固体颗粒对金属壁面的冲蚀损伤研究

2020-12-29雷耀东

化工技术与开发 2020年12期

雷耀东

（西安石油大学，陕西西安 710065）

在石油化工、航空航天、能源冶金、动力输送等众多工程领域，都面临应用设备受到颗粒冲蚀损伤的问题。如油气田含砂开采对油井管柱的损伤，风沙对飞机机身表面的损伤，压缩机、泵等输送设备受到含砂流体的损伤等。固体颗粒被流体裹挟，并伴随着流体的运动，不断冲击着设备部件的表面，设备的损伤破坏会造成整个系统的运行失效，甚至发生重大的生产安全事故[1]。因此，研究颗粒对设备表面的冲蚀损伤行为十分必要。

固体颗粒冲蚀过程是一个非常复杂的过程，国内外学者在这一方面进行了大量研究。Finnie.I、Bitter等[2-3]通过研究固体颗粒运动过程中损伤材料的机理，提出了许多颗粒冲蚀磨损的理论模型。屈文涛、杨向同等[4-5]通过实验，研究分析了颗粒浓度、冲击角度和速度、冲击时间等影响因素对不同材料的冲蚀损伤。彭文山、丁矿等[6-7]采用数值模拟的方法，分析了弯管流动过程中颗粒及流场特性对管道冲蚀损伤的影响。

本文利用射流式实验平台模型，采用数值模拟的方法，对颗粒冲击金属材料的表面损伤行为进行研究，探究了在颗粒射流冲击下，流场状态及颗粒运动轨迹的分布对壁面的冲蚀损伤行为。

1 计算模型

本文采用ANASY-Fluent软件进行数值模拟计算，通过DPM-Erosion模块设置，求解颗粒状态下金属壁面的冲蚀速率。

1.1 离散相控制方程

由于设置颗粒的浓度较小，因此不考虑颗粒运动过程中颗粒之间的相互作用，并根据各个颗粒的受力平衡方程，求解得到颗粒的运动轨迹。颗粒的受力平衡方程为：

若粒径的数量级在μm以下，那么FD的计算应按照Stokes阻力公式：

式中，Cc为Cunningham修正系数λ是粒子平均自由程。

1.2 碰撞恢复方程

颗粒与金属壁面撞击反弹后一定伴随着能量损失，碰撞前后的能量变化特性用恢复系数来表示。本文选用Grant和Tabako两位学者的研究成果，恢复系数方程表达为：

式中，T和N分别代表切向和法向，θ为入射角。

1.3 冲蚀损伤模型

固相颗粒与金属表面发生碰撞后，材料会发生一定程度的冲蚀损伤。为了衡量材料的冲蚀损伤速率，本文采用能够考虑颗粒冲击角度、速度、粒径等参数的冲蚀模型，对冲蚀损伤量进行计算，冲蚀速率的表达式如下[8]：

其中，C(dp)是粒径函数，α是冲击角，f (α)是冲击角函数，v是颗粒相对速度，b(v)是粒子相对壁面运动的函数，Aface是单元面积。冲蚀速率的单位是kg·(m2·s)-1或 mm·a-1。

2 模型建立及参数设置

利用ICEM软件建立的射流式冲蚀实验平台的简化模型如图1所示。水箱顶部为射流喷嘴，内部为加装完成的片状试样。模型几何尺寸设置为：射流喷嘴直径10mm，水箱棱长400mm，正方体结构，箱体内部为20mm×10mm×2mm的片状试样。

图1 数值计算几何模型

定义喷嘴入口采用速度入口，速度为10m·s-1。箱体壁面设置为压力出口，试样冲击面为无滑移壁面，离散相边界条件为reflect。固体颗粒选择为圆形石英砂，颗粒密度为2650kg·m-3，颗粒直径为0.42mm，按5%的颗粒流量从喷嘴入口注入。

3 结果与讨论

颗粒射流冲击壁面的流场特征决定了壁面的冲蚀损伤特性。图2为连续相颗粒在流体域内的速度云图。由速度云图可以看出，射流冲击的中心线上速度最高，并且最大速度出现在喷嘴入口处，大约为11.7m·s-1。射流中心线外围的连续相速度向外分散降低。连续相与样品表面撞击接触后，一部分颗粒的速度方向改变，紧贴样品表面出现一段高速区。同时，大部分颗粒沿着射流方向冲击样品表面，并随着流动方向继续冲刷，在射流中心外围且与流动方向相反的样品表面，少有颗粒冲击发生。

图2 连续相颗粒速度云图

图3是样品表面压力分布图，图4是样品的表面剪切力分布图。颗粒沿射流中心直接撞击材料表面时，在材料表面产生了集中的高压区。跟随流动方向并贴壁高速冲刷的颗粒，在材料表面形成了剪切应力区。在射流中心外围以及与流动相反的颗粒，由于动能较小且不规则运动，随机撞击在样品表面，因此在样品表面的边缘也有压力或剪切力分布。

图3 样品表面压力云图

图4 样品表面剪切力云图

图5是样品在射流冲击下的冲蚀速率云图。样品表面冲击中心位置是冲蚀损伤最大的部位，沿流动方向下游，冲蚀损伤次之。颗粒沿射流中心冲击壁面，冲击法向分力较大，颗粒冲击后刺入壁面，进而切割去除材料，磨损量较大。当颗粒贴壁高速冲刷时，颗粒冲击法向分力较小，剪切应力较大，颗粒不足以刺入材料，切削作用不易发生，冲蚀速率较小。由于颗粒运动特性的影响，样品表面冲蚀损伤被分成2个区域。