03.004

正文

收起

0　引言

收起

在能源、化工等工业压力管道承压系统中，流体流动与管道结构完整性是保障承压系统安全运行的核心要素^［1-2］。然而，在设备安装、维护或长期运行过程中，金属碎屑、工具残片等异物（FO）的意外侵入难以避免^［3］。此类异物在高速流体驱动下，呈现复杂动力学行为，其非稳态运动及与管壁的碰撞，极易引发局部应力集中、微裂纹扩展甚至管道穿孔，导致高温高压介质泄漏，严重威胁工业安全^［4］。因此，开发高精度数值计算模型，以定量预测异物运动轨迹及受力特性，对管道完整性评估与风险预警具有重要工程意义。

针对管内异物流动路径分析及风险评估问题，现有研究多聚焦于异物来源管控与安装维护的防异物策略，例如，张华^［5］通过分段试验与创新内窥技术定位清除堆顶排气管异物；崔运佳等^［6］强调大型检修中，需严格执行异物防控程序。然而，此类研究侧重于事后处置，缺乏对异物侵入后的动态路径等进行系统分析。陶国庆等^［7］的实证研究进一步说明，异物是球阀密封失效的第二大主因，且当前工程设计常忽视异物残留的影响。综上所述，现有方法并未对复杂流场中异物运动轨迹进行定量预测，严重降低管道风险的主动防控能力。在数值模拟方法方面，MU等^［8］应用CFD-DEM耦合框架，研究了蒸汽发生器给水环内复杂形状异物的运动轨迹及其对流体分布的影响。MUREITHI等^［9］则通过风洞试验与CFD模拟，揭示了管束阵列中复杂形状异物的阻力特性及湍流力谱与管道的相关性。尽管异物-流体-管壁多物理场耦合问题数值计算方法不断发展^［10-13］，但可靠捕捉受限湍流中复杂异物动态行为仍存在一定的挑战，主要表现为传统动网格方法在处理异物大范围运动时，网格重构负担重、效率低下，以及简化的经验公式难以解析异物几何细节、近壁面流场和瞬态碰撞过程，最终导致对悬浮高度、碰撞频率等关键参数预测失准。

针对上述瓶颈问题，本文拟开发一种基于浸没边界法（immersed boundary method，IBM）与离散元法（discrete element method，DEM）的耦合数值计算方法，再利用IBM的浸入式网格理念，以非贴体网格高效处理异物复杂运动边界，摆脱对贴体网格的依赖^［14］；同时，结合DEM瞬态接触碰撞动力学精确模拟方面的固有优势^［15］，实现流体动力、异物刚体运动与接触力学的双向耦合求解，从而为管内异物流动轨迹的定量预测，提供一种新的数值计算方法。

1　管内异物流动路径预测模型开发

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1.1　异物描述及试验模型

工业管道系统作为流体输送的关键载体，其内部异物的存在对管道构成显著安全风险。如图1（a）所示，某电厂锅炉水冷壁管道发生爆管事故，经分析，事故原因为管内侵入异物［见图1（b）］^［16］；再如，加拿大道格拉斯角核电站的蒸汽发生器换热管因遭受异物冲击、磨损而发生破损，直接引发设备故障^［17］；意大利特里诺核电站的蒸汽发生器管道同样因异物冲击、磨损而受损，影响了核电站的正常运行^［17］，诸如此类事故时有发生。除了严格管控以防异物侵入之外，一旦异物进入管路，快速建立并能够定量预测异物流动路径及异物对管壁的危害程度非常重要。

基于上述问题，设计如图2所示的异物流入管路试验装置。

图2（a）示出模拟异物流动的试验管路，该装置可以模拟异物在气体、液体或者气液混合状态下的流动形态。图2（b）示出变径管路和球状异物模型。采用变径管路是因为可以通过调节流量，得到不同直径下球状异物的曳力和升力，从而便于与数值解进行对比验证分析；选用球状异物是因为目前有成熟的球状异物流动曳力和升力理论解。变径管路入口直径为20 mm，出口直径为30 mm，试验段长度为200 mm，锥度为1∶20。

在试验过程中，水流由泵驱动，经流量计测量与调节器控制后，从入口进入透明竖直变径管路。异物于变径段入口滤网处释放。在流体曳力与升力作用下，随水流运动。管道截面积的改变导致流速与压力梯度变化，使异物呈现悬浮、沉降、翻滚、旋转或与管壁碰撞等各种运动状态。

1.2　数值计算模型开发

基于图2所示的管路与异物几何结构，建立异物在管内流动数值计算模型，如图3所示。

1.2.1　IBM与DEM耦合建模

如图3（b）（c）所示，利用IBM的非贴体网格和离散强迫函数算法，计算异物在复杂变径流场中的大范围自由运动边界，及其诱发的流体动力变化；同时，通过DEM的Hertz-Mindlin接触理论，精确解析异物与管壁的瞬态碰撞力、能量耗散及由此引发的异物运动状态突变。IBM与DEM在每个时间步进行数据交换，如图4所示，IBM计算的流体力，驱动DEM描述的异物运动，而DEM反馈碰撞后位置、速度，来更新IBM的浸没边界。这可定量预测变径管路内异物的运动轨迹、悬浮高度、碰撞频率与强度等关键参数，为精准评估冲蚀、应力集中及泄漏风险提供参考。

1.2.2　计算模型参数设置

采用具有自适应特性的SST k-ω混合模型，计算管内湍流过程，该模型通过剪切应力输运函数（SST），实现壁面区k-ω模型与主流区k-ε模型的自动切换，既保持了对逆压梯度流动、边界层分离现象的高精度捕捉能力，又克服了标准k-ω模型对自由流湍流参数敏感的缺陷^［18］。

基于计算流体力学中CFL收敛条件，取流体时间步长为0.000 8 s进行瞬态计算，可以保证流场计算在20步之内收敛。然后，ANSYS DEM模块自动计算离散元时间步长。为了便于数据后处理，采用0.000 4 s作为离散元输出步长，提取计算结果。总计算时长为4 s。

管内流体为液态水，其密度为998 kg/m³，黏度为1.002 mPa⋅s，入口流速为1~2 m/s。异物材料选用304不锈钢，主要的物性参数包括：密度7 930 kg/m³、泊松比0.3、弹性模量200 GPa。异物与边界的切向刚度比取1^［19］，静、动摩擦系数均取0.3，符合典型金属材料库伦摩擦特性。试验时，把异物放置在管子入口端，初始处于静止状态。数值模拟时，同样把异物放置在管子入口端，等流场计算稳定后，再进行流固耦合计算。

1.2.3　网格与步长无关性分析

为验证数值计算结果对离散化参数的稳定性，4种网格尺寸l下，悬浮高度均值y与竖直向受力均值F_y如表1所示。由表可知，y随网格细化单调收敛（逐级相对差δy为3.57%，1.27%，0.149%），而F_y的差异δF_y均在千分量级以内（0.276%，0.155%，0.039%），表明2项指标对空间网格已独立。

为排除时间离散的影响，在代表性网格（1.0，0.5 mm）基础上，将时间步长从0.000 8 s减半至0.000 4 s进行复核，并分析该工况下y，F_y与表1中同网格大小下的数值差别，如表2所示。结果显示，两种网格尺寸下，δ

y t ¯

与δF_y分别为0.212%与0.040%，0.127%与0.025%。表明两项指标对时间步长均不敏感，可认为网格大小与时间步长均已独立。

为评估网格分辨率对立方体尖角解析及翻滚受矩的影响，选取典型工况开展网格敏感性分析。网格由l=1.0 mm加密至0.5 mm，并对稳定阶段进行统计（见表3）。结果表明，异物时均悬浮高度

y ¯

的相对偏差为1.39%，垂向流体力均方根F_y_，_RMS的相对偏差为0.30%，整体动力学响应对该级别网格加密不敏感。

考虑到碰撞会引起短时力矩脉冲，以力矩幅值∣M∣的95%分位数∣M∣₉₅作为稳健评价指标。2种网格下∣M∣₉₅的相对差异为9.05%（见表3），对应绝对差为10^-5 N⋅m。综上所述，Δx=1.0 mm在semi‑resolved IBM框架下，对主要受力、受矩水平具有可接受的网格稳健性。Semi‑resolved IBM的界面处理在10^⁻5（Δx）尺度上存在等效平滑，可能影响尖角邻域局部流动细节，但从整体统计量与运动响应的一致性看，对本文结论影响有限。

2　管内异物流动轨迹试验测试分析

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2.1　试验测试台搭建

建立如图5所示试验测试台，分别开展直径为6，8，10 mm三种规格的304不锈钢球状异物在变径管内流动试验。

采用3D打印的透明变径树脂管道（入口直径20 mm，出口直径30 mm），竖直安装于循环管路系统中。管道两端通过法兰连接并设置滤网，以防止球状异物逃逸。试验中，通过流量计和调节阀精确控制系统入口体积流量，从而控制管道内水流平均流速。变径管内试验流速设定为0~4 m/s，覆盖球状异物悬浮临界速度附近区域。试验流程为：（1）注水排气后静置30 min消除气泡；（2）调节阀门至目标流速（1.0~2.0 m/s，11个工况点），待压差稳定后启动相机；（3）释放单颗球状异物（6，8，10 mm），记录迁移至悬浮的全过程；（4）每组工况重复3次，提取时均悬浮高度（不包含前2 s加速段数据）。使用高速摄像机记录不同入口流速下，球状异物在变径管道内的运动状态。

为定量测量，试验前对图像系统进行标定：在管道试验段放置标尺，标定系数为0.05 mm/像素。悬浮高度的提取流程为：截取稳定悬浮阶段的视频，通过图像处理（灰度化、阈值分割）识别异物轮廓并计算其质心像素坐标，再根据标定系数转换为物理高度。该方法的主要误差来源于相机分辨率及异物运动导致的边缘模糊，经分析，单次测量的高度定位不确定度小于0.2 mm。文中报告的悬浮高度为稳定阶段所有瞬时高度的平均值。

当球状异物在特定流速下达到平衡位置，即围绕某一平均高度波动且振荡幅度通常小于异物的直径（例如，对于⌀6 mm异物，振幅约±6 mm），视为达到悬浮状态。该方法适用于具有较好对称性和运动稳定性的异物（如球状）。

2.2　球状异物结果分析

通过高速摄像机记录与图像处理技术，提取3种直径不锈钢球状异物，在不同入口流速下的时均悬浮高度数据，如图6所示（中间部分为变径管标尺）。结果表明，3种直径不锈钢球状异物的悬浮高度，均随入口流速增加呈单调上升趋势。在1.80 m/s入口流速下，⌀6 mm球状异物悬浮高度为12.72 cm，而⌀10 mm球状异物悬浮高度仅为10.73 cm，表明较大直径异物因质量与升力比增加而更难抬升，与实际情况一致。

进一步分析数据表明，⌀6 mm球状异物悬浮高度的标准差范围为0.736~2.003 mm，平均值为1.39 mm；⌀8 mm球状异物悬浮高度的标准差范围范围为0.526~1.898 mm，平均值为1.20 mm；⌀10 mm球状异物悬浮高度的标准差范围为0.840~2.017 mm，平均值为1.50 mm。整体来看，所有试验组的测量波动均控制在2 mm以内，这些数据表明试验具有较好的可重复性。

3　结果分析

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3.1　验证性分析

图7示出采用不同方法，计算得到的⌀8 mm和⌀10 mm球状异物悬浮高度曲线。图中实线为试验测试结果，虚线为本文开发的数值模型计算结果，点划线为基于经典球形曳力公式的估算值。对于球状异物，采用经典球形曳力公式，计算其稳定悬浮时所需流速u：

u = F d / (0.5 A p ρ C D)

（1）

式中，

F d

为异物所受曳力，N；A_p为异物迎流面积，m²；ρ为流体密度，kg/m³；

C D

为异物的阻力系数，高雷诺数下球形异物阻力系数取0.44^［20］。

计算得到⌀10 mm球形异物临界悬浮速度为1.43 m/s。

悬浮高度理论解基于以下假设建立：（1）质心高度处截面的平均流速等于临界悬浮流速；（2）流量沿程守恒；（3）管道直径随高度线性变化。据此推导悬浮高度表达式：

h = 1 α 4 π Q u + A p - D 1

（2）

式中，h为理论估算高度，m；

α

为变径管锥度，定义为直径变化率，

α = D 2 - D 1 / H

；Q为入口流量，m³/s；D₁为入口直径，m；D₂为出口直径，m。

由图7可知：（1）随着入口流量增加，悬浮高度线性增加，更高的流速可提供更大的曳力，使球状异物能在更大管径处（即更高位置）平衡重力，符合基本流体流动规律；（2）试验值与数值解基本一致，平均误差小于10%，表明文中开发的数值计算模型较为可靠；（3）试验值与数值解均显著高于理论预测值，根本原因在于理论计算进行了一些简化。

3.2　流场分析

图8示出球状异物在管内的速度场，在球状异物的赤道线稍后位置，受到逆压梯度和球体曲率的影响，边界层发生分离，导致在异物下游形成明显的尾流区。该区域存在低速流体，其速度明显低于远场流速。

球状异物占据管道相当一部分横截面积，迫使流体高速流过其与管壁之间的狭窄环形间隙，如图8（b）椭圆线标注位置。这种高速间隙流是造成理论曳力公式低估实际力的主要原因之一，从而进一步解释图7中理论解偏低的原因。同时，高速间隙流加剧异物下游的流动分离，这种瞬时不对称性是驱动球状异物进行螺旋、翻滚、碰撞运动的原因之一。IBM方法能够成功捕捉这种非对称性动态变化。

3.3　块状异物分析

为验证IBM-DEM对块状异物的适用性，对边长为10 mm的立方块，在竖直变径管道中的流动行为进行试验和数值计算。块状异物正放并从管道下端进入，约1 s后进入悬浮状态。如图9所示，误差条为3次重复试验的标准差。在1.11~1.539 m³/h范围内，高度随流量近似呈线性上升。5个工况点的整体一致性良好：数值解相对实测值的平均绝对误差为5.14 mm、平均相对误差为4.5%，满足通用工程需求。此外，立方块悬浮高度的平均绝对误差，相较于⌀10 mm球状异物更高，说明块状异物的流动行为可能较球状异物更为复杂，数值模拟的挑战性相应增加。尽管如此，块状异物的试验和数值计算结果仍保持高度一致性，与球状异物试验所展现的良好可重复性相呼应，进一步验证IBM-DEM方法对不同几何形状异物运动模拟的适用性与准确性。

块状异物与球状异物轨迹如图10所示，xz平面为竖直变径管的水平截面。由图可知，相对于球状异物，块状异物表现出更加明显的非稳态特征，球状异物呈现紧密螺旋轨迹，运动范围集中在第二象限（x为-6~0 mm，z为0~7 mm）；块状异物则表现出更复杂“8”字形轨迹，运动范围扩展至x为-6.2~7.1 mm，z为-5.9~7 mm，如图10（a）所示。

2种异物质心坐标时程曲线如图10（b）所示，由图可知，球状异物x，z向位移标准差分别为0.12，0.25 mm，体现出稳定悬浮特性；块状异物呈现以2.2 s为周期的剧烈振荡，x向最大加速度达2.5 m/s²。这种差异源于几何特性对流场的影响不同，球状异物能形成更为稳定的涡街，来维持升力、曳力平衡。

根据ANSYS DEM模块自带的碰撞统计模块，得到块状异物在1.029 s和2.902 s等时刻与管壁发生碰撞。块状异物流体力随时间变化如图11所示，y（竖直）方向流体力均方根（RMS）值为0.079 1 N，略大于有效重力；x，z向流体力RMS值为0.001 3 N和0.001 5 N，主要由流体涡脱产生，发生轻微碰撞时，流体力未出现突变。

为了定量评估异物对管壁的冲击强度，提取瞬间碰撞节点的法向力并进行矢量合成，结果如图12所示。在t=0.4∼4.0 s内，异物与管壁发生多次碰撞，瞬时冲击合力峰值可达0.42 N，远大于稳态下的流体受力（约0.08 N）。进一步说明在异物动态运动路径预测中，由DEM模型求解的非线性接触力起主导作用。

将对应的管壁碰撞载荷导入瞬态结构分析模块，结果显示，在t=2.902 s时，管壁等效应力达到峰值（0.274 MPa），如图13所示。该耦合方法能够输出碰撞事件发生的频率、位置及对应的碰撞应力。虽然本次模拟中计算得到的管壁应力峰值远低于材料的屈服强度，表明单次碰撞在此工况下不足以造成显著损伤，但该方法提供了一种量化碰撞动力学参数（如频率、力幅）的途径。长期运行中，高频次的微小碰撞力累积效应，以及更高流速工况下的潜在风险，是未来评估异物冲蚀磨损需要关注的方向。

综上所述，IBM-DEM方法能够成功模拟不同形状异物在管内的流动情况，同时还可以计算出不同工况下的流体力，从而为异物在管内的流体路径分析提供计算手段。

4　结论

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（1）对于直径6，8，10 mm的不锈钢球状异物，以及边长为10 mm的块状异物，在竖直变径管道水流中对悬浮高度进行数值计算与试验对比。悬浮高度预测的平均相对误差小于10%，验证了模型的可靠性。

（2）文中开发的数值计算模型，不仅能够计算不同形状异物的流动路径，还可以定量预测异物的悬浮高度、管壁碰撞及受力特性，为准确定位异物潜在流动位置、优化管道设计、制定预防性维护策略，以及提升管路系统安全提供一种量化方法。

需要指出的是，当前研究仍存在一定的局限性：模型主要针对单一异物在竖直管道中的运动行为，尚未考虑多异物共存情况、不同管道倾角，以及气体或多相流等复杂流体介质的影响。

参考文献

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文献

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2026年第54卷第3期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.03.004

接收时间：2025-07-26
首发时间：2026-10-22
出版时间：2026-03-30

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收稿日期：2025-07-26
修回日期：2026-01-18

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作者信息

大连理工大学化工机械与安全系，辽宁大连 116024

通讯作者:

王泽武（1977），男，副教授，主要从事承压结构完整性研究，通信地址：116024辽宁省大连市大连理工大学西区化工实验楼H317，E-mail：wangzewu@dlut.edu.cn。

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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F_y/N

δF_y/%

0.000 8

1.0

9.435

0.212

0.040 730 5

0.040

0.000 4

1.0

9.415

0.040 714 1

0.000 8

0.5

9.421

0.127

0.040 714 6

0.025

0.000 4

0.5

9.409

0.040 724 9

l/mm	$y ¯$ /cm	δ $y ¯$ /%	F_y/N	δF_y/%	∣M∣₉₅/（N⋅m）	δ∣M∣₉₅/%
1.0	13.744	1.39	0.078 9	0.30	2.44×10^-5	9.05
0.5	13.935	0.078 6	2.66×10^-5

l/mm

y ¯

/cm

y ¯

F_y/N

δF_y/%

∣M∣₉₅/（N⋅m）

δ∣M∣₉₅/%

1.0

13.744

1.39

0.078 9

0.30

2.44×10^-5

9.05

0.5

13.935

0.078 6

2.66×10^-5