[发明专利]一种液相弯头中固体颗粒冲蚀的显式算法

摘要

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。

主权项

1.一种液相弯头中固体颗粒冲蚀的显式算法，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)²ER＝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：材料碳钢1018碳钢4130无缝钢316无缝钢2205铬钢13镍钢625铝合金6061C₁5.90×10^‑84.94×10^‑84.58×10^‑83.92×10^‑84.11×10^‑84.58×10^‑83.96×10^‑8C₂4.25×10^‑83.02×10^‑85.56×10^‑82.30×10^‑83.09×10^‑84.22×10^‑83.38×10^‑8κ0.50.40.40.40.50.40.4V_tsh5.53.05.82.35.15.57.3(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_hitz_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。