固體顆粒對(duì)金屬壁面的沖蝕損傷研究

雷耀東

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

在石油化工、航空航天、能源冶金、動(dòng)力輸送等眾多工程領(lǐng)域，都面臨應(yīng)用設(shè)備受到顆粒沖蝕損傷的問(wèn)題。如油氣田含砂開采對(duì)油井管柱的損傷，風(fēng)沙對(duì)飛機(jī)機(jī)身表面的損傷，壓縮機(jī)、泵等輸送設(shè)備受到含砂流體的損傷等。固體顆粒被流體裹挾，并伴隨著流體的運(yùn)動(dòng)，不斷沖擊著設(shè)備部件的表面，設(shè)備的損傷破壞會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行失效，甚至發(fā)生重大的生產(chǎn)安全事故[1]。因此，研究顆粒對(duì)設(shè)備表面的沖蝕損傷行為十分必要。

固體顆粒沖蝕過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這一方面進(jìn)行了大量研究。Finnie.I、Bitter等[2-3]通過(guò)研究固體顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中損傷材料的機(jī)理，提出了許多顆粒沖蝕磨損的理論模型。屈文濤、楊向同等[4-5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究分析了顆粒濃度、沖擊角度和速度、沖擊時(shí)間等影響因素對(duì)不同材料的沖蝕損傷。彭文山、丁礦等[6-7]采用數(shù)值模擬的方法，分析了彎管流動(dòng)過(guò)程中顆粒及流場(chǎng)特性對(duì)管道沖蝕損傷的影響。

本文利用射流式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)顆粒沖擊金屬材料的表面損傷行為進(jìn)行研究，探究了在顆粒射流沖擊下，流場(chǎng)狀態(tài)及顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的分布對(duì)壁面的沖蝕損傷行為。

1 計(jì)算模型

本文采用ANASY-Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)DPM-Erosion模塊設(shè)置，求解顆粒狀態(tài)下金屬壁面的沖蝕速率。

1.1 離散相控制方程

由于設(shè)置顆粒的濃度較小，因此不考慮顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中顆粒之間的相互作用，并根據(jù)各個(gè)顆粒的受力平衡方程，求解得到顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。顆粒的受力平衡方程為：

若粒徑的數(shù)量級(jí)在μm以下，那么FD的計(jì)算應(yīng)按照Stokes阻力公式：

式中，Cc為Cunningham修正系數(shù)λ是粒子平均自由程。

1.2 碰撞恢復(fù)方程

顆粒與金屬壁面撞擊反彈后一定伴隨著能量損失，碰撞前后的能量變化特性用恢復(fù)系數(shù)來(lái)表示。本文選用Grant和Tabako兩位學(xué)者的研究成果，恢復(fù)系數(shù)方程表達(dá)為：

式中，T和N分別代表切向和法向，θ為入射角。

1.3 沖蝕損傷模型

固相顆粒與金屬表面發(fā)生碰撞后，材料會(huì)發(fā)生一定程度的沖蝕損傷。為了衡量材料的沖蝕損傷速率，本文采用能夠考慮顆粒沖擊角度、速度、粒徑等參數(shù)的沖蝕模型，對(duì)沖蝕損傷量進(jìn)行計(jì)算，沖蝕速率的表達(dá)式如下[8]：

其中，C(dp)是粒徑函數(shù)，α是沖擊角，f (α)是沖擊角函數(shù)，v是顆粒相對(duì)速度，b(v)是粒子相對(duì)壁面運(yùn)動(dòng)的函數(shù)，Aface是單元面積。沖蝕速率的單位是kg·(m2·s)-1或 mm·a-1。

2 模型建立及參數(shù)設(shè)置

利用ICEM軟件建立的射流式?jīng)_蝕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的簡(jiǎn)化模型如圖1所示。水箱頂部為射流噴嘴，內(nèi)部為加裝完成的片狀試樣。模型幾何尺寸設(shè)置為：射流噴嘴直徑10mm，水箱棱長(zhǎng)400mm，正方體結(jié)構(gòu)，箱體內(nèi)部為20mm×10mm×2mm的片狀試樣。

圖1 數(shù)值計(jì)算幾何模型

定義噴嘴入口采用速度入口，速度為10m·s-1。箱體壁面設(shè)置為壓力出口，試樣沖擊面為無(wú)滑移壁面，離散相邊界條件為reflect。固體顆粒選擇為圓形石英砂，顆粒密度為2650kg·m-3，顆粒直徑為0.42mm，按5%的顆粒流量從噴嘴入口注入。

3 結(jié)果與討論

顆粒射流沖擊壁面的流場(chǎng)特征決定了壁面的沖蝕損傷特性。圖2為連續(xù)相顆粒在流體域內(nèi)的速度云圖。由速度云圖可以看出，射流沖擊的中心線上速度最高，并且最大速度出現(xiàn)在噴嘴入口處，大約為11.7m·s-1。射流中心線外圍的連續(xù)相速度向外分散降低。連續(xù)相與樣品表面撞擊接觸后，一部分顆粒的速度方向改變，緊貼樣品表面出現(xiàn)一段高速區(qū)。同時(shí)，大部分顆粒沿著射流方向沖擊樣品表面，并隨著流動(dòng)方向繼續(xù)沖刷，在射流中心外圍且與流動(dòng)方向相反的樣品表面，少有顆粒沖擊發(fā)生。

圖2 連續(xù)相顆粒速度云圖

圖3是樣品表面壓力分布圖，圖4是樣品的表面剪切力分布圖。顆粒沿射流中心直接撞擊材料表面時(shí)，在材料表面產(chǎn)生了集中的高壓區(qū)。跟隨流動(dòng)方向并貼壁高速?zèng)_刷的顆粒，在材料表面形成了剪切應(yīng)力區(qū)。在射流中心外圍以及與流動(dòng)相反的顆粒，由于動(dòng)能較小且不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，隨機(jī)撞擊在樣品表面，因此在樣品表面的邊緣也有壓力或剪切力分布。

圖3 樣品表面壓力云圖

圖4 樣品表面剪切力云圖

圖5是樣品在射流沖擊下的沖蝕速率云圖。樣品表面沖擊中心位置是沖蝕損傷最大的部位，沿流動(dòng)方向下游，沖蝕損傷次之。顆粒沿射流中心沖擊壁面，沖擊法向分力較大，顆粒沖擊后刺入壁面，進(jìn)而切割去除材料，磨損量較大。當(dāng)顆粒貼壁高速?zèng)_刷時(shí)，顆粒沖擊法向分力較小，剪切應(yīng)力較大，顆粒不足以刺入材料，切削作用不易發(fā)生，沖蝕速率較小。由于顆粒運(yùn)動(dòng)特性的影響，樣品表面沖蝕損傷被分成2個(gè)區(qū)域。

圖5 沖蝕速率云圖

4 結(jié)論

顆粒射流沖擊材料表面時(shí)，材料表面沖蝕損傷可分為兩個(gè)區(qū)域：沖擊射流區(qū)和貼壁射流區(qū)。沖擊射流區(qū)顆粒撞擊的分布集中，沖擊能量大，是沖蝕速率最高的區(qū)域；貼壁射流區(qū)的顆粒沖刷較為分散，且顆粒沖擊能量較小，沖蝕速率也較小。