本案例演示利用Fluent中的DPM模型模拟固体颗粒物对结构物壁面的冲蚀。
教程中使用的几何形状最初是作为侵蚀工况下节流阀的减压装置设计的,该装置如下所示。
该装置使用砂液侵蚀试验设备(测试参数见文献 Wallace [1]所述)在侵蚀条件下进行了测试,本教程中使用的条件是根据实际测试得出的。在侵蚀试验中,限流器安装在直径为 53.1 mm的管道之间。分别在限流器的上游 106 mm及下游 318 mm位置测量静压。测试过程中,通过定期称量限流器的重量来获得总体质量损失。
在本教程中,使用室温下的水作为液相。入口条件如下表所示:
属性 | 值 | 单位 |
---|---|---|
流体密度 | 997.561 | kg/m3 |
流体粘度 | 8.8871e-4 | Pa-s |
入口速度 | 12.901 | m/s |
湍流强度 | 0.029 | |
湍流长度尺度 | 0.0037 | m 颗粒的质量负荷为 0.39%。颗粒特性如下表所示。 |
属性 | 值 | 单位 |
---|---|---|
密度 | 2650.0 | kg/m3 |
直径 | 2.75e-4 | m |
轴向速度 | 12.901 | m/s 考虑模型的对称性,模拟过程中采用四分之一模型,如图所示。 |
局部网格如图所示。
确保计算区域的尺寸符合要求。
1、设置湍流模型
2、Discrete Phase模型
激活选项 Virtural Mass Force及 Pressure Gradient Force
激活选项 Erosion/Accretion
”
修改边界类型。修改完毕后的边界类型如下图所示,包含1个速度入口,1个压力出口,1个对称边界,其他为壁面边界
1、指定入口边界inflow
2、出口边界outflow
3、壁面restrictor
案例只考虑 restrictor 边界的冲蚀情况,需要指定该边界上的恢复系数及冲蚀模型。打开边界条件设置对话框的 DPM
选项卡, 如下图所示。
壁面恢复系数采用 Forder et al.[2]中所使用的参数:
式中 与 分别为切向恢复系数与法向恢复系数。不过原文献中使用的冲击角以角度为单位,而Fluent中需要以弧度为单位,因此需要进行换算。
换算完毕后的恢复系数计算公式为:
计算采用的是四分之一模型,因此整体模型的冲蚀率为:
文献中试验得出的 14 小时时段内的平均侵蚀率为 0.58 g/hr。本案例使用Oka模型得出的冲蚀率是 0.75 g/hr。
重新进行计算。计算完毕后的冲蚀率显示如下图所示。最大冲蚀率为1.95E-3 kg/(m2.s)。
面积积分得到的冲蚀率为4.081656E-8 kg/s,如下图所示。
换算单位可得到冲蚀率为:
与实验测试结果0.58 g/h非常吻合。
DNV模型默认参数在固体颗粒物冲蚀碳钢材料时表现非常好。
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