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2.2 数值模拟方法 所模拟的流道为长 4000 mm ,半径为 15 mm 的圆管 ( x 方向为长度方向) 。对进口划分边界层网格 ( 原点处横截面为进口) , 全流道采用六面体网格。整个模拟对象共划分网格约 12240 个, 如图2 所示。液固两相间的湍流计算 采用 Standard k- ε湍流模型, 固体颗粒运动采用拉格朗日随机轨道模型, 压力- 速度的耦合采用SIMPLE 方法, 考虑重力影响。 计算所采用的液体为水; 颗粒为砂, 平均直径为 0.01 mm, 浓度为 2%。液相在进口为恒定速度边界条件, 初始值按实际工况直接给定为 3 m/s; 出口为自由出流边界条件; 壁面为无滑移壁面;进口和出口的紊流强度均取 10% 。颗粒相在壁面上取为弹性反射条件, 出口为逃逸边界条件。 2.3 数值模拟的结果与分析 上述连续方程、动量方程和k- ε方程构成了封闭的非线性偏微分方程组, 由于计算机容量有限, 在不影响数值精度的前提下,对以上方程均采用了一阶上风式。经过 500 次迭代计算后, 收敛效果非常好, 残差变化曲线如图 3 所示。 流动对腐蚀的影响中, 各因素作用的差别很大。直管内速度梯度近乎为零, 因此可以不考虑速度梯度影响; 流形对腐蚀的作用也是通过剪切应力表现为间接影响。剪切应力不断撕裂、剥落腐蚀产生的保护膜, 产生裂痕(或冲蚀坑), 若来不及修复则露出新鲜的活性金属表面, 使痕内外构成 腐蚀原电池而进一步加速腐蚀[5]。因此, 本文的研究认定管道冲蚀主要是壁面剪切应力的作用, 兼考虑其他因素影响。液相与固相颗粒对管道的剪切应力在管道的进口端均达到最大值,分别如图 4 和图 5 所示。液相对管道的动压力也在管道的进口处出现了最大值, 如图 6 所示。另外, 颗粒的冲击也会使新裸露的金属表面发生塑性变形、位错聚集或诱发微裂纹, 使之处于高能区, 在腐蚀原电池中成为阳极区,从而加速材料的腐蚀[6]。固相颗粒对管道的冲刷量, 在进口端附近最大, 而在管道的中部和出口端几乎为零, 如图 7 所示。 3 结论 ( 1) 因为冲刷和腐蚀的联合作用, 冲蚀机理比其他类型腐蚀更复杂。液固两相流中, 固体颗粒不是移去金属基材, 就是移去腐蚀产物; 而液相中腐蚀介质的作用下, 导致腐蚀发生。高速流体击穿了紧贴金属表面几乎静止的边界膜, 一方面加速了氧化剂的供应和阴、阳极腐蚀产物的迁移; 另一方面高速湍流对金属表面产生了剪应力, 这种剪应力不断剥离金属表面的腐蚀产物, 使金属不断以金属离子形式溶入溶液, 从而产生冲刷腐蚀过程。 ( 2) 采用流体动力学理论和k- ε双方程模型, 较为成功地应用于管道流的流动计算。管道进口端的动压力场以及剪切应力最大, 对保护膜和金属基体产生撕、拉的破坏; 并且颗粒对管道的进口附近冲刷也达到最大。因此,在管道进口端, 流体力学因素与电化学腐蚀相互促进, 即冲蚀行为比较严重; 而沿管道轴向冲蚀作用逐渐减小, 管道出口端几乎没有冲蚀破坏。与实际情况符合较好, 表明了模拟计算的可靠性,对于空冷器管束的改造具有十分重要的意义。 参考文献: 1. 郑玉贵, 姚治铭, 柯伟. 流体力学因素对冲刷腐蚀的影响机制 [J].腐蚀科学与防护技术, 2000, 12 (1): 36～40 2. 吴成红, 甘复兴. 金属在两相流动水体中的冲刷腐蚀[J].材料保护, 2000,(4): 33～35 3. 曾孟秋. 常顶空冷器失效原因探讨[ J] .石油化工腐蚀与防护, 2003,20(1): 30 ～32 4. 郑玉贵, 姚治铭, 龙 康, 李生春,等. 液 /固双相流冲刷腐蚀实验装置的研制及动态电化学测试[J].腐蚀科学与防护技术, 1993, 5 (4): 286～290 5. 郑玉贵, 姚治铭, 柯 伟. 流体力学因素对冲刷腐蚀的影响机制 [J] .腐蚀科学与防护技术, 2000, 12(1): 36～40 6.Turenne.S., Fiset.M., Masounave.J..Effectof sand concentration on the erosion ofmaterials by a slurry jet[J]. Wear, 1989,133 (1): 95 7. 庞剑锋, 王乐勤, 杨 健, 等. 石油管道插入构件流场的 CFD 模拟及冲蚀预测 [J] .能源工程, 2005, 1: 16～10 8. Bozzini. Benedetto, Ricotti. Marco. E . .Evaluation of erosion -corrosion inmultiphaseflowviaCFDandexperimental analysis[J].Wear, 2003, 255:237 9. 曹树良, 许 国, 吴玉林, 等. 水轮机活动导叶内部三维固液两相紊流计算及磨损预估 [J].工程热物理学报,1999, 20 (5): 584～588 10. Rogers.P.M., Hutchings.I.M., Little.J.A.. Coatings and surface treatments forprotection against low- velocityerosion- corrosion in fluidized beds [ J] .Wear, 1995, 186: 238 11. 刘 辉. 化工过程研究与设计的新手段[J]. 天津化工, 1997, 1: 7～11 12. 吴旨玉, 田 间, 阎康平. 造纸蒸汽烘干系统设备腐蚀分析 [J].化工机械, 2001, 28 (5) : 274～276 本文作者：代 真 段志祥 沈士明 |
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