[发明专利]一种强风沙区单圆柱构件的冲蚀磨损特性分析方法

权利要求书

1.一种强风沙区单圆柱构件的冲蚀磨损特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用计算流体力学软件ANSYS Fluent对单圆柱试件进行数值模拟，包括：

S1.1建立计算域；

S1.2对计算域进行网格划分，使得单圆柱试件周围网格内密外疏；

S1.3设置计算域的初始条件及边界条件

初始条件设置：模拟气固两相流，其中，连续相流体为理想空气；离散相颗粒为沙粒，并设定湍流模型以及连续相的求解控制方程；

边界条件设置：对单圆柱试件计算域的各部分边界进行定义；

S2、设置计算域参数

模拟气固两相流运动特征时，离散相与连续相为单向耦合或双向耦合；模拟计算冲蚀作用时，离散相与连续相为双向耦合；所设置参数包括：离散相注入器参数、壁面冲蚀磨损参数；

S1.1中，建立计算域的方法为：将计算域坐标系的原点设于计算域入口处底部，坐标系的x轴与来流风方向平行，坐标系的z轴与横风向平行，单圆柱试件的轴线平行于横风向，y轴垂直于来流风方向和横风向，设单圆柱试件的直径为D，计算域x轴向尺寸为20D，y轴向尺寸为10D，z轴向尺寸为单圆柱试件的长度，单圆柱试件轴向的两端与计算域两侧壁面齐平，单圆柱试件轴线距离入口壁面5D，距离出口壁面15D，距离上壁面、下壁面5D；

S1.2中，对计算域进行网格划分的方法为：采用ICEM软件对计算域进行网格划分，采用结构化网格对单圆柱试件外流场进行网格划分，将单圆柱试件周围的网格加密对应圆柱绕流，采用o型网格并设置划分尺寸使得单圆柱试件周围网格内密外疏；

S1.3中，

初始条件设置：采用DPM模型模拟气固两相流，采用连续性方程、动量方程以及三维Navier-Stokes方程作为连续相的求解控制方程；采用Realizable k-ε模型作为湍流模型，模型壁面处理采用增强壁面函数法；

边界条件设置：计算域入口采用速度入口，风速大小根据所模拟工况确定，湍流强度5％，水力直径等于4A/P，A为截面面积，P为截面周长；指定离散相颗粒类型为逃逸；计算域上下壁面以及左右壁面采用对称边界；计算域出口采用自由流出口，指定离散相颗粒的类型为逃逸，流量比重为1；单圆柱构件边界条件采用壁面类型，且采用无滑移边界；

S2中，离散相注入器参数设置包括：指定离散相颗粒由入口边界以面的形式注入；指定离散相颗粒速度等于入口壁面风速大小；指定离散相颗粒总流量参数：总流量＝风速×截面面积×沙粒浓度；离散相颗粒粒径分布采用统一的粒径或者多种粒径分布；

离散相颗粒粒径分布采用多种粒径分布，首先对沙粒样品进行级配分析，并定义大于某一粒径d的沙粒质量分数为Y_d，Fluent当中采用Rosin-Rammler粒径分布函数：其表达式为：

其中d为沙粒粒径，d为平均粒径，Y_d为大于粒径d的颗粒质量分数；

扩散参数n、平均粒径d求得方式为：首先画出Y_d与d的拟合分布曲线图，令Y_d＝e^-1≈0.368，从图中找到对应的d值，得到d＝d≈130um，将多组d和Y_d代入以下表达式：

得到的n值取平均值，得到扩散参数n＝4.52；

S2中，壁面冲蚀磨损参数设置方法为：

Fluent在模拟冲蚀磨损时，通过半经验的方式得到冲蚀角函数f(α)、冲蚀速度指数函数b(v)、颗粒直径函数C(d_p)来描述颗粒对材料的冲蚀行为，并给出预测值，通过风洞试验得到沙粒冲蚀单圆柱构件的冲蚀率模型，根据该冲蚀率模型，为单圆柱构件壁面设置冲蚀参数，单圆柱构件壁面DPM边界条件设置如下：

离散相颗粒的边界条件类型设置为反弹；

离散相颗粒反弹系数：颗粒碰撞壁面后动量发生变化，反弹后的速度小于碰撞前的颗粒速度，采用碰撞反弹恢复系数，切向恢复系数e_t和法向恢复系数e_n是颗粒冲蚀角度α的多项式函数，其表达式如下：

式中，冲蚀角度α为弧度单位制，而Fluent当中采用的冲蚀角度为角度单位制，将上式中的α替换为πα/180，得到以下表达式：

冲蚀角函数f(α)通过所述风洞试验获得的冲蚀率试验数据多项式拟合而获得；

速度指数函数b(v)由所述冲蚀率模型得到；

颗粒直径函数C(d_p)，采用由冲蚀试验得到的冲蚀率模型的常系数作为沙粒冲蚀单圆柱构件的颗粒直径函数；

所述单圆柱构件具有镀锌涂层，冲蚀角函数f(α)计算式如下：

所述速度指数函数b(v)取值为2.41；所述颗粒直径函数C(d_p)取值为2.12×10^-7。