管道沖蝕液-固數(shù)值模擬的研究進(jìn)展

李美求, 劉方, 張昆, 陳星, 彭翰林

(長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 荊州 434023)

流經(jīng)管道的流體中常會(huì)裹挾著大小不一、形狀各異的固體顆粒,這些顆粒對(duì)管道內(nèi)表面可造成材料去除作用,這種現(xiàn)象稱為固體顆粒沖蝕[1],從而導(dǎo)致管道及其附屬服務(wù)設(shè)備發(fā)生故障,這種故障在石油和天然氣行業(yè)尤其突出[2-3]。管道及其設(shè)備的維護(hù)既昂貴又耗時(shí),因此預(yù)測(cè)和研究控制固體顆粒的沖蝕具有重要價(jià)值。此外,預(yù)測(cè)彎管、匯管的抗沖蝕能力可以幫助設(shè)計(jì)師在管道布局排列時(shí),將沖蝕的風(fēng)險(xiǎn)降至最低,從而降低設(shè)備維護(hù)成本。目前中外學(xué)者對(duì)沖蝕磨損的研究主要有實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法[4-6]。一般來說,搭建一套研究沖蝕的具體實(shí)驗(yàn)室投資成本較高。20世紀(jì)90年代,Fluent軟件中的計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)在預(yù)測(cè)固體顆粒引起的沖蝕中得到了廣泛的應(yīng)用,被科研人員認(rèn)為是在沖蝕范疇內(nèi)一種非常有價(jià)值的輔助工具,可通過大量的計(jì)算模擬和最少數(shù)的物理實(shí)驗(yàn)來研究沖蝕現(xiàn)象。該工具極大地促進(jìn)了沖蝕模型的發(fā)展,并提出了幾種廣泛使用的基于CFD的沖蝕模型。然而,盡管數(shù)值求解模型和方法不斷發(fā)展,處理大計(jì)算量和高復(fù)雜程度的能力越來越強(qiáng),但物理實(shí)驗(yàn)仍然至關(guān)重要。主要原因是,描述某些問題的守恒物理量所需的控制方程大都是基于經(jīng)驗(yàn)方程;此外,通過數(shù)值模擬所獲得的結(jié)果需要進(jìn)行理論模型和具體物理實(shí)驗(yàn)共同來評(píng)估數(shù)據(jù)的可信度。既驗(yàn)證評(píng)估了計(jì)算模型提供的解的數(shù)值精度,又確定了模擬結(jié)果與通過物理實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)之間的一致度。因此,在對(duì)沖蝕磨損的研究過程中,同時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)是一種必要常見的手段[7-8]。

由于沖蝕是一個(gè)復(fù)雜的過程,受許多因素的影響,僅憑經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪遣粔虻?因?yàn)槟Ｐ椭腥狈碚撜撟C,而較為復(fù)雜的模型又需要全面且多學(xué)科交叉的專業(yè)知識(shí)才能得出理論結(jié)果。因此,基于CFD的沖蝕模擬程序可靠性和精確性的開發(fā)與使用,甚至可能優(yōu)于其自身模型的簡(jiǎn)化,對(duì)油氣行業(yè)和沖蝕模擬界有更重要的意義。現(xiàn)著重對(duì)在管道沖蝕過程中攜固液體的流動(dòng)屬性、固體顆粒的運(yùn)動(dòng)屬性和沖蝕數(shù)值模擬3個(gè)方面進(jìn)行綜述,對(duì)比各種沖蝕模型在仿真軟件下的適用性和預(yù)測(cè)效果,討論仿真在沖蝕領(lǐng)域內(nèi)所做的深度及以后研究的重點(diǎn)。

1 沖蝕理論的發(fā)展

在表面材料去除方面,目前存在以下4種機(jī)制,如圖1所示。這4種機(jī)制包括切削(以切削刃穿透塑性材料)、疲勞(循環(huán)破壞)、熔化(失去流體狀態(tài))和變形斷裂(塑性變形和脆性斷裂)。沖蝕模型的建立通常是這些機(jī)制的組合。

圖1 表面材料去除的4種機(jī)制[9]Fig.1 Four mechanisms of surface material removal[9]

Finnie[10]在1958年首次對(duì)塑性材料提出微切削理論。以切削為主要的沖蝕機(jī)制,顆粒通常以小角度沖擊,一個(gè)顆粒撞擊靶材表面形成凹坑,下一個(gè)顆粒會(huì)撞擊表面并從第一次撞擊中移除剩余的材料,如圖1(a)所示。只有顆粒在低入射角進(jìn)行攻擊靶材時(shí),微切削理論才能比較完善地解釋沖蝕情況。當(dāng)顆粒沖擊角度過大時(shí),其模型與物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大。然而,對(duì)于脆性材料,Finnie[10]討論了當(dāng)顆粒以大角度撞擊表面時(shí),初始裂紋生成的條件,但無法提出與塑性材料類似的脆性材料模型。由于沖蝕顆粒入射角度的差異,部分研究者試圖求解顆粒的運(yùn)動(dòng)方程,并通過顆粒撞擊靶材表面的路徑來預(yù)測(cè)沖蝕量。固體顆粒的沖擊角度對(duì)塑性材料和脆性材料沖蝕量的函數(shù)關(guān)系如圖2所示。

圖2 沖擊角度對(duì)不同類型靶材沖蝕量的影響[11]Fig.2 Effect of impact angle on erosion amount of different types of targets[11]

在Finnie[10]的基礎(chǔ)上,Bitter[12-13]于1963年提出了沖蝕變形磨損理論。當(dāng)固體顆粒沖蝕靶材表面時(shí),若粒子的沖擊應(yīng)力未超過表面材料的屈服強(qiáng)度,材料表面出現(xiàn)彈性變形現(xiàn)象,若超過表面材料的屈服強(qiáng)度,則會(huì)引起材料表面的塑性變形,此為第一階段。第二階段與Finnie[9]的微切削模型相互一致。Bitter[12-13]認(rèn)為沖蝕磨損的總磨損量應(yīng)為變形磨損和切削磨損兩者之和。Bellman等[14]和Levy等[15]在1981年提出了鍛造擠壓成片理論,固體顆粒沖擊靶材時(shí)其表面受到擠壓,形成薄片狀突起和毛刺形凹陷但均未從表面脫離;凸起的片狀金屬層不斷被固體顆粒沖擊,而后脫離靶材,如圖1(d)所示。這一理論被多數(shù)研究者所支持。對(duì)于脆性材料,在最初碰撞后出現(xiàn)裂紋網(wǎng)格,然后在顆粒反復(fù)沖擊后,這些裂紋相交并從表面向內(nèi)部斷裂,如圖1(b)所示。Sheldon等[16-17]和Evans等[18-19]研究了橫向裂紋和縱向裂紋的成長(zhǎng)機(jī)理,認(rèn)為脆性材料沖蝕模型的建立始于裂紋的出生和成長(zhǎng)過程。除了上述具有開創(chuàng)性的經(jīng)典理論外,后續(xù)的研究者們還提出了一系列關(guān)于脆性材料沖蝕率V的理論模型如表1所示,并進(jìn)行了擴(kuò)展和補(bǔ)充,得出具體的沖蝕率V與沖擊粒子自身參數(shù)的相關(guān)關(guān)系,表達(dá)式[9]為

表1 各種脆性材料沖蝕理論模型參數(shù)Table 1 Erosion theoretical model parameters of various brittle materials

(1)

(2)

式中:e1、e2、e3、e5、e6為影響因子;v0為沖蝕速度;r為沖擊顆粒的尺寸;ρ為顆粒密度;KC為靶材的斷裂韌性;H為靶材硬度;vt為靶材的泊松模量;vp為沖擊顆粒的泊松模量;Et為靶材的楊氏模量;EP為沖擊顆粒的楊氏模量。

考慮到影響沖蝕的參數(shù)較多,到目前為止,已經(jīng)確定多個(gè)影響固體顆粒沖蝕的因素,如圖3所示,其中包括顆粒撞擊速度、顆粒撞擊角度、顆粒特性(如材料、形狀、尺寸、銳度)以及目標(biāo)表面特性(如材料、硬度、延展性和流動(dòng)條件)等。Finnie[10]、Tilly[24]和Mansouri等[25]認(rèn)為這些參數(shù)會(huì)顯著影響固體顆粒沖蝕機(jī)制。研究者們開發(fā)了各種沖蝕方程[26-27],試圖考慮不同的條件和盡可能多的影響因素。這些沖蝕方程可分為三大類:一是基于粒子運(yùn)動(dòng)的物理特性和施加在粒子上的作用力來預(yù)測(cè)沖蝕的數(shù)學(xué)模型而得到的純理論方程;二是基于大量的具體物理實(shí)驗(yàn)而得到的純實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(經(jīng)驗(yàn))方程;三是前兩者的結(jié)合,即半經(jīng)驗(yàn)-半理論方程。Grant等[28]、Oka等[29]、Zhang等[30]和Huang等[31]提出了沖蝕研究和文獻(xiàn)中常用的方程。近年來,許多研究也采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法對(duì)沖蝕現(xiàn)象進(jìn)行了研究。Shirazi等[32]開發(fā)了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?該模型用于預(yù)測(cè)管道幾何結(jié)構(gòu)中的沖蝕以及彎頭和三通中的沖蝕。Chen等[33]和Vieira等[34]也試驗(yàn)了三通和彎頭相關(guān)方面的沖蝕。盡管如此,沒有一個(gè)模型適用于所有情況。在復(fù)雜的流體介質(zhì)環(huán)境下,固體顆粒對(duì)材料表面沖蝕的研究中,單一的某種沖蝕理論不能對(duì)沖蝕現(xiàn)象做出較為完整的解釋,應(yīng)該為多種表面材料去除機(jī)理之間的交互耦合,從而進(jìn)行相互補(bǔ)充。

2 沖蝕過程中液體的流動(dòng)屬性

在液固耦合流場(chǎng)分析的過程中,將其分為液體流動(dòng)屬性和固體顆粒運(yùn)動(dòng)屬性,分別從這兩大屬性進(jìn)行闡述,如圖4所示。在液體流動(dòng)屬性中,涉及流動(dòng)控制方程,如質(zhì)量、能量及動(dòng)量的守恒方程。除此之外,根據(jù)雷諾數(shù)的大小不同,將流體劃分流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定的層流和不規(guī)則紊流流場(chǎng)的湍流。根據(jù)實(shí)際工況,使用恰當(dāng)?shù)膶恿髂Ｐ秃屯牧髂Ｐ汀６谶M(jìn)行模擬彎管和管匯沖蝕時(shí),使用最多的為湍流模型。本節(jié)主要討論流動(dòng)控制方程和湍流模型。

圖4 液固耦合流場(chǎng)分析[35]Fig.4 Analysis of fluid solid coupling flow field[35]

2.1 流動(dòng)控制方程

所有的流體問題,必須遵守這3個(gè)基本物理學(xué)原理:質(zhì)量守恒定律、牛頓第二定律和能量守恒定律,由于研究的對(duì)象為固液流場(chǎng),此為不可壓縮的流體,在流動(dòng)控制方程中將不再考慮其狀態(tài)方程,則質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程如下[35]。

質(zhì)量守恒方程為

(3)

能量守恒方程為

(4)

動(dòng)量守恒方程為

(5)

(6)

(7)

2.2 湍流模型

目前模擬流動(dòng)的主要技術(shù)有3種[36],主要不同在于它們?nèi)绾卧诓煌叨壬咸幚硗牧鳌Ｒ环N是直接數(shù)值模擬(direct numerical simulation,DNS),求解Navier-Stokes(N-S)方程,甚至到最小尺度的流動(dòng),所有湍流渦流都被完全解析且全部被模擬顯示,因此在計(jì)算上是非常昂貴的,這種模擬對(duì)絕大多數(shù)流體流動(dòng)問題不是實(shí)用的解決方案。一種是大渦模擬(large eddy simulation,LES),該技術(shù)顯性地解決了大規(guī)模渦流,但小規(guī)模渦流被過濾掉并用子網(wǎng)格模型進(jìn)行建模,LES的計(jì)算成本遠(yuǎn)低于DNS。分離渦模擬(detached eddy simulation,DES)是LES的一種替代方法[37]。另一種雷諾平均法(reynolds average navier-stokes,RANS),這是3種技術(shù)中計(jì)算成本最低的時(shí)間平均方法,基于Boussinesq假設(shè),在時(shí)間域上對(duì)流場(chǎng)物理量進(jìn)行平均化處理,求解所得到的時(shí)均化控制方程,從而使用湍流黏度的概念來模擬渦流流動(dòng)。目前存在幾種不同的湍流模型,如k-ε模型、k-ω模型、雷諾應(yīng)力模型(reynolds stress models,RSM)和Spalart-Allmaras模型等。不同的模型適合不同的問題類型。常用的幾種湍流模型及優(yōu)點(diǎn)和適用范圍如表2所示。

表2 常用湍流模型Table 2 Common turbulence models

從表2中可以看出,使用k-ε模型較多,由于其穩(wěn)定性好,工業(yè)應(yīng)用較為廣泛,多受研究者的青睞,但該模型在近壁面時(shí)采用壁面函數(shù)處理,從而導(dǎo)致壁面處理精度不夠。近年來有多種低雷諾數(shù)k-ε模型通過計(jì)算黏性子層進(jìn)行修正[49],以提高近壁面精度。此模型日益完善逐步成為當(dāng)今主流。k-ω模型是直接求解邊界層網(wǎng)格數(shù)據(jù),近壁面處理較好,對(duì)逆壓梯度和分離流動(dòng)處理比k-ε模型計(jì)算更為精確。在渦黏模型中,BSL近壁面采用k-ω,主流區(qū)采用k-ε,集兩模型之優(yōu)點(diǎn),而SST是對(duì)BSL的簡(jiǎn)化版,減小了其計(jì)算量。RSM模型支持各向異性流動(dòng),用于強(qiáng)旋轉(zhuǎn)、大曲率流,二次流、浮力流等復(fù)雜的三維流動(dòng),但由于計(jì)算成本高,在工程應(yīng)用中受到限制。LES模型主要用在瞬態(tài)大渦流流動(dòng)模擬,對(duì)網(wǎng)格劃分要求較高。

3 沖蝕過程中固體顆粒的流動(dòng)屬性

以流動(dòng)介質(zhì)中的分散相-固體顆粒為研究對(duì)象進(jìn)行粒子跟蹤,用離散建模法來表示顆粒-顆粒相互作用和顆粒-壁面的函數(shù)關(guān)系,分析固體顆粒在流動(dòng)液體中受力情況,考慮其自身是否有上下自旋及運(yùn)動(dòng)軌跡。在固液耦合兩相流中,選取較為合適的沖蝕模型,在計(jì)算方法上,有歐拉-歐拉模型(euler-euler model,E-E)和歐拉-拉格朗日模型(euler-lagrange model,E-L)。在該部分內(nèi)容中主要探討離散建模和沖蝕模型。

3.1 離散建模方法

在計(jì)算顆粒軌跡和對(duì)粒子跟蹤采用最多的方法是離散相建模法。E-E或E-L都可用來模擬質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)固體顆粒體積分?jǐn)?shù)小于10%,其顆粒視為離散相分散在連續(xù)相的流體中,考慮每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)狀況,并沿粒子的軌跡計(jì)算相關(guān)變量,而當(dāng)粒子之間的相互作用可以忽略時(shí),E-L的計(jì)算是高效的。對(duì)于顆粒濃度相對(duì)較高的流動(dòng),液相和顆粒相都被視為連續(xù)相,在靠近壁面處,質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)包括撞擊和反彈,E-E僅給出質(zhì)點(diǎn)在每個(gè)控制體積內(nèi)的運(yùn)動(dòng)平均值。這可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)顆粒的沖擊速度不準(zhǔn)確,進(jìn)而影響沖蝕的預(yù)測(cè)[50]。

在離散相模型(discrete phase model,DPM)中,離散相粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡由拉格朗日系統(tǒng)中粒子作用力的微分方程確定。作用于粒子的流體力決定了它們的軌跡,通過求解質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程來計(jì)算每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。對(duì)顆粒受到的流體力進(jìn)行分析,根據(jù)具體工況對(duì)受力進(jìn)行簡(jiǎn)化。常用的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為

(8)

式(8)中:等式左側(cè)為質(zhì)點(diǎn)慣性;Vp為顆粒速度;右側(cè)為作用在質(zhì)點(diǎn)上的力;FD為曳力顆粒受到最重要的力(顆粒所受液體的阻力);FV為附加質(zhì)量力,表示顆粒被加速或減速時(shí)所取代的流體體積,當(dāng)流體密度與顆粒密度之比較大時(shí),該力不可忽略;FP為壓力梯度力,當(dāng)粒子通過具有高壓力梯度的區(qū)域時(shí)(如變徑流道),壓力梯度所產(chǎn)生的力對(duì)粒子軌跡有重要影響;FG為顆粒受到的重力;FB為顆粒受到的浮力;FBa為巴塞特力,由于液體黏性引起顆粒的速度變化,其本質(zhì)是瞬時(shí)阻力;FM為Magnus升力,顆粒自身旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的升力;FS為Saffman升力,當(dāng)顆粒兩側(cè)的液體流速不一樣時(shí),由伯努利原理,高速度區(qū)會(huì)“吸引”低速度區(qū)顆粒。研究者可由上述8種受力狀況根據(jù)實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)對(duì)力做出取舍,展開式的適用范圍見文獻(xiàn)[7,51]。

在上述離散相模型中,考慮到顆粒碰撞壁面后會(huì)反彈,這個(gè)反彈的角度與顆粒入射角度大小是否相等,這兩個(gè)值存在什么樣的函數(shù)關(guān)系,就需要恢復(fù)系數(shù)來進(jìn)行表征。Grant等[28]提出的隨機(jī)顆粒-壁面碰撞反彈模型和Forder等[52]提出的非隨機(jī)性顆粒-壁面碰撞反彈模型。分別用法向恢復(fù)系數(shù)和切向恢復(fù)系數(shù)多項(xiàng)式來表示。反彈模型實(shí)質(zhì)上表征的是單個(gè)顆粒的能量有多少被靶(壁面)材料所吸收。目前常用的函數(shù)式是針對(duì)壁面材料為碳鋼和不銹鋼,如果材料特殊,則需要重新進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)來確定和修正壁面反彈函數(shù)。

除了以上常用的DPM模型外,還有密集離散相模型(dense discrete phase model,DDPM)[53-54]和離散元方法(discrete element method,DEM)[55-56]。這3種方法最本質(zhì)的不同是處理顆粒與顆粒之間相互作用的方式。DPM直接忽略顆粒與顆粒相互作用,而DDPM和DEM分別利用顆粒流動(dòng)力學(xué)理論和軟球模型來模擬顆粒與顆粒之間的相互作用。文獻(xiàn)[7,57]詳細(xì)討論了這些模型本身及它們的使用方法和所涉及的各項(xiàng)參數(shù)。到目前為止,大多數(shù)關(guān)于沖蝕預(yù)測(cè)的研究是用DPM模型進(jìn)行的。近年來,DEM模型在沖蝕研究中逐漸活躍起來。它可以捕捉顆粒和顆粒的相互作用、顆粒自身旋轉(zhuǎn)和形狀、顆粒沖擊條件變化對(duì)壁面產(chǎn)生的沖蝕影響。然而,由于計(jì)算成本很高,從而限制了DEM方法的使用。Kuang等[58]采用了一種新方法,在DEM的基礎(chǔ)上,在直管和彎頭處的顆粒沖擊速度、沖擊角、周長(zhǎng)角和碰撞頻率采用統(tǒng)計(jì)函數(shù)建立一維沖蝕模型(one-dimensional erosion model,ODEM)來計(jì)算沖蝕率。與通過三維DEM模擬,提取碰撞動(dòng)力學(xué)以生成統(tǒng)計(jì)函數(shù)相比,在精度一致的條件下,該方法能以更快的速度預(yù)測(cè)管道的沖蝕速率。

3.2 沖蝕模型

在3.1節(jié)中對(duì)顆粒進(jìn)行建模時(shí),無論選擇哪種建模方法,DPM、DEM、DDPM、ODEM等方法,當(dāng)顆粒撞擊到壁面,相應(yīng)的撞擊信息就被存儲(chǔ)起來,如顆粒沖擊速度、沖擊角度、顆粒的質(zhì)量和流量等,這些信息將用于下一步的沖蝕計(jì)算。沖蝕模型將沖擊信息與壁材的沖蝕率或質(zhì)量損失建立聯(lián)系。目前學(xué)者們已提出200余種經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠肀磉_(dá)沖蝕速率[59]。常用的沖蝕模型貢獻(xiàn)和局限性如表3所示。

表3 常用沖蝕模型Table 3 Common erosion models

沖蝕模型不管形式怎么變化,其函數(shù)式中都保有顆粒信息的常規(guī)參數(shù),如顆粒速度、入射角、壁面反彈系數(shù)等,如圖3所示。計(jì)算方法可能不一樣,但計(jì)算出的結(jié)果均需要與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行多次比較,從而得出具體選定哪個(gè)沖蝕模型較為合適。

4 管道沖蝕模擬

模擬沖蝕的目的就是在于預(yù)測(cè)管道服役壽命,監(jiān)控流動(dòng)狀態(tài),零部件的故障診斷和健康監(jiān)測(cè),預(yù)防安全事故發(fā)生和提高企業(yè)生產(chǎn)效率。截止到目前,對(duì)管道系統(tǒng)的沖蝕磨損仿真中,做了許多不同類型管道的沖蝕模擬,如圖5所示,如不同角度彎管(如30°、60°等)、三通、四通、連續(xù)管道等。在CFD的模擬下,通過使用參數(shù)數(shù)值計(jì)算和合適的沖蝕模型,從而確定零部件的沖蝕速率(使用壽命)和最大沖蝕位置。除此之外,也對(duì)高壓泵和渦輪機(jī)等復(fù)雜幾何形狀展開了沖蝕的研究。在整個(gè)大的管道系統(tǒng)范圍內(nèi),可以將這些彎頭和接頭視為一個(gè)小單元,但這些小單元重新排列組合形成新的組合單元和管道系統(tǒng),其耐沖蝕性能怎樣去模擬和評(píng)估,目前研究的較少。這將會(huì)對(duì)今后管道系統(tǒng)在實(shí)際工況下的接頭選型和整體位置布局有著重大影響。

α為管道夾角圖5 各管道接頭沖蝕模型[57,42,61]Fig.5 Erosion model of each pipe joint[57,42,61]

多年以來,在進(jìn)行管道沖蝕模擬時(shí),網(wǎng)格無關(guān)性的驗(yàn)證是必須進(jìn)行分析的,通常在模擬過程中采用的為不變形網(wǎng)格。這可能引起預(yù)測(cè)的沖蝕與現(xiàn)場(chǎng)的沖蝕較大偏差。目前López等[62]開發(fā)了一種包括網(wǎng)格變形的沖蝕計(jì)算方法。它既適用于歐拉方程,也適用于拉格朗日方程。利用該方法對(duì)渣漿離心泵套管進(jìn)行了沖蝕模擬,得到了與真實(shí)套管基本相似的沖蝕模式。在計(jì)算沖蝕時(shí),由于網(wǎng)格的存在失真,影響計(jì)算精度[61]。為了避免計(jì)算網(wǎng)格失真的問題,近年來出現(xiàn)了無網(wǎng)格方法。在不同的無網(wǎng)格方法中,“光滑粒子流體力學(xué)”(smoothed particle hydrodynamics,SPH)被廣泛用于沖蝕建模中[63]。SPH使用拉格朗日粒子來表示目標(biāo)材料,如其應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等變量信息,可以捕捉快速移動(dòng)的界面和自由表面。其核心思想是使用一組任意分布的節(jié)點(diǎn)或粒子,為具有各種可能邊界條件的積分方程或偏微分方程提供精確穩(wěn)定的數(shù)值解。由于無網(wǎng)格特性,在模擬大變形和材料去除方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

首先回顧了沖蝕理論的發(fā)展,介紹了不同對(duì)塑性和脆性材料提出的幾種經(jīng)典沖蝕理論機(jī)理,而后詳細(xì)討論了在沖蝕過程中液體和固體顆粒互相耦合的流動(dòng)屬性,最后綜述了不同類型管道的沖蝕模擬。管道內(nèi)液固兩相流沖蝕的理論和仿真,目前正處于高發(fā)展階段,其重點(diǎn)展望方向如下。

(1)通過觀察顆粒沖蝕后的表面形貌,可從圖像分析的磨痕特征中來收集顆粒碰撞等信息(如沖擊角、沖擊速度等),逆向分析對(duì)沖蝕速率有意義的參數(shù),從而對(duì)模型進(jìn)一步完善。現(xiàn)有的沖蝕數(shù)值模型仿真極少有涉及酸堿度(腐蝕環(huán)境)和溫度等大環(huán)境下對(duì)沖蝕的影響,可做下一步研究。

(2)在固體顆粒沖蝕的同時(shí),可采用灰色模型和前饋(back propagation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等對(duì)固體顆粒沉降敏感區(qū)的彎頭和管匯部位,進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的模擬仿真,對(duì)管道沖蝕實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方面做下一步研究。

(3)在滿足管道內(nèi)流量和壓降等實(shí)際工況條件下,將接頭管匯甚至部分零件以沖蝕為研究對(duì)象等這些小單元,建立成具有沖蝕模擬分析報(bào)告的選型數(shù)據(jù)庫,結(jié)合考慮管道系統(tǒng)排列和布局中流體動(dòng)能的“輻射衰減”,對(duì)今后整體管道系統(tǒng)排列的布局在沖蝕方面做出理論支撐。