CN105653780B - 一种u型管道弯头的耐磨处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种U型管道弯头的耐磨处理方法，具体步骤为：确定U型管道弯头的稳态湍流速度场和速度梯度；求解得到第二相即尘粒的体积浓度；计算得到U型管道弯头的板面的摩擦力范围；获取板面的高、中摩擦力区包络曲线，以及板面的中、低摩擦力区包络曲线；获取中、低摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程及高、中摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程，即得到该板面的高摩擦力区、中摩擦力区和低摩擦力区；在板面的高摩擦力区采用高分子氧化铝陶瓷片，在中摩擦力区采用高铬耐磨合金。本发明有效地抵抗气力输送过程中物料对管道的磨削，使得管道不同部位根据磨削的程度进行耐磨强化，同时节省昂贵材料，降低弯头的造价。

Description

一种U型管道弯头的耐磨处理方法

技术领域

本发明属于工业通风领域，具体涉及一种U型管道弯头的耐磨处理方法。

背景技术

在气力、泵送浆体等磨蚀性物料的输送过程中，由于输送介质普遍具有硬度高、流速快、流量大等特点，并且在输送过程中长期持续对管壁产生冲击、磨损、腐蚀等作用，使管道产生疲劳致使渐渐被磨穿。特别是当耐磨管道内输送磨削性较大的物料(如灰渣、煤粉、矿精粉、尾矿、水泥等)时，都存在一个耐磨管道磨损快的问题，特别是管道的弯头这样的局部阻力构件处，物料与周围管壁的碰撞更加剧烈，是输配系统中受磨削最严重的部位。

弯头是工业通风输配系统中不可缺少的组成部分。为了防止管道磨损过快，最常用的方式是浇铸、粘贴、点焊等方式在管道内壁贴附耐磨材料。但并非所有部位都会受到很大的摩擦力，只有管道中速度梯度较大处才会受到严重的摩擦，而传统的贴附管道内壁的方法不仅导致管道内阻力变得很大，耗能增大，且需要较大型号的送风风机设备。同时，现有的具有集中通风空调的建筑内风管面积都很大，如果使用传统的耐磨处理方法则需要使用大量的耐磨损材料，费用不菲。

发明内容

本发明的目的是提供一种U型管道弯头的耐磨处理方法，在不同摩擦剪切力的部位采用不同的耐磨材料，有效地抵抗气力输送过程中物料对管道的磨削，使得管道不同部位根据磨削的程度进行耐磨强化，同时节省昂贵材料，降低弯头的造价。

本发明所采用的技术方案是：一种U型管道弯头的耐磨处理方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1、选定一个U型管道弯头并确定该U型管道弯头的稳态湍流速度场U(x,y,z)和速度梯度Gard[U(x,y,z)]；

步骤2、根据步骤1确定得到的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)求解得到第二相即尘粒的体积浓度α_p(x,y,z)；

步骤3、根据步骤1确定得到的U型管道弯头速度梯度Gard[U(x,y,z)]和步骤2求解得到的第二相即尘粒的体积浓度α_p(x,y,z)计算得到U型管道弯头的板面的摩擦力范围；

步骤4、根据步骤3计算得到的板面的摩擦力范围，获取板面的高摩擦力区和中摩擦力区分界线，即高、中摩擦力区包络曲线，以及板面的中摩擦力区和低摩擦力区分界线，即中、低摩擦力区包络曲线；

步骤5、根据步骤4得到的板面上的中、低摩擦力区包络曲线及高、中摩擦力区包络曲线，获取中、低摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程及高、中摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程；

步骤6、将步骤5得到的板面上的中、低摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程作为该板面上中、低摩擦力区的分界线，并将高、中摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程作为该板面上高、中摩擦力区的分界线，即得到该板面的高摩擦力区、中摩擦力区和低摩擦力区；

步骤7、在步骤6得到的板面的高摩擦力区采用高分子氧化铝陶瓷片，在中摩擦力区采用高铬耐磨合金，即完成该U型管道弯头的耐磨处理。

本发明的特点还在于：

步骤1是通过求解空气和尘粒混合流动的两相流的连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组，以确定U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)和速度梯度Gard[U(x,y,z)]。

所述的连续性方程、N-S动量方程偏微分方程组的求解采用基于Pressure based求解的RNG k-ε湍流模型并结合simple算法进行。

步骤2具体如下：根据步骤1确定得到的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)，代入公式1所示的尘粒的组分体积分数方程中，对公式1进行一阶迎风格式离散化，并利用高斯-赛德尔迭代对公式1进行求解，得到第二相即尘粒的体积浓度α_p(x,y,z)；

(公式1)

其中，ρ_p为尘粒密度，单位为m³/kg；t为时间，单位为s；v_dr,p为滑移速度，单位为m/s；m为质量流量，单位为kg/s。

步骤3具体如下：根据步骤1确定得到的U型管道弯头速度梯度Gard[U(x,y,z)]和步骤2求解得到的α_p(x,y,z)，利用公式2计算U型管道弯头板面的摩擦力P(Pa)，得到板面的摩擦力范围；

P＝[α_pρ_p+(1-α_p)ρ_a](υ_col+υ_kin+υ_fr)Grad(U) (公式2)

其中，α_p(x,y,z)为第二相的组分体积分数；ρ_a为空气密度，单位为m³/kg；υ_col为碰撞运动粘性系数，单位为m²/s；υ_kin为动能运动粘性系数，单位为m²/s；υ_fr为摩擦运动粘性系数，单位为m²/s。

所述的碰撞运动粘性系数υ_col采用Gidaspow模型进行求解；所述的动能运动粘性系数υ_kin采用Shalala模型进行求解；所述的摩擦运动粘性系数υ_fr采用Schaeffer表达式进行求解。

步骤4具体如下：根据步骤3得到的板面的摩擦力范围，利用公式3计算得到板面的划分高摩擦力区和中摩擦力区的摩擦力阈值P_h-m，单位为Pa；同时利用公式4计算得到板面的划分中摩擦力区和低摩擦力区的摩擦力阈值P_m-l，单位为Pa；将P_h-m在板面上对应的曲线作为高摩擦力区和中摩擦力区分界线，即高、中摩擦力区包络曲线；将P_m-l在板面上对应的曲线作为中摩擦力区和低摩擦力区分界线，即中、低摩擦力区包络曲线；

(公式3)

(公式4)

其中，P_max-h、P_min-l分别为板面的最大摩擦力值和最小摩擦力值，单位为Pa；α、β为区域划分常数，0.5＜α≤1，1≤β≤2。

步骤5具体如下：在步骤4得到的板面上的中、低摩擦力区包络曲线及高、中摩擦力区包络曲线上取不少于200个离散点，并获取这些离散点的坐标值；对中、低摩擦力区包络曲线及高、中摩擦力区包络曲线上的离散点的坐标值进行拟合，得到原始拟合曲线方程，然后对原始拟合曲线方程进行处理，得到中、低摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程及高、中摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程。

对所述中、低摩擦力区包络曲线及高、中摩擦力区包络曲线上的离散点的坐标值进行拟合是采用Levenberg-Marquardt算法，对原始拟合曲线方程进行处理是采用通用全局优化法。

步骤7中在高摩擦力区粘贴高分子氧化铝陶瓷片的厚度根据公式5确定，中摩擦力区粘贴高铬耐磨合金的厚度根据公式6确定；由公式5、公式6可知，同一摩擦力区内的耐磨材料厚度随着摩擦力P大小而不同，因此，在同一摩擦力区内的不同摩擦区段计算得到的耐磨材料厚度为一个或多个：

(公式5)

(公式6)

其中，H_h为高摩擦力区高分子氧化铝陶瓷片的厚度，单位为mm；H_m为中摩擦力区高铬耐磨合金的厚度，单位为mm；δ为U型管道弯头壁厚，单位为mm；P_max-h为板面的最大摩擦力值，单位为Pa；P_h-m为划分高摩擦力区和中摩擦力区的摩擦力阈值，单位为Pa；P_m-l为划分中摩擦力区和低摩擦力区的摩擦力阈值，单位为Pa；P为高摩擦力区或中摩擦力区中任意点处的摩擦力，单位为Pa；γ₁、γ₂分别为高摩擦力区、中摩擦力区的厚度常数系数，因为日常设计中要求耐磨材料厚度为δ～3δ，所以0.2≤γ₁≤3，0.2≤γ₂≤3；INT是将一个数值向下取整为最接近的整数的函数。

本发明的有益效果是：

1.通过求解两相流动偏微分方程组的方法，能够准确定位U型弯头板面的摩擦力大小分布，有的放矢地进行耐磨处理，能够有效地增加风管弯头抵抗物料的磨削。

2.对下底板以及内弧面分别划分高摩擦力区、中摩擦力区和低摩擦力区，选择不同的耐磨材料在高摩擦力区和中摩擦力区进行耐磨处理，能够有针对性且准确地处理到每一个需要处理的部位，提高了耐磨效果。

3.对高摩擦力区和中摩擦力区的耐磨材料的粘贴厚度进行精准设计，而且同一摩擦力区域可以选择不同的粘贴厚度，合适的厚度能够提高耐磨效果。

附图说明

图1为U型管道弯头的结构示意图；

图2为内弧面的摩擦力区划分示意图；

图3为下底板的摩擦力区划分示意图；

图4为上顶板的摩擦力区划分示意图；

图5为未经耐磨处理的U型管道弯头内摩擦力场示意图；

图6为内弧面高摩擦力区、中摩擦力区和低摩擦力区示意图；

图7为下底板高摩擦力区、中摩擦力区和低摩擦力区示意图；

图8为上顶板高摩擦力区、中摩擦力区和低摩擦力区示意图。

图中，1.入口，2.外弧面，3.上顶板，4.出口，5.法兰，6.内弧面，7.下底板，8.上顶板低摩擦力区，9.上顶板中摩擦力区，10.上顶板高摩擦力区，11.下底板低摩擦力区，12.下底板中摩擦力区，13.下底板高摩擦力区，14.内弧面高摩擦力区，15.内弧面中摩擦力区，16.内弧面低摩擦力区。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明一种U型管道弯头的耐磨处理方法，如图1所示，待处理的U型管道弯头的主体采用常见的U型管道弯头，包括上顶板3、下底板7、外弧面2和内弧面6；上顶板3、下底板7、外弧面2和内弧面6作为四个面合围得到一个1/2圆的弧形管。上顶板3与下底板7相同。

为了有效减轻弯头磨损，对常见的U型管道弯头的下底板7、上顶板3和内弧面6分别进行耐磨损处理。由于外弧面2所受摩擦力很低，本发明中不对外弧面2进行耐磨处理。故以下方法步骤中的板面是指下底板7或内弧面6。耐磨处理具体如下：如图4所示，上顶板3的位于U型管道弯头内的侧面依次分为高摩擦力区10、中摩擦力区9和低摩擦力区8；如图3所示，下底板7的位于U型管道弯头内的侧面依次分为高摩擦力区13、中摩擦力区12和低摩擦力区11；如图2所示，内弧面6位于U型管道弯头内的侧面依次分为的高摩擦力区14、中摩擦力区15和低摩擦力区16。由于低摩擦力区的摩擦力值很低，故不做耐磨损处理，仅对高摩擦力区、中摩擦力区进行耐磨损处理。

在高摩擦力区采用高分子氧化铝陶瓷片，高分子氧化铝陶瓷片的厚度：

在中摩擦力区采用高铬耐磨合金，高铬耐磨合金的厚度：

具体的耐磨处理方法按照以下步骤进行：

步骤1、选定一个U型管道弯头，求解空气和尘粒混合流动的两相流的连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组，确定该U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)和速度梯度Gard[U(x,y,z)]

所述连续性方程、N-S动量方程偏微分方程组的求解采用基于Pressure based求解的RNG k-ε湍流模型并结合simple算法进行；

步骤2、根据步骤1确定得到的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z),代入公式1所示的尘粒的组分体积分数方程中，对公式1进行一阶迎风格式离散化，并利用高斯-赛德尔迭代对公式1进行求解，得到第二相即尘粒的体积浓度α_p(x,y,z)；

(公式1)

其中，ρ_p为尘粒密度，单位为m³/kg；t为时间，单位为s；v_dr,p为滑移速度，单位为m/s；m为质量流量，单位为kg/s。

步骤3、根据步骤1确定得到的Gard[U(x,y,z)]和步骤2求解得到的α_p(x,y,z)，利用公式2计算U型管道弯头板面的摩擦力P(Pa)，得到板面的摩擦力范围。

P＝[α_pρ_p+(1-α_p)ρ_a](υ_col+υ_kin+υ_fr)Grad(U) (公式2)

其中，α_p(x,y,z)为第二相的组分体积分数；ρ_a为空气密度，单位为m³/kg；υ_col为碰撞运动粘性系数，单位为m²/s；υ_kin为动能运动粘性系数，单位为m²/s；υ_fr为摩擦运动粘性系数，单位为m²/s。

所述碰撞运动粘性系数υ_col采用Gidaspow模型进行求解；所述动能运动粘性系数υ_kin采用Shalala模型进行求解；所述摩擦运动粘性系数υ_fr采用Schaeffer表达式进行求解。

步骤4、根据步骤3得到的板面的摩擦力范围，利用公式3计算得到板面的划分高摩擦力区和中摩擦力区的摩擦力阈值P_h-m，单位为Pa；同时利用公式4计算得到板面的划分中摩擦力区和低摩擦力区的摩擦力阈值P_m-l，单位为Pa。将P_h-m在板面上对应的曲线作为高摩擦力区和中摩擦力区分界线，即高、中摩擦力区包络曲线；将P_m-l在板面上对应的曲线作为中摩擦力区和低摩擦力区分界线，即中、低摩擦力区包络曲线；

(公式3)

(公式4)

其中，P_max-h、P_min-l分别为板面的最大摩擦力值和最小摩擦力值，单位为Pa；α、β为区域划分常数，β/α越大，划分的高摩擦力区范围越大，低摩擦力区范围越小，需要耐磨处理的区域范围就越大，弯头耐磨效果越好，但是耐磨材料的增加产生的管道阻力会增大，费用也会相应增加。经过试验验证，选取0.5＜α≤1，1≤β≤2能够有效降低管道阻力，实现较佳的耐磨效果。

步骤5、在步骤4得到的板面上的中、低摩擦力区包络曲线及高、中摩擦力区包络曲线上取不少于200个离散点，并获取这些离散点的坐标值；采用Levenberg-Marquardt算法对中、低摩擦力区包络曲线及高、中摩擦力区包络曲线上的离散点的坐标值进行拟合，得到原始拟合曲线方程，然后用通用全局优化法对原始拟合曲线方程进行处理，得到中、低摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程及高、中摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程。

从包络曲线上的点的坐标值可以看出，包络曲线上数值变化幅度不确定，参数量较多，采用优化计算领域中常用的各类迭代法时，参数初始值设定繁琐且计算难以收敛，无法求得正确结果，本发明进行了大量试验验证，发现采用Levenberg-Marquardt结合通用全局优化算法，能够从任一随机初始值开始都能求得正确结果，进而能够得出各包络曲线对应的高精度、低残差的拟合曲线方程。

步骤6、将步骤5得到的板面上的中、低摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程作为该板面上中、低摩擦力区的分界线，并将高、中摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程作为该板面上高、中摩擦力区的分界线，即得到该板面的高摩擦力区、中摩擦力区和低摩擦力区；

步骤7、在步骤6得到的板面的高摩擦力区采用高分子氧化铝陶瓷片，在中摩擦力区采用高铬耐磨合金，用于抵抗气力输送中物料对板面的磨削，以减轻磨损的效果，即完成该U型管道弯头的耐磨处理。具体如下：

在高摩擦力区粘贴高分子氧化铝陶瓷片的厚度根据公式5确定，中摩擦力区粘贴高铬耐磨合金的厚度根据公式6确定；由公式5、公式6可知，同一摩擦力区内的耐磨材料厚度随着摩擦力P大小而不同，因此，在同一摩擦力区内的不同摩擦区段计算得到的耐磨材料厚度为一个或多个：

(公式5)

(公式6)

其中，H_h为高摩擦力区高分子氧化铝陶瓷片的厚度，单位为mm；H_m为中摩擦力区高铬耐磨合金的厚度，单位为mm；δ为U型管道弯头壁厚，单位为mm；P_max-h为板面的最大摩擦力值，单位为Pa；P_h-m为划分高摩擦力区和中摩擦力区的摩擦力阈值，单位为Pa；P_m-l为划分中摩擦力区和低摩擦力区的摩擦力阈值，单位为Pa；P为高摩擦力区或中摩擦力区中任意点处的摩擦力，单位为Pa；γ₁、γ₂分别为高摩擦力区、中摩擦力区的厚度常数系数，因为日常设计中要求耐磨材料厚度为δ～3δ，所以0.2≤γ₁≤3，0.2≤γ₂≤3；INT是将一个数值向下取整为最接近的整数的函数。

根据计算得到的板面的各摩擦力区内需要粘贴的耐磨材料的厚度，在高摩擦力区域粘贴高分子氧化铝陶瓷片，在中摩擦力区域中粘贴高铬耐磨合金，在同一摩擦力区内根据耐磨材料的不同厚度进行粘贴，能够进一步降低管道阻力以及材料费用。

实施例1

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

遵从上述技术方案，本实施例中的U型管道弯头的入口和出口的截面均为320mm×250mm，上顶板、下底板、内弧面和外弧面的厚度均为0.5mm，内弧面半径为320mm，外弧面半径为640mm，在U型管道弯头入口前端接有2m长的直管段，出口后端接有2m长的直管段。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中风管主管段风速为5～6.5m/s，最大不超过8m/s的要求，入口前端直管段入口风速取为6m/s。

采用如下步骤对上述U型管道弯头进行耐磨处理：

步骤1、选定一个U型管道弯头，采用基于Pressure based求解的RNG k-ε湍流模型并结合simple算法，求解空气和尘粒混合流动的两相流的连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组，确定该U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)和Gard[U(x,y,z)]；

步骤2、根据步骤1得到的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z),代入上述公式1所示的尘粒的组分体积分数方程，对公式1进行一阶迎风格式离散化，并利用高斯-赛德尔迭代对公式1进行求解，得到第二相的组分体积分数α_p(x,y,z)。

步骤3、根据步骤1求解得到的Gard[U(x,y,z)]和步骤2求解得到的α_p(x,y,z)，利用上述公式2计算内弧面、下底板的摩擦力P(Pa)，从而得到内弧面与下底板的摩擦力范围，如图4所示。

步骤4、取α＝β＝1，利用上述公式3得到内弧面和下底板的划分高摩擦力区和中摩擦力区的摩擦力阈值P_h-m分别为1.27Pa和1.48Pa；利用上述公式4得到内弧面、下底板的划分中摩擦力区和低摩擦力区的摩擦力阈值P_m-l分别为0.88Pa和0.93Pa；将P_h-m在板面上对应的曲线作为板面的高摩擦力区和中摩擦力区分界线，即高、中摩擦力区包络曲线；将P_m-l在板面上对应的曲线作为板面的中摩擦力区和低摩擦力区分界线，即中、低摩擦力区包络曲线，如图5、图6所示，不同的颜色深度代表不同的摩擦力区；

步骤5、分别在步骤4得到的各板面上中、低摩擦力区包络曲线及高、中摩擦力区包络曲线上取200个离散点，并获得这些离散点的坐标值；采用Levenberg-Marquardt分别对中、低摩擦力区包络曲线及高、中摩擦力区包络曲线上的离散点的坐标值进行拟合，得到原始拟合曲线方程；然后采用通用全局优化法对原始拟合曲线方程进行不依赖初值的智能优化处理，得到相关系数大于0.99的中、低摩擦力区包络曲线及高、中摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程。

得到各板面上中、低摩擦力区包络曲线及高、中摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程，见表1。其中，A代表上顶板高摩擦力区包络曲线方程，B代表上顶板中摩擦力区包络曲线方程；C代表下底板高摩擦力区包络曲线方程，D代表下底板中摩擦力区包络曲线方程，E代表内弧面高摩擦力区包络曲线方程，F代表内弧面中摩擦力区包络曲线方程。

表1包络曲线对应的拟合曲线方程

(x^*和y^*为无量纲坐标，其中r为弯头半径)

步骤6、将步骤5得到的每个板面的每条拟合曲线方程作为该板面上各摩擦力区的分界线，得到各板面的高摩擦力区、中摩擦力区和低摩擦力区。如图6、图7、图8所示，不同的颜色深度代表不同的摩擦力区。

步骤7、在步骤6得到的每个板面的高摩擦力区采用高分子氧化铝陶瓷片，在中摩擦力区采用高铬耐磨合金。具体如下：

根据上述公式5，分别计算下底板和内弧面的高摩擦力区内耐磨材料厚度(见表2)；

根据计算得到的上顶板、下底板和内弧面高摩擦力区耐磨材料的厚度，在上顶板、下底板和内弧面高摩擦力区内粘贴高分子氧化铝陶瓷片。

根据上述公式6，分别计算下底板和内弧面的中摩擦力区内耐磨材料厚度(见表2)；

根据计算得到的上顶板、下底板和内弧面中摩擦力区耐磨材料的厚度，在上顶板、下底板和内弧面中摩擦力区内耐磨材料分为两种厚度粘贴。耐磨材料及厚度值如表2。

表2各摩擦力区耐磨材料及厚度

例如：内弧面上中摩擦力区高分子氧化铝陶瓷片的厚度H_m的求取如下：

内弧面的中摩擦力区的摩擦力为0.6-1.17Pa，此时P_m-l＝0.6Pa(P_m-l为划分中摩擦力区和低摩擦力区的摩擦力阈值)，P_h-m＝1.17Pa(P_h-m为划分高摩擦力区和中摩擦力区的摩擦力阈值)。P的取值范围就是0.6-1.17Pa。

第一步：首先取P＝0.6Pa代入公式6可知：

因为INT是一个数值向下取整为最接近的整数的函数，

所以INT[1.95]＝1，

所以H_m＝γ₂×δ

第二步：同理：依次取P＝0.6-0.615Pa中的摩擦力值，代入公式6可知：

H_m＝γ₂×δ

第三步：取P＝0.923Pa代入公式6可知：

取P＝1.17Pa代入公式6可知：

由于(0.6-0.615Pa)区间太小，所以将其并入到(0.615-0.923Pa)区间内，即在(0.6-0.923Pa)区间内H_m＝γ₂×δ×2

所以计算出：H_m在内弧面中摩擦力区(0.6-1.17Pa)中的0.6-0.923区域时，H_m＝γ₂×δ×2

H_m在内弧面中摩擦力区(0.6-1.17Pa)中的0.923-1.17Pa区域时，H_m＝γ₂×δ×3

所以计算出同一摩擦力区内的不同摩擦力区段采用的耐磨材料厚度可以不同。

经本发明的上述方法进行耐磨处理后的U型管道耐磨工业通风弯管在常温下耐磨性(常温下在金刚砂喷吹15分钟后的冲蚀体积，mm³/min)提高了2.5倍，即本发明的U型管道耐磨弯头的耐磨效果显著提高，与此同时，变厚度的方法有效地降低了耐磨材料的使用量及产生的管道阻力，降低了初投资成本。

Claims (7)

1.一种U型管道弯头的耐磨处理方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

步骤1、选定一个U型管道弯头，通过求解空气和尘粒混合流动的两相流的连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组确定该U型管道弯头的稳态湍流速度场U(x,y,z)和速度梯度Gard[U(x,y,z)]，所述的连续性方程、N-S动量方程偏微分方程组的求解采用基于Pressurebased求解的RNG k-ε湍流模型并结合simple算法进行；

步骤2、根据步骤1确定得到的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)，代入公式1所示的尘粒的组分体积分数方程中，对公式1进行一阶迎风格式离散化，并利用高斯-赛德尔迭代对公式1进行求解，得到第二相即尘粒的体积浓度α_p(x,y,z)；

其中，ρ_p为尘粒密度，单位为m³/kg；t为时间，单位为s；v_dr,p为滑移速度，单位为m/s；m为质量流量，单位为kg/s；

步骤3、根据步骤1确定得到的U型管道弯头速度梯度Gard[U(x,y,z)]和步骤2求解得到的第二相即尘粒的体积浓度α_p(x,y,z)计算得到U型管道弯头的板面的摩擦力范围；

步骤4、根据步骤3计算得到的板面的摩擦力范围，获取板面的高摩擦力区和中摩擦力区分界线，即高、中摩擦力区包络曲线，以及板面的中摩擦力区和低摩擦力区分界线，即中、低摩擦力区包络曲线；

步骤5、根据步骤4得到的板面上的中、低摩擦力区包络曲线及高、中摩擦力区包络曲线，获取中、低摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程及高、中摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程；

步骤6、将步骤5得到的板面上的中、低摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程作为该板面上中、低摩擦力区的分界线，并将高、中摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程作为该板面上高、中摩擦力区的分界线，即得到该板面的高摩擦力区、中摩擦力区和低摩擦力区；

步骤7、在步骤6得到的板面的高摩擦力区采用高分子氧化铝陶瓷片，在中摩擦力区采用高铬耐磨合金，即完成该U型管道弯头的耐磨处理。

2.根据权利要求1所述的一种U型管道弯头的耐磨处理方法，其特征在于，所述步骤3具体如下：根据步骤1确定得到的U型管道弯头速度梯度Gard[U(x,y,z)]和步骤2求解得到的α_p(x,y,z)，利用公式2计算U型管道弯头板面的摩擦力P(Pa)，得到板面的摩擦力范围；

P＝[α_pρ_p+(1-α_p)ρ_a](υ_col+υ_kin+υ_fr)Grad(U) (公式2)

其中，α_p(x,y,z)为第二相的组分体积分数；ρ_a为空气密度，单位为m³/kg；υ_col为碰撞运动粘性系数，单位为m²/s；υ_kin为动能运动粘性系数，单位为m²/s；υ_fr为摩擦运动粘性系数，单位为m²/s。

3.根据权利要求2 所述的一种U型管道弯头的耐磨处理方法，其特征在于，所述的碰撞运动粘性系数υ_col采用Gidaspow模型进行求解；所述的动能运动粘性系数υ_kin采用Shalala模型进行求解；所述的摩擦运动粘性系数υ_fr采用Schaeffer表达式进行求解。

4.根据权利要求1所述的一种U型管道弯头的耐磨处理方法，其特征在于，所述步骤4具体如下：根据步骤3得到的板面的摩擦力范围，利用公式3计算得到板面的划分高摩擦力区和中摩擦力区的摩擦力阈值P_h-m，单位为Pa；同时利用公式4计算得到板面的划分中摩擦力区和低摩擦力区的摩擦力阈值P_m-l，单位为Pa；将P_h-m在板面上对应的曲线作为高摩擦力区和中摩擦力区分界线，即高、中摩擦力区包络曲线；将P_m-l在板面上对应的曲线作为中摩擦力区和低摩擦力区分界线，即中、低摩擦力区包络曲线；

其中，P_max-h、P_min-l分别为板面的最大摩擦力值和最小摩擦力值，单位为Pa；α、β为区域划分常数，0.5＜α≤1，1≤β≤2。

5.根据权利要求1所述的一种U型管道弯头的耐磨处理方法，其特征在于，所述步骤5具体如下：在步骤4得到的板面上的中、低摩擦力区包络曲线及高、中摩擦力区包络曲线上取不少于200个离散点，并获取这些离散点的坐标值；对中、低摩擦力区包络曲线及高、中摩擦力区包络曲线上的离散点的坐标值进行拟合，得到原始拟合曲线方程，然后对原始拟合曲线方程进行处理，得到中、低摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程及高、中摩擦力区包络曲线对应的拟合曲线方程。

6.根据权利要求5所述的一种U型管道弯头的耐磨处理方法，其特征在于，对所述中、低摩擦力区包络曲线及高、中摩擦力区包络曲线上的离散点的坐标值进行拟合是采用Levenberg-Marquardt算法，对原始拟合曲线方程进行处理是采用通用全局优化法。

7.根据权利要求1所述的一种U型管道弯头的耐磨处理方法，其特征在于，所述步骤7中在高摩擦力区粘贴高分子氧化铝陶瓷片的厚度根据公式5确定，中摩擦力区粘贴高铬耐磨合金的厚度根据公式6确定；由公式5、公式6可知，同一摩擦力区内的耐磨材料厚度随着摩擦力P大小而不同，因此，在同一摩擦力区内的不同摩擦区段计算得到的耐磨材料厚度为一个或多个：

其中，H_h为高摩擦力区高分子氧化铝陶瓷片的厚度，单位为mm；H_m为中摩擦力区高铬耐磨合金的厚度，单位为mm；δ为U型管道弯头壁厚，单位为mm；P_max-h为板面的最大摩擦力值，单位为Pa；P_h-m为划分高摩擦力区和中摩擦力区的摩擦力阈值，单位为Pa；P_m-l为划分中摩擦力区和低摩擦力区的摩擦力阈值，单位为Pa；P为高摩擦力区或中摩擦力区中任意点处的摩擦力，单位为Pa；γ₁、γ₂分别为高摩擦力区、中摩擦力区的厚度常数系数，因为日常设计中要求耐磨材料厚度为δ～3δ，所以0.2≤γ₁≤3，0.2≤γ₂≤3；INT是将一个数值向下取整为最接近的整数的函数。