[发明专利]一种液相弯头中固体颗粒冲蚀的显式算法

权利要求书

1.一种液相弯头中固体颗粒冲蚀的显式方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)求解管道内流场的基本特征：

紊流管道的雷诺数Re为：

式中V_m为管流平均速度，D为管道直径，ρ_f为流体密度，μ_f为流体粘性；

管道的摩阻系数f为：

管流的摩阻流速v_*为：

(2)求解弯头内流场：

设弯头内轴向速度分布V_i^f为：

其中，V_f为弯头上游长直管道中流体的轴向速度，l为弯头中流体微团在平行于弯头对称面的平面上的径向坐标；

R为弯头的中心半径；

(3)计算颗粒的落点：

颗粒在运动平面上的初始径向坐标为l₀，入口处的极坐标为以上坐标满足以下关系：

则颗粒的碰撞点坐标l_hit为：

其中θ_hit为颗粒运动平面上的碰撞点角坐标，d_p为颗粒粒径，ρ_p为颗粒密度；

(4)计算颗粒的碰撞速度：

颗粒撞击弯头时的轴向与径向速度分别为：

轴向径向

则颗粒的撞击速度为：其中为弯头的轴向方向，为弯头的径向方向；

(5)求解颗粒的碰撞角度：

颗粒落点处弯头曲面的法向量为：

为管道截面上流体微团的角坐标，θ为颗粒运动平面上的角坐标；则颗粒的碰撞角度φ为：

(6)求解颗粒碰撞点处的材料损失比：将颗粒的碰撞速度与碰撞角度代入以下方程：

ER_D＝C₂(V_hitsinφ-V_tsh)²

ER＝F_s(ER_C+ER_D)

式中，V_hit为颗粒的碰撞速度；ER为单位质量颗粒造成的弯头材料质量损失；F_S为颗粒形状系数，对于尖锐颗粒F_S＝1.0，对于圆形颗粒F_S＝0.2，介于两者之间时F_S＝0.5；式中其他参数取值见下表：

(7)求解颗粒撞击处的有效输沙率：

若弯头上游管道沿垂直方向，则单位时间单位面积的输沙率c_p为：

若弯头上游管道沿水平方向，则在重力作用下管道截面上颗粒分布并不均匀，单位时间单位面积的输沙率c_p为：

式中，g为重力加速度；h为颗粒在弯头入口处沿重力方向的相对坐标，取值在—1与1之间；w_p为单位时间管道横截面上的输沙质量；I₁为修正的1阶贝塞尔函数；

(8)求解入口冲蚀扩散系数：

冲蚀扩散系数η即为入口处颗粒的有效活动区域与冲蚀覆盖区域之间的面积比：

式中x_hit为弯头空间颗粒撞击处的笛卡尔坐标，其与极坐标之间有如下转换关系：

x_hit＝l_hitcosθ_hit

z_hit＝l_hitsinθ_hit

其中为颗粒在弯头入口处的极坐标；

(9)计算弯头上固体颗粒冲蚀：

弯头曲面上任意位置处单位时间单位面积上的材料质量损失E_r为：

E_r＝c_pηER。