固體顆粒對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題。如油氣田含砂開采對油井管柱的損傷，風(fēng)沙對飛機(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，不斷沖擊著設(shè)備部件的表面，設(shè)備的損傷破壞會造成整個系統(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，研究顆粒對設(shè)備表面的沖蝕損傷行為十分必要。

固體顆粒沖蝕過程是一個非常復(fù)雜的過程，國內(nèi)外學(xué)者在這一方面進(jìn)行了大量研究。Finnie.I、Bitter等[2-3]通過研究固體顆粒運(yùn)動過程中損傷材料的機(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]通過實驗，研究分析了顆粒濃度、沖擊角度和速度、沖擊時間等影響因素對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，分析了彎管流動過程中顆粒及流場特性對管道沖蝕損傷的影響。

本文利用射流式實驗平臺模型，采用數(shù)值模擬的方法，對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，流場狀態(tài)及顆粒運(yùn)動軌跡的分布對壁面的沖蝕損傷行為。

1 計算模型

本文采用ANASY-Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算，通過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)動過程中顆粒之間的相互作用，并根據(jù)各個顆粒的受力平衡方程，求解得到顆粒的運(yùn)動軌跡?！?br>