摘 要

海上货物运输是国际贸易运输的主要方式，它有着运送量大，费用低的特点。但是随着全球气候变暖，船舶在靠近两极的航线运输中，管道经常会受到漂浮在海水中碎冰的干扰，影响船舶的正常航行，如何采取有效的措施去缓解冰晶在管道内冲蚀磨损的影响显得十分重要。本文基于计算流体动力学软件（CFD），将湍流模型用于模拟管道内流体的情况，将冲蚀磨损模型，离散相模型用于模拟直管和90°弯管的冲蚀磨损情况。通过研究冰晶在管道内的运动情况，分析粒径、流速、质量流量三种不同参数对管道的冲蚀磨损影响。结果表明：管道内冲蚀磨损主要发生区域是在直管的上部和弯管的弯曲部分，且最大磨损位置随参数的变化而改变。而且随着冰晶粒径在小范围内的不断增加，最大冲蚀磨损速率是不断减小的；随着管道中流速的不断增大，最大冲蚀磨损速率是相应增加的；随着冰晶质量流量的不断增加，最大冲蚀磨损速率是不断增加的。同时根据实验结果分析，提出了相应的一些措施来有效的缓解管道内冲蚀磨损的影响。

关键词：冲蚀磨损、冰晶、直管、数值模拟、90°弯管

Abstract

Cargo transportation by sea is the main mode of international trade transportation. It has the characteristics of large transportation volume and low cost. However, as the climate becomes warm in the world, the ship is often transported by the floating ice in the sea water in the transportation of the ship near the two poles, affecting the ship. For normal navigation, it is important to take effective measures to alleviate the effects of ice crystal erosion in the pipeline.Based on computational fluid dynamics software (CFD), the turbulence model is used to simulate the flow of fluid in a pipe, the erosion wear model and the discrete phase model are used to simulate the erosion wear of straight pipe and 90° elbow. By studying the movement of ice crystal in the pipeline, three parameters of particle size, flow velocity and mass flow are analyzed. Impact on the erosion of the pipe.The results show that the main area of erosion wear is in the upper part of the straight pipe and the curved part of the elbow, and the maximum wear position changes with the parameter .And as the particle size increases in a small range, the maximum erosion wear rate is reduced; as the flow rate increases in the pipeline, the maximum erosion wear rate is correspondingly increased; as the ice crystal mass flow rate increases, the maximum erosion wear rate increases. At the same time, according to the experimental results, some corresponding measures are proposed to effectively alleviate the impact of erosion in the pipeline.

Key words: erosion wear, ice crystal, straight tube, numerical simulation, 90° elbow

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 5

1.1 研究背景及意义 5

1.1.1 国外研究现状 5

1.1.2 国内研究现状 6

1.2 研究目标和内容 8

1.2.1 研究目标 8

1.2.2 研究内容 8

1.3 技术路线 9

第2章 冲蚀磨损理论基础及模型的建立 11

2.1 冲蚀磨损理论 11

2.2 数值模型 11

2.2.1 连续相方程 11

2.2.2 离散相方程 12

2.2.3 冲蚀磨损模型 12

2.2.4 壁面碰撞方程 13

2.3 本章小结 13

第3章 管道内冰晶流动特性研究 14

3.1 冰水两相的参数 14

表3.1冰晶和海水的不同参数情况对照 14

3.2 物理模型 14

3.3 湍流模型及边界条件的设置 15

3.3.1 湍流模型的选取 15

3.3.2 边界条件的设置 15

3.4 冰晶的参数选取 16

3.5 冰晶在管道内运动分析 16

3.5.1 直管内的流动分析 16

3.5.2 弯管内的流动分析 18

3.6 本章小结 20

第4章 冰晶冲蚀磨损研究分析 21

4.1 直管内冲蚀磨损影响 21

4.1.1 冰晶的直径对冲蚀磨损影响 21

4.1.2 流速对冲蚀磨损的影响 23

4.1.3 冰晶质量流量对冲蚀磨损的影响 25

4.2 弯管内的冲蚀磨损影响 27

4.2.1 冰晶粒径对冲蚀磨损的影响 27

4.2.2 流速对冲蚀磨损的影响 30

4.2.3 冰晶的质量流量对冲蚀磨损的影响 32

4.3 本章小结 34

第5章 管道冲蚀磨损的预防 35

5.1 直管的预防 35

5.2 弯管的预防 35

5.3 本章小结 36

第6章 总结与展望 37

6.1 总结 37

6.2 展望 37

致 谢 39

参考文献 40

绪论

研究背景及意义

冲蚀磨损是现在各种管路失效，损毁的重要原因之一。它广泛存在于石油，化工，运输，材料等许多行业中。它是含有固体粒子的气流或液流冲击物体表面所出现的一种磨损现象。

影响冲蚀磨损的因素有：（1）冲蚀的材料；（2）磨损粒子的形状；（3）冲蚀的速度；（4）冲蚀的角度；（5）环境因素。

冲蚀磨损的发生影响因素很多不可以忽略，而且一旦发生严重的磨损，也会造成巨大的破坏，其产生的损失也是巨大的。因此研究此类现象的发生和预防是显得非常重要的。能够大幅度的降低产生的损失。

这些年以来随着世界经济的不断发展，航海运输已经成为一种重要的运输货物手段。它费用低，运输量大的优势使它的需求量一直存在。但近些年全球变暖使两极的冰不断融化，大量的碎冰存在于海水中，靠近两极航线的船舶的海水管道受损严重，维修船舶的任务量加剧，造成的损失也加大。

基于冲蚀磨损对海水管道造成的后果，研究冰晶对海水管道的磨损，了解管道内冰晶的流动特点，破坏的分布情况，可以有效的提前采取相关的措施来降低此类现象造成破坏的损失。

国外研究现状

近些年国外的学者对冲蚀磨损有着大量的研究，主要集中在不同流体参数对于弯管冲刷腐蚀的计算流体动力学 (CFD) 模拟、弯管道的破坏预测及预防措施等方面。

2003年Bozzini B,Ricotti M E ,Boniardi M 等^[1]通过流体动力学 (CFD) 模拟，对多相流组成的冲蚀磨损现象进行了数值模拟和分析，得出冲蚀由弯道入口处向弯道外侧壁和出口处移动，损伤的面积也随着流速的增大也增大。

2012年Njobuenwu D O ,Fairweather M ^[2]研究悬浮颗粒对弯管的冲蚀模拟。通过流体动力学模型和拉格朗日粒子跟踪程序相结合，利用多种侵蚀模型对弯道内颗粒的侵蚀进行了预测。实验后，结果与预测的趋势相似。

2015年Chen J ,Wang Y等^[3]采用CFD-DEM耦合方法对弯头的液固两相流进行预测。对不同角度的弯头进行了数值模拟，得到最大冲蚀位置在出口或附近，同时对粒子运动和流场进行了分析。

2016年Peng W , Cao X ^[4]对管道内气固两相流中固体粒子的运动轨迹进行了预测。采用了计算流体力学方法研究不同影响因素下颗粒轨迹的分布，采用欧拉-拉格朗日双耦合法求解，并用常用的冲蚀模型和颗粒回弹模型进行预测。实验结果也是相似的。

2016年Vieira R E ,Mansouri A , Mclaury B S等^[5]进行了空气中砂粒对弯头冲蚀磨损的研究。利用粒子图像测试技术的结果，建立冲蚀方程，用于CFD软件，将的到的冲蚀率与现有的数据比较相差不大，并由此对管道的寿命进行预测。

国内研究现状

近几十年来，国内的学者对不同管道的冲蚀磨损也做了许多的实验，在运用CFD来进行仿真模拟实验、对磨损位置预测和采取措施、对管道内冲蚀磨损作用分析、研究管道内磨损粒子特性等方面也取得了一些进展。

2005年马颖,任峻等^[6]对现有冲蚀磨损理论进行了分析和总结，提出不同工况下的冲蚀磨损类型的有着差别，需要根据实际情况用不同的模拟实验来进行研究，得到最准确的结果。

2005年黄勇,蒋晓东等^[7]对弯头冲蚀方面开展研究并提出预测方法及预防措施。根据影响冲蚀的因素，由流体动力学 (CFD)软件来进行模拟预测，提出了解决方法，包括对管线的设计，固体颗粒的分离，减小速率和弯头壁厚的检测。

2013年丁矿,朱宏武等^[8]基于流体力学（CFD）方法对直角管道内流体中颗粒的冲蚀磨损情况进行分析。得到其在直角弯管的流动规律，并且在流体计算基础上引入TulSa大学的冲蚀模型进行研究。验证了模型的正确性，分析弯管内颗粒的碰撞区域和考察了对冲蚀率的主要影响因素。

2014年王凯,李秀峰等^[9]研究对液固两相中颗粒对弯管壁面的碰撞的预测。针对颗粒对管道的破坏，采用DPM模型对离散相模型在拉格朗日框架下求解颗粒轨道方程，知道了粒子和壁面之间的关系，并将它应用于冲蚀磨损模型，从而预测出颗粒对弯管壁面的冲蚀破坏位置情况。结果表明了最大冲蚀磨损区域主要是位于外拱壁的弯头处与出口管道的连接处以及弯头侧壁处，并且斯托克斯数的大小对于最大冲蚀磨损的位置的改变起着重要影响。

2015年过江，张碧肖^[10]对充填管路条件下浆体特性对管道冲蚀磨损影响进行研究。基于流体力学的相关理论，利用颗粒的离散相模型和冲蚀磨损模型来进行研究。结果表明流的体流速、液体的黏度以及颗粒的直径对管道的冲蚀磨损有着较大影响，但是粒子的形状影响较小。

2015年彭文山,曹学文^[11]进行固体颗粒对液固两相弯管冲蚀作用分析。基于用计算流体动力学(CFD)的方法，分析了不同影响因素，包括粒子的流速、流量及粒径的尺寸对于弯管中冲蚀磨损速率的作用分析，求解得到固体颗粒运动轨迹。其结果表明弯头处最大冲蚀磨损位置主要位于出口直管段与弯头连接处外侧以及侧壁的区域。

2015年邓义斌,王飞显,范世东^[12]用冰水两相流对管道的冲蚀磨损特性进行数值模拟。利用fluent软件，通过离散相模型、湍流模型、冲蚀磨损模型对直管和90°弯管进行数值模拟，通过结果进行分析比较。得到颗粒的质量、流量、直径、角度对管道的磨损情况也有着不同的影响。

2016年张俪安,钱付平等^[13]对通风管路90°弯壁面进行了数值模拟。基于离散相模型(DPM)对通 90°的弯管进行气固两相数值模拟。分析不同影响因素，有弯径比、流速、管道材料和粒子的尺寸对管道的磨损情况。结果表明磨损量随弯径比增加先减后增，流速大的影响变化大，粒径对磨损影响较大，硬度大的材料磨损较小。

2017年许留云,胡泷艺等^[14]进行90°弯管冲蚀磨损模拟试验和计算。通过实验平台和数值模拟的方法，对90°弯管进行研究，选择 RNG k-模型为数值计算模型，选择离散相模型（DPM 模型），运用SIMPLE求解器得到结果。结果表明得到弯管磨损最大的地方在外侧70°-90°间。

2018年韩国进,边江等^[15]研究砂粒在管道中的冲蚀磨损实验。实验方法用于观察和分析了砂粒对弯管冲蚀磨损的形貌。通过建立了ANSYS／LS—DYNA模型，分析了管道内的流速和冲蚀角度对管道壁冲蚀破坏的影响情况。结果得出冲蚀磨损的影响同流体流速与角度成正相关。

2018年孙强,徐立等^[16]对在振动工况下冰晶对海水管道的磨损情况。基于 CFD（计算流体动力学），通过离散粒子模型、冲蚀磨损模型，对不同的振动工况下冰晶对不同方向布置的 90°弯管的冲蚀磨损影响研究，预测管道使用寿命变化情况。

国内外的学者对管道内两相流中固体颗粒冲蚀磨损情况的研究已经做了大量的工作。大都是通过计算流体力学软件，利用各种冲蚀磨损模型来进行数值模拟，来得到其不同因素的影响，同时根据结果分析提前做好相应措施。因此本文根据现有的冲蚀磨损理论进行总结，结合冰晶在管道内的运动特性，基于流体动力学软件运用冲蚀磨损模型来进行分析冰晶对海水管道中冲蚀磨损的影响。

研究目标和内容

研究目标

随着科技的不断发展和世界经济格局不断变化，世界各地货物交易也越来频繁，铁路运输，公路运输，船舶运输，航空运输等方式越来越多。而船舶运输一直以运输量大，费用低而著称，因此船舶运输的数量是比较大的。但是近些年随着全球变暖加剧，靠近两极航线的海域里有着大量的碎冰，相关船舶行驶途中海水系统使海水管道中吸入大量碎冰，从而对管道产生大量的冲蚀磨损，会对相关船舶产生一定的损害，并且对船舶的维护量加剧，而产生了大量的损失。因此研究冰晶对海水管道冲蚀磨损的影响是非常重要的。

本文的目标就是:

1. 分析冰晶在海水管道内的运动特点。
2. 基于计算流体动力学软件对冰晶在海水管道内的冲蚀磨损进行模拟实验，从而得到冰晶对海水管道磨损的影响，然后提出相关的措施来减少其影响。

研究内容

冲蚀磨损理论及其应用

研究冲蚀磨损现象以来，有着许多冲蚀理论得到大家的认可。对于塑性材料的管道中存在着微切削理论、变形磨损理论、锻压挤压理论等。而对于脆性的材料因不发生变形，有着弹塑性压痕破裂理论。除此之外还有二次冲蚀理论、绝热剪切和变形局部化理论等。本文需要了解这些理论并由此来进行研究。

冲蚀磨损理论分析和总结

现有的冲蚀磨损理论有多种，每种都有它适合的工况环境，并且影响冲蚀磨损的因素有管道材料、冲蚀角度、冲蚀速度等，所以对冲蚀磨损理论要进行分析和总结。针对不同的情况，使用相应的冲蚀磨损理论，才能进行最合适的模拟实验。

冰晶在管道内的运动特性

本文的内容是研究冰晶对海水管道的冲蚀磨损，因此冰晶在管道内的运动状况是至关重要的。冰晶在管道内的运动特性可以在一定程度上反映出其运动轨迹的方位，即对研究管道内冲蚀磨损的影响提供了帮助。

冰晶冲蚀磨损影响因素分析

研究冰晶对海水管道的冲蚀磨损影响，这里采用仿真模拟的方法来进行本次实验。基于计算流体动力学（CFD）软件中冲蚀磨损模型，离散相模型，动网格技术等来对海水管道中的冰晶工况来进行数值模拟，并根据不同的冰晶参数，如冰晶粒径、冲蚀速度和质量流量等来对海水管道内冲蚀磨损进行分析，得到冰晶对其的影响，因此可以做出相应的预防措施，来降低冲蚀磨损对船舶带来的影响和减少带来的损失。

技术路线

本文的研究路线由收集资料开始到最后的完成实验，得到结果，具体的操作技术路线如下面流程图1.1所示

图1.1技术路线

冲蚀磨损理论基础及模型的建立

冲蚀磨损理论

冲蚀磨损这个现象很早就出现了,而且随着时代的不断发展，对其研究也越来越深入。现在有着几种不同的冲蚀磨损理论对现在的相关研究影响比较大。

首先由Finnie在1958年提出来微切削理论。将固体粒子看做一把刀具，划过材料表面之后切下来，从而产生磨损。其通过假设一磨粒，质量m，速度为v，冲角是a，冲击到材料的表面，并由理论分析出冲蚀磨损的表达式，从而提出了冲蚀磨损的模型，但对脆性材料等方面并不适用，会产生较大误差。在1963年Bitter提出了变形磨损理论。他认为冲蚀磨损可以分为变形磨损和切削磨损两方面。通过冲蚀磨损试验机的到验证，却没有物理模型来说明。1986年Levy等人提出来锻压挤压理论。发现无论从什么角度对材料进行冲击磨损，材料表面会脱落下小而薄的碎片，其产生的作用力来源于不断的挤压和冲击造成的，这个理论解释了微切削理论难解释的一些现象。1979年Evans等人提出了弹塑性压痕破裂理论。通过大量的实验得出粒子和靶材对磨损的影响。之后Tilly提出了二次冲蚀理论，认为磨粒冲击管道后的破裂程度与粒径，角度，速度有一定的关系，并且破裂后对管道进行二次冲蚀。1981年Hutchings提出来绝热剪切和变形局部化磨损理论。通过9.5mm的高速钢球冲击低碳钢，使冲击造成的变形非常严重，从而产生巨大的热量，冲蚀磨损由热剪切造成。

这些冲蚀磨损理论为现在的数值模型实验提供了坚实的基础。

数值模型

随着时代的不断发展，现在学者研究冲蚀磨损相关的问题，大部分已经由通过计算流体力学软件的数值模拟的方法代替了实验研究的方法，使数值模拟成为主要的研究手段。本文通过离散相模型，冲蚀磨损模型进行数值模拟实验。

连续相方程

在管道内流体是不可压缩的，其连续性方程为^[13]：

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