基于流场切割的异径管腐蚀产物膜流固耦合多尺度模拟.pdf

第 卷第 期 年 月 南 京 工 业 大 学 学 报 自 然 科 学 版 基于流场切割的异径管腐蚀产物膜 流 固耦合多尺度模拟 朱晓磊 陆晓峰 凌 祥 南京工业大学 机械与动力工程学院 江苏 南京 收稿日期 作者简介 朱晓磊 男 宁夏银川人 博士生 主要研究方向为过程装备的腐蚀与防护 陆晓峰 联系人 教授 摘 要 利用管道湍流速度分布定律 提出解决第一类多尺度模拟存在的空间尺度匹配问题的新方法 即切割流场 模型 并运用 多物理场数值模拟软件 对不同流向 流速 尺寸规格且覆盖有腐蚀产物膜的 异径管进行了流 固耦合分析 结果表明 切割流场模型的计算结果较相似准则模型更贴近原始模型 异径管腐 蚀产物膜最大变形量出现在小端 且与流向无关 随着流速和异径管大端与小端直径比的增大 腐蚀产物膜的变 形量逐渐增加 关键词 异径管 切割流场 流 固耦合 腐蚀产物膜 多尺度 中图分类号 文献标志码 文章编号 工程领域中的许多基本现象或过程常常发生在 涵盖几个数量级的几何空间及时间范围内 这些现 象都被称为多尺度物理现象 从 世纪末以来多 尺度物理现象与过程的研究引起了世界各国科学家 的重视 已经逐渐形成一些独特的研究方法 随着计算机技术与现代测量技术的迅速发展 多尺度科学的研究成为 世纪全世界科学研究的 一个挑战性课题 目前有关多尺度现象的研究 已经遍布到多个学科分支 包括数学 物理学 力学 化学化工 材料科学 生物科学 技术科学等 然 而关于多尺度过程的建模与多尺度计算方法已经成 为各个相关学科和计算科学的重要的研究方向之 一 多尺度的建模和数值方法可以分为 类 即分 区建模界面耦合方法 第一类 和统一方程整场求 解方法 第二类 对于第一类问题的求解方法 不 同尺度层次的区域采用不同数值方法耦合求解 其 中关键是不同计算区域的界面上信息的传递 因此 界面上信息耦合的原理和高效稳定数值方法是研究 重点 界面信息的耦合与交换之所以困难 主要原 因在 于 空 间 尺 度 的 耦 合 及 时 间 步 长 的 匹 配 等 提出了一种通量直接交换的耦合方 式 等 将上述耦合方法拓展到能量方程 中 并应用于通道流 等 对微纳米尺度通 道中流动和换热均采用分子动力学模拟和连续介质 数值方法耦合的求解方法 为了使该方法具有普适 性 学者们均从算法和网格方面进行研究 然而未见 有采用切割流场的方法解决存在空间匹配问题的第 一类多尺度模拟的相关文献报道 对于流 固耦合理论国内外学者作了大量的研 究 流 固耦合问题按其耦合机制可分为 类 第一类 流体域和固体域 部分或全部重叠在一 起难以明显地分开 需要针对具体的物理现象来建 立描述物理现象的方程 特别是本构方程 第二类 耦合作用仅仅发生在两相交界面上 异径管中流体 与腐蚀产物膜之间的耦合作用就属于第二类 而且 腐蚀产物膜的厚度在 相对于管道流场 来说 存在空间尺度匹配的问题 本文结合管道湍流流速分布定律 针对异径管 提出流场切割模型 并应用 多物理场数值模拟软件 对不同流速 流向 尺寸规 格下的覆盖有腐蚀产物膜的异径管进行了系统的 流 固耦合数值模拟 分析了异径管腐蚀产物膜在 流体作用下 腐蚀产物膜的变形量与速度 流向 规 格尺寸之间的关系 流场切割模型 石化工业管道输送的流体介质具有一定的腐 蚀性 在介质输送过程中 易与碳钢管件发生电 化学反应生成一层腐蚀产物膜 该膜具有良好的 保护作用 能有效地降低腐蚀速率 然而流体介 质本身具有一定的黏性 流体流经管件时会对管 壁产生一定的切应力 而且某些管件会改变流体 的流向或流速 使得流体碰撞管道壁面发生能量 转化 因此管道壁面的腐蚀产物膜受到因流体力 学因素作用产生的压应力和切应力 腐蚀产物膜 在压应力和切应力的作用下发生变形 反过来影 响流场分布 其间的相互作用属于界面耦合 但腐 蚀产物膜的厚度只有 而工艺管道的直 径一般均大于 腐蚀产物膜和流体存在较 大的尺度差异 因此在数值计算的过程中 可采 用切割流场的方法解决这种问题 不可压缩定常流的圆管湍流速度分布如图 所 示 从图 中可以看出 由于黏性作用 在边界层内 流体速度与管道中心速度相差较大 其余各处基本 相近 并且越靠近管道中心 流场对腐蚀产物膜与 流体之间界面的影响越小 所谓流场切割法 就是 根据速度分布定律 运用程序写边界条件的方法 将 流场的尺度减小 但是减小后的流场保持原来流场 的流动特性 从而解决覆盖有腐蚀产物膜的异径管 管路系统的流 固耦合数值模拟中的尺度匹配问题 异径管管路系统切割前后结构如图 所示 图 圆管湍流速度分布 根据布拉米修斯阻力公式导出的管道湍流速度 分布七分之一定律 为 式中 是与 有关的系数 见表 对于异径管来 说 由于流向不同 大进小出 小进大出 其流场分 布存在差异 腐蚀产物膜受到的流体作用也不相同 例如 当流向为小进大出时 流动属于逆压流动 而 流向为大进小出时 腐蚀产物膜受到来自流体的冲 击比较严重 因此 异径管经流场切割后速度分 布为 南 京 工 业 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 卷 图 切割流场结构示意图 小进大出 大进小出 槡 表 与 之间的关系 流 固耦合数值计算 数值计算 运用流场切割原理 对异径管路系统流场切割 前后进行流 固耦合数值模拟 其结构物理环境和流 体物理环境分别如下 结构物理环境 边界条件采用位置约束 如 图 所示 为保证流体流入异径管前充分发展 两 端各加一定长度的直管 进口端直管长度为 出 口端直管长度为 在计算过程中腐蚀产物膜 的弹性模量为 泊松比为 腐蚀产 物膜的厚度均为 流体物理环境 流体介质为水 其密度为 动力学黏度为 异径管 路系统进口边界条件为速度进口 出口边界条件为 压力出口 图 边界条件 计算结果和分析 计算参数 为了验证流场切割模型的正确性 并分析异径管 腐蚀产物膜变形与流速 规格尺寸 流向之间的关系 本文对规格为 流速分别为 流向为大进小出和小进大出的异径管管路系统 以及规格为 其大端与小端的直径比为 流速为 流向为大进小出和小进大 出的异径管管路系统进行流 固耦合计算 原始模型 切割模型 相似准则模型结果对比 为了验证切割原理的正确性 运用 多物理场数值模拟软件 对上述工况进行 计算 并对比原始模型 切割模型以及相似准则模型 在该工况下的计算结果 相似准则主要考虑雷诺相 似准则 结果如图 图 所示 第 期朱晓磊等 基于流场切割的异径管腐蚀产物膜流 固耦合多尺度模拟 图 规格为 流向为小进大出时 腐蚀产物膜的载荷分布 图 规格为 流向为大进小出时腐蚀 产物膜的载荷分布 图 流向为小进大出时不同规格的异径管 腐蚀产物膜载荷分布 从图 图 可以看出 随着流速和异径管大 端与小端直径比的增加 异径管腐蚀产物膜受到的 载荷逐渐增加 切割模型与原始模型相比 不同流 向 流速 规格尺寸的异径管 其腐蚀产物膜在 方 向和 方向上受到的载荷都吻合较好 其计算结果 均优于相似准则 从图 可以看出 流向为小进大 出时 和 这 种规格的异 径管 切割模型的计算结果与原模型相比 存在较大 的误差 此误差主要来自 部分 第一部分是管道 湍流速度分布的七分之一定律本身就是一个经验公 式 本文运用该公式对管道流场进行切割 不免会产 生误差叠加的效果 第二部分是计算过程中的计算 误差 由于这 种规格的异径管 其大端与小端的 直径比过大 使得流场突变较为严重 导致切割模型 计算出来的结果与原始模型相比 存在较大的误差 流向 流速对腐蚀产物膜变形的影响 选取规格为 的异径管 对进口流 南 京 工 业 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 卷 图 流向为大进小出时不同规格的异径管腐蚀产物 膜载荷分布 速分别为 流向为大进小出和小 进大出时的异径管管路系统进行了计算 结果如图 所示 从图 可以看出 流向为小进大出时 为小端 为大端 随着流速的增加 异径 管小端与大端的腐蚀产物膜变形量差别逐渐增大 小端差异明显 而大端变化相对较小 且在 处出现了交点 这是因为当流向为 小进大出时 异径管内流体处于逆压流动状态 如图 所示 因此在异径管的进口 小端 出现分离流 边界层遭到破坏 导致流体切应力对腐蚀产物膜的 作用加强 使得该处的腐蚀产物膜变形量较大 而 异径管大端的二次流影响较小 腐蚀产物膜的变形 主要来自于压应力的作用 且压应力变化不大 导致 大端随着流速的增加其变形量差别较小 交点处的 压力值约为 由图 所示 流向为大进小出时 为大 端 为小端 随着速度的增加 其腐蚀产 图 腐蚀产物膜变形与流速之间的关系 图 流向为小进大出的压力分布 物膜的变形量也越大 当流速超过 时 沿着流 动方向上管壁腐蚀产物膜的变形量与流速不再成近 似线性关系 当流速为 和 时 大端的变 形量也比较大 这说明流体从大端流进 小端流出 时 流体在流动的过程中撞击壁面 在壁面处流体的 动能转化为压力能 造成腐蚀产物膜的变形 越靠 近出口端 壁面腐蚀产物膜受到的撞击作用越强烈 使得腐蚀产物膜变形量越大 随着速度的增加 异 第 期朱晓磊等 基于流场切割的异径管腐蚀产物膜流 固耦合多尺度模拟 径管管壁腐蚀产物膜受到的压力能作用越强烈 其 变形量逐渐增加 且随着流速的增加 进口端 大 端 腐蚀产物膜受到压应力作用逐渐增强 致使流 速为 和 时 腐蚀产物膜在大端的变形 量相对也较大 结合图 和图 所示 发现异径管腐蚀产物膜 变形量的最大值出现在异径管的小端 这与 等 对 个核电站异径管失效位置的统计结果 是一致的 说明异径管的失效位置与流向无关 图 腐蚀产物膜变形 异径管结构对腐蚀产物膜变形的影响 选取 和 种规格的异径管 其大端与小端 的直径比值分别为 和 当进 口流速为 时 分析了流向为小进大出和大进 小出时腐蚀产物膜的变形情况 如图 所示 从图 可以看出 当流向为小进大出时 随 图 腐蚀产物膜变形与异径管规格之间的关系 着异径管大端与小端直径比的增大 异径管小端腐 蚀产物膜的变形量逐渐增大 这是因为随着异径管 大端与小端直径比值的增大 异径管的逆压梯度也 逐渐增大 导致腐蚀产物膜的变形量逐渐增大 从 图 可以看出 当流向为大进小出 随着异径管 大端与小端直径比值的增大 异径管小端腐蚀产物 膜变形量也增大 但是当流向为大进小出时 规格 为 的异径管与 的异径管 其腐蚀产物膜的变形情 况有所不同 的异径管 小端受到流体冲击的作用发生较大的变形 大端在 压应力的作用下变形也相对比较明显 由于这 种 规格的异径管 其大端与小端之间的直径比较大 使 得异径管流场速度梯度较大 腐蚀产物膜受到流体 黏滞力的影响较为严重 使得腐蚀产物膜变形量的 分布与其他 种规格的异径管腐蚀产物膜变形量的 分布有所差别 结论 利用管道湍流速度分布定律 提出了流场切 割模型 运用 多物理场数值 模拟软件 对不同流向 流速 尺寸规格的覆盖有腐 蚀产物膜的异径管管路系统 进行了流固耦合数值 模拟 计算结果表明切割模型与原始尺寸模型吻合 南 京 工 业 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 卷 较好 且优于相似准则 随着流速的增加 腐蚀产物膜的变形量逐渐 增大 腐蚀产物膜最大变形量在异径管的小端处 且 与流向无关 腐蚀产物膜的变形量随着异径管大端与小 端直径之比的增大而逐渐增加 符号说明 修正参数 流向为大进小出时 切割模型进口端与出口端的 半径比 与雷诺数有关的系数 管道半径 进口半径 出口半径 切割线到原模型中心线的距离 管道中心处的速度 切应力速度 处的速度 相对于原始模型所对应的坐标系 统 为任意位置处的速度 任意流体层至 轴的距离 动力学黏度 雷诺数