粒子冲蚀建模
冲蚀是由于实体粒子在曲面上重复撞击而导致材料损失的一种现象。冲蚀会损坏管道、阀门和其他流道。因此,研究冲蚀率并确定流道中易受冲蚀的区域十分重要。
基于 CFA 的冲蚀建模包括以下步骤:
1. 通过求解纳维-斯托克斯方程可获得流场数据 (如速度)。
2. 在流场中释放粒子,并单独跟踪粒子以获得诸如撞击速度和撞击角度等数据。
3. 将粒子的撞击信息用于冲蚀方程,可计算由撞击粒子导致的冲蚀比/冲蚀率或表面质量损失。
冲蚀方程可供研究各种参数对冲蚀的影响,例如:
参考资料:Mazdak Parsi et al. "A comprehensive review of solid particle erosion modeling for oil and gas wells and pipelines applications" (2014)
粒子特征,如大小、形状、密度、硬度等
粒子撞击信息,如粒子撞击速度 、撞击角度 、粒子间相互作用等
目标壁属性,如材料密度、硬度等
冲蚀方程可用于计算冲蚀率 ,其定义为 (实体粒子撞击所致的) 壁材料损失量除以撞击实体粒子的质量。
Creo Flow Analysis 将使用以下各部分详述的冲蚀模型:
参考资料:Mazdak Parsi etc. "CFD simulation of sand particle erosion in gas-dominant multiphase flow" (2015)
Finne 模型
Finne 模型的冲蚀方程如下所示:
其中,
壁材料密度 (kg/m3)
粒子撞击速度 (m/s)
速度指数 (对于大多数工业应用,等于 2)
维氏硬度 (Pa)
撞击角度 (度)
* 
此模型会低估粒子撞击角度大于 时引起的材料损失程度,并预测法向撞击不会造成冲蚀。
Zhang 模型
Zhang 模型的冲蚀方程如下所示:
其中,
冲蚀比
壁材料的 Brinell 硬度 (Pa)
粒子形状因子
粒子撞击速度 (m/s)
速度指数 (等于 2.41)
撞击角度函数
对于不同类型的砂粒,粒子形状因子 具有以下值:
砂粒类型
1.0
尖角或棱角
0.53
半圆角
0.2
全圆角
撞击角度函数如下所示:
下表列出了 的值:
5.40
-10.11
10.93
-6.33
1.42
Oka 模型
Oka 等人得出的冲蚀方程如下所示:
方程 2.406
方程 2.407
方程 2.408
方程 2.409
方程 2.410
其中,
体积冲蚀率 (mm3/kg)
法向撞击角度下的冲蚀损坏 (mm3/kg)
参考撞击速度 (m/s)
粒子直径 (m)
参考粒子直径 (m)
Vicker 硬度 (GPa)
下表中显示了方程 2.406方程 2.407方程 2.408方程 2.409方程 2.410 中使用的不同系数值:
60
-0.12
0.19
0.71
2.4
0.14
-0.94
DNV 模型
DNV 模型的冲蚀方程如下所示:
其中,
(速度指数)
下表列出了 的值:
9.370
-42.295
110.864
-175.804
170.137
-98.398
31.211
-4.170
Mansouri 模型
Mansouri 模型的冲蚀方程如下所示:
方程 2.413
方程 2.414
其中,
冲蚀比
壁材料的 Brinell 硬度 (Pa)
粒子形状因子
粒子撞击速度 (m/s)
速度指数
撞击角度函数
Vicker 硬度 (Pa)
撞击角度 (度)
下表包含 Mansouri (2015) 冲蚀方程的方程 2.413方程 2.414 中所使用的不同参数值。
0.6947
2.41
0.2
0.85
0.65
4.49e-07
Grant-Tabakoff 模型
Grant-Tabakoff 模型的冲蚀方程如下所示:
方程 2.415
其中,
方程 2.416
其中,
冲蚀比
粒子撞击速度 (m/s)
撞击角度 (度)
最大冲蚀角度 (度)
方程 2.415 中的冲蚀率 定义为撞击粒子的每个质量单位 (g) 的材料量 (以 mg 为单位)。速度单位为 ft/s。
为最大冲蚀角度。例如,对于铝合金而言,
Grant-Tabakoff 模型的不同系数值如下表所示:
3.67e-06
0.585
6e-12
0.0016