一种稀相气-固两相流冲蚀速率预测方法技术

本发明专利技术提供一种稀相气

A prediction method of erosion rate of dilute gas-solid two-phase flow

【技术实现步骤摘要】
一种稀相气
‑
固两相流冲蚀速率预测方法


[0001]本专利技术涉及固体粒子冲蚀磨损
，具体是一种稀相气
‑
固两相流冲蚀速率预测方法。

技术介绍

[0002]固体粒子冲蚀磨损是指大量尺寸小于1mm的固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击，造成材料退化的一种现象。固体粒子冲蚀磨损是工业设备中常见的磨损破坏形式之一，广泛存在于机械、冶金、能源、化工、航天等许多工业部门，是引起材料破坏或设备失效的一个重要原因。其中，稀相气固两相流冲蚀磨损作为固体粒子冲蚀磨损的主要存在形式之一，同样存在于许多领域，比如，空气中固体粒子对航空发动机压气机叶片的冲蚀磨损破坏，石油钻采作业中携砂天然气流对节流油嘴或集输管道弯头的冲蚀磨损损伤，稀相气力输送中由于高速颗粒的冲蚀磨损造成输送管道或分离设备壁厚减薄等。一套准确的冲蚀速率预测方法对于冲蚀磨损环境中设备服役寿命的评估至关重要，也是支撑开展防冲蚀设计的基础和关键。
[0003]冲蚀磨损研究方法包括3种：解析法、实验法和CFD法。其中，解析法只能针对一些极为简单的结构开展简化条件下的冲蚀分析，这些理想化的条件与实际情况的出入较大，因此解析法无法满足当前需求；实验法包括针对材料冲蚀特性的喷嘴冲蚀实验和针对一个或数个完整结构的全尺寸冲蚀实验，喷嘴冲蚀实验无法得到现场服役设备冲蚀速率，而全尺寸冲蚀实验受实验条件阈值和装置尺寸规模限制，难以复制现场工况，且由于花费成本较大，难以针对每个结构都建立一套专门的全尺寸冲蚀实验设备，因此实验法往往当做一种检验预测结果准确性的手段；CFD法由于建模方便、成本低廉，在合适理论和实验数据的支撑下具有不错的计算精度，适用于包括极端工况在内的广泛工况下，对各种复杂结构的开展冲蚀研究和防冲蚀设计，是目前最为理想的方法，但由于冲蚀影响因素众多，需要设置数十个参数，任何参数变动都会影响计算结果的准确性，因此其参数设置的合理性及其预测结果的有效性一直是相关人员重点关注的问题。
[0004]目前，部分研究人员采用调研获得的模型及参数，通过CFD法进行冲蚀速率预测，预测结果的准确性往往难以评估；另有部分研究人员基于全尺寸冲蚀试验进行冲蚀速率预测，预测结果的准确性较高，但试验条件可选范围难以达到现场工况阈值，且往往试验对象单一、没有通用性；还有部分研究人员采用经过全尺寸冲蚀试验验证后的CFD模型进行冲蚀速率预测，但由于冲蚀影响因素众多，有多种参数组合都可以使模拟结果与试验结果相差很小，因此对全尺寸冲蚀试验没有包含的工况利用CFD模拟进行预测时，其预测结果的准确度将与期望值相差很大，其深层原因在于冲蚀的CFD模拟所依据的是一套多学科交叉理论，包括流体动力学、气
‑
固两相流和冲蚀磨损等，这些理论各自独立又相互依赖，只有当每一个理论模型的有效性都得到验证后，冲蚀CFD模拟结果才是准确的、可靠的。
[0005]因此，为满足冲蚀速率预测研究及其实际应用的需要，推动冲蚀磨损的理论研究与实际应用相结合，针对当前冲蚀速率预测方法存在的缺陷，基于对冲蚀磨损过程及理论
全面地剖析和分解，将CFD法和实验法充分结合，提出一种具有准确性高、通用性强等优点的稀相气
‑
固两相流冲蚀速率预测方法，具有十分重要的理论价值和工程意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种稀相气
‑
固两相流冲蚀速率预测方法，解决稀相气
‑
固两相流环境下冲蚀速率预测结果准确度低、预测方法通用性差的技术难题，实现对广泛的稀相气固两相流工况下各种复杂结构冲蚀速率的精确预测。
[0007]为达到以上技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]步骤一：针对存在稀相气
‑
固两相流冲蚀问题的设备、装置或管件等，收集影响冲蚀速率的参数，包括气体成分、颗粒属性、靶面材料、流道结构和边界条件；
[0009]步骤二：准备气
‑
固两相流喷嘴冲蚀试验装置及相应的气体、颗粒和靶面材料，采用千分尺测量喷嘴
‑
气体流场
‑
冲蚀试片结构尺寸，利用SOLIDWORKS等三维建模软件，建立喷嘴
‑
气体流场
‑
冲蚀试片结构的三维几何模型，并利用Hypermesh等前处理软件，建立包括出入口和壁面等边界的网格模型；
[0010]步骤三：采用喷嘴冲蚀试验装置及相应气体，开展气体质量流量测试，出口压力P0等于大气压，改变入口压力P
i
，采用流量计，得到不同入口压力P
i
下的气体质量流量Q
i
，绘制P
i
与Q
i
的关系曲线F
PQ
，其中i＝1,2,3,
…
；
[0011]步骤四：基于步骤二建立的网格模型和步骤三采用的气体建立气体单相流CFD模型，初步设置湍流模型及近壁面处理方法，依据步骤三的压力边界条件，开展气体单相流动CFD模拟，得到不同入口压力P
i
下的气体质量流量Q
i
′
，绘制P
i
与Q
i
′
的关系曲线F
PQ
′
，其中i＝1,2,3,...；
[0012]步骤五：对比F
PQ
′
和F
PQ
，若基本吻合，则认为该湍流模型及近壁面处理方法最佳，若相差较大，优选湍流模型及近壁面处理方法，重复步骤四和步骤五，直至F
PQ
′
与F
PQ
基本吻合，确定最佳湍流模型及近壁面处理方法；
[0013]步骤六：采用喷嘴冲蚀试验装置及相应的气体、颗粒，开展颗粒冲击速度测试，保持颗粒质量流量W不变，改变气体入口压力P
i
，采用双盘法测速装置、高速摄影机或激光测速仪等，测定不同入口压力P
i
下的颗粒冲击速度V
i
，绘制P
i
与V
i
的关系曲线F
PV
，其中i＝1,2,3,
…
；
[0014]步骤七：基于步骤四建立的气体单相流CFD模型、步骤五确定的最佳湍流模型及近壁面处理方法和步骤六采用的颗粒建立气
‑
固两相流CFD模型，初步设置颗粒运动模型，依据步骤六的试验条件，开展气
‑
固两相流动CFD模拟，得到不同入口压力P
i
下的颗粒冲击速度V
i
′
，绘制P
i
与V
i
′
的关系曲线F
PV
′
，其中i＝1,2,3,...；
[0015]步骤八：对比F
PV
′
和F
PV
，若基本吻合，则认为该颗粒运动模型最佳，若相差较大，重新构建颗粒运动模型，重本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种稀相气
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固两相流冲蚀速率预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：针对存在稀相气
‑
固两相流冲蚀问题的设备、装置或管件等，收集影响冲蚀速率的参数，包括气体成分、颗粒属性、靶面材料、流道结构和边界条件；步骤二：准备气
‑
固两相流喷嘴冲蚀试验装置及相应的气体、颗粒和靶面材料，采用千分尺测量喷嘴
‑
气体流场
‑
冲蚀试片结构尺寸，利用SOLIDWORKS等三维建模软件，建立喷嘴
‑
气体流场
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冲蚀试片结构的三维几何模型，并利用Hypermesh等前处理软件，建立包括出入口和壁面等边界的网格模型，最后导入Fluent等求解器中；步骤三：采用喷嘴冲蚀试验装置及相应气体，开展气体质量流量测试，出口压力P0等于大气压，改变入口压力P
i
，采用流量计，得到不同入口压力P
i
下的气体质量流量Q
i
，绘制P
i
与Q
i
的关系曲线F
PQ
，其中i＝1,2,3,
…
；步骤四：基于步骤二建立的网格模型、步骤三采用的气体建立气体单相流CFD模型，初步设置湍流模型及近壁面处理方法，依据步骤三的压力边界条件，开展气体单相流动CFD模拟，得到不同入口压力P
i
下的气体质量流量Q
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′
，绘制P
i
与Q
i
′
的关系曲线F
PQ
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，其中i＝1,2,3,...；步骤五：对比F
PQ
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和F
PQ
，若基本吻合，则认为该湍流模型及近壁面处理方法最佳，若相差较大，优选湍流模型及近壁面处理方法，重复步骤四和步骤五，直至F
PQ
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与F
PQ
基本吻合，确定最佳湍流模型及近壁面处理方法；步骤六：采用喷嘴冲蚀试验装置及相应的气体、颗粒，开展颗粒冲击速度测试，保持颗粒质量流量W不变，改变气体入口压力P
i
，采用双盘法测速装置、高速摄影机或激光测速仪等，测定不同入口压力P
i
下的颗粒冲击速度V
i
，绘制P
i
与V
i
的关系曲线F
PV
，其中i＝1,2,3,
…
；步骤七：基于步骤四建立的气体单相流CFD模型、步骤五确定的最佳湍流模型及近壁面处理方法、步骤六采用的颗粒建立气
‑
固两相流CFD模型，初步设置颗粒运动模型，依据步骤六的试验条件，开展气
‑
固两相流动CFD模拟，得到不同入口压力P
i
下的颗粒冲击速度V
i
′
，绘制P
i
与V
i
′
的关系曲线F
PV
′
，其中i＝1,2,3,...；步骤八：对比F
PV
′
和F
PV
，若基本吻合，则认为该颗粒运动模型最佳，若相差较大，重新构建颗粒运动模型，重复步骤七和步骤八，直至F
PV...

【专利技术属性】
技术研发人员：林元华，刘冰，邓宽海，周念涛，于春雷，杨明庆，黄耕，张溪桓，梅宗斌，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：