[发明专利]一种液相弯头中固体颗粒冲蚀的显式算法

说明书

本发明公开了一种液相弯头中固体颗粒冲蚀的显式算法，包括如下步骤：（1）求解管道内流场的基本特征；（2）求解弯头内流场；（3）计算颗粒的落点；（4）计算颗粒的碰撞速度；（5）求解颗粒的碰撞角度；（6）求解颗粒碰撞点处的材料损失比；（7）求解颗粒撞击处的有效输沙率；（8）求解入口冲蚀扩散系数；（9）计算弯头上固体颗粒冲蚀。本发明旨在提供一种计算液相弯头中固体颗粒运动轨迹及造成冲蚀的显式算法，基于相关理论构建了弯头内的近似流场，通过将颗粒运动方程进行简化得到运动轨迹的显式解，追踪颗粒碰撞管壁造成的材料损失。

技术领域

本发明属于固体颗粒冲蚀的显式算法领域，特别涉及该领域中的一种液相弯头中固体颗粒冲蚀的显式算法。

背景技术

管道中的固体颗粒冲蚀问题广泛存在于各种工业设备中，如油气输送管线、疏浚吹填设备、旋转除尘器、航空发动机等。管线中的固体颗粒随流体一起高速运动，在流向突然改变处会以较高动量撞击管道内壁，进而造成严重的材料损伤。弯头作为一种常见的改变流体流动方向的部件，最容易出现固体颗粒冲蚀。管道在固体颗粒冲蚀的作用下发生变薄、破裂、流体泄露，会造成严重的生产事故，危害人员安全与周边生态环境。因此，采取一种简单有效的方法分析弯头处的固体颗粒冲蚀，对于指导许多工业领域的装备设计、保养维护具有重要意义。

现有的分析弯头处固体颗粒冲蚀的方法主要有两种。第一种方法为基于大量实验数据拟合出来的经验或半经验算法。这种方法一般是颗粒冲蚀理论的延伸，通过实验数据拟合出输送速度指数、角度函数、以及部件形状系数；一些更为精细的模型会基于部件内流场形态，给出颗粒群平均碰撞速度与平均碰撞角度。但此方法并不跟踪弯头中颗粒的运动轨迹，无法反映弯头中颗粒冲蚀的完整机理，故需要使用大量的经验系数，影响了该方法的适用范围与计算精度。第二种方法基于计算流体力学的方法模拟管道内流场，在流场中释放大量离散颗粒并使用拉格朗日方法跟踪颗粒群，最后将受冲蚀面上的颗粒碰撞速度与碰撞角度代入颗粒冲蚀理论计算弯头冲蚀。由于详细分析了弯头颗粒冲蚀过程中的每一个细节，该方法操作较为复杂，一般需要划分网格、迭代运算，在计算过程中需要耗费较大的计算资源，因此并不适用于工程运用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种液相弯头中固体颗粒冲蚀的显式算法。

本发明采用如下技术方案：

一种液相弯头中固体颗粒冲蚀的显式算法，其改进之处在于，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：