[發(fā)明專利]一種強(qiáng)風(fēng)沙區(qū)單圓柱構(gòu)件的沖蝕磨損特性分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810926764.1
• 申請日: 2018-08-15
• 公開（公告）號: CN109190198B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 游溢;何成;晏致濤;劉欣鵬;廉超超;李偉;趙建平;王欣欣;董新勝;莊文兵;張龍;馬瑞龍
• 申請（專利權(quán)）人: 國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院;重慶科技學(xué)院;國家電網(wǎng)有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 重慶蘊(yùn)博君晟知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 50223
• 代理人: 鄭勇

1.一種強(qiáng)風(fēng)沙區(qū)單圓柱構(gòu)件的沖蝕磨損特性分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、采用計算流體力學(xué)軟件ANSYS?Fluent對單圓柱試件進(jìn)行數(shù)值模擬，包括：

S1.1建立計算域；

S1.2對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使得單圓柱試件周圍網(wǎng)格內(nèi)密外疏；

S1.3設(shè)置計算域的初始條件及邊界條件

初始條件設(shè)置：模擬氣固兩相流，其中，連續(xù)相流體為理想空氣；離散相顆粒為沙粒，并設(shè)定湍流模型以及連續(xù)相的求解控制方程；

邊界條件設(shè)置：對單圓柱試件計算域的各部分邊界進(jìn)行定義；

S2、設(shè)置計算域參數(shù)

模擬氣固兩相流運(yùn)動特征時，離散相與連續(xù)相為單向耦合或雙向耦合；模擬計算沖蝕作用時，離散相與連續(xù)相為雙向耦合；所設(shè)置參數(shù)包括：離散相注入器參數(shù)、壁面沖蝕磨損參數(shù)；

S1.1中，建立計算域的方法為：將計算域坐標(biāo)系的原點設(shè)于計算域入口處底部，坐標(biāo)系的x軸與來流風(fēng)方向平行，坐標(biāo)系的z軸與橫風(fēng)向平行，單圓柱試件的軸線平行于橫風(fēng)向，y軸垂直于來流風(fēng)方向和橫風(fēng)向，設(shè)單圓柱試件的直徑為D，計算域x軸向尺寸為20D，y軸向尺寸為10D，z軸向尺寸為單圓柱試件的長度，單圓柱試件軸向的兩端與計算域兩側(cè)壁面齊平，單圓柱試件軸線距離入口壁面5D，距離出口壁面15D，距離上壁面、下壁面5D；

S1.2中，對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分的方法為：采用ICEM軟件對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對單圓柱試件外流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將單圓柱試件周圍的網(wǎng)格加密對應(yīng)圓柱繞流，采用o型網(wǎng)格并設(shè)置劃分尺寸使得單圓柱試件周圍網(wǎng)格內(nèi)密外疏；

S1.3中，

初始條件設(shè)置：采用DPM模型模擬氣固兩相流，采用連續(xù)性方程、動量方程以及三維Navier-Stokes方程作為連續(xù)相的求解控制方程；采用Realizable?k-ε模型作為湍流模型，模型壁面處理采用增強(qiáng)壁面函數(shù)法；

邊界條件設(shè)置：計算域入口采用速度入口，風(fēng)速大小根據(jù)所模擬工況確定，湍流強(qiáng)度5％，水力直徑等于4A/P，A為截面面積，P為截面周長；指定離散相顆粒類型為逃逸；計算域上下壁面以及左右壁面采用對稱邊界；計算域出口采用自由流出口，指定離散相顆粒的類型為逃逸，流量比重為1；單圓柱構(gòu)件邊界條件采用壁面類型，且采用無滑移邊界；

S2中，離散相注入器參數(shù)設(shè)置包括：指定離散相顆粒由入口邊界以面的形式注入；指定離散相顆粒速度等于入口壁面風(fēng)速大小；指定離散相顆粒總流量參數(shù)：總流量＝風(fēng)速×截面面積×沙粒濃度；離散相顆粒粒徑分布采用統(tǒng)一的粒徑或者多種粒徑分布；

離散相顆粒粒徑分布采用多種粒徑分布，首先對沙粒樣品進(jìn)行級配分析，并定義大于某一粒徑d的沙粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Y_d，F(xiàn)luent當(dāng)中采用Rosin-Rammler粒徑分布函數(shù)：其表達(dá)式為：

其中d為沙粒粒徑，d為平均粒徑，Y_d為大于粒徑d的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

擴(kuò)散參數(shù)n、平均粒徑d求得方式為：首先畫出Y_d與d的擬合分布曲線圖，令Y_d＝e^-1≈0.368，從圖中找到對應(yīng)的d值，得到d＝d≈130um，將多組d和Y_d代入以下表達(dá)式：

得到的n值取平均值，得到擴(kuò)散參數(shù)n＝4.52；

S2中，壁面沖蝕磨損參數(shù)設(shè)置方法為：

Fluent在模擬沖蝕磨損時，通過半經(jīng)驗的方式得到?jīng)_蝕角函數(shù)f(α)、沖蝕速度指數(shù)函數(shù)b(v)、顆粒直徑函數(shù)C(d_p)來描述顆粒對材料的沖蝕行為，并給出預(yù)測值，通過風(fēng)洞試驗得到沙粒沖蝕單圓柱構(gòu)件的沖蝕率模型，根據(jù)該沖蝕率模型，為單圓柱構(gòu)件壁面設(shè)置沖蝕參數(shù)，單圓柱構(gòu)件壁面DPM邊界條件設(shè)置如下：

離散相顆粒的邊界條件類型設(shè)置為反彈；

離散相顆粒反彈系數(shù)：顆粒碰撞壁面后動量發(fā)生變化，反彈后的速度小于碰撞前的顆粒速度，采用碰撞反彈恢復(fù)系數(shù)，切向恢復(fù)系數(shù)e_t和法向恢復(fù)系數(shù)e_n是顆粒沖蝕角度α的多項式函數(shù)，其表達(dá)式如下：

式中，沖蝕角度α為弧度單位制，而Fluent當(dāng)中采用的沖蝕角度為角度單位制，將上式中的α替換為πα/180，得到以下表達(dá)式：

沖蝕角函數(shù)f(α)通過所述風(fēng)洞試驗獲得的沖蝕率試驗數(shù)據(jù)多項式擬合而獲得；

速度指數(shù)函數(shù)b(v)由所述沖蝕率模型得到；

顆粒直徑函數(shù)C(d_p)，采用由沖蝕試驗得到的沖蝕率模型的常系數(shù)作為沙粒沖蝕單圓柱構(gòu)件的顆粒直徑函數(shù)；

所述單圓柱構(gòu)件具有鍍鋅涂層，沖蝕角函數(shù)f(α)計算式如下：

所述速度指數(shù)函數(shù)b(v)取值為2.41；所述顆粒直徑函數(shù)C(d_p)取值為2.12×10^-7。