Новые модели эрозии в ANSYS Fluent 18

В 18-ой версии  ANSYS Fluent  расширились возможности по моделированию эрозии за счет добавления трёх новых моделей, которые широко используются в промышленности.  

Эрозийный износ – это разрушение материала вследствие периодического воздействия твердых частиц на поверхностный слой изделия. Износ приводит к значительным экономическим потерям в различных отраслях, таких как нефте- и газо- добыча, химическая и горнодобывающая промышленность. Эрозия наносит серьезный ущерб соединительным элементам трубной обвязки и клапанам, что в свою очередь приводит к финансовым потерям, а также потери драгоценного времени. Например, нефтегазовая арматура может выйти из строя всего лишь за 30 минут за счет высокой интенсивности эрозийного износа! Инженерам необходимо в кратчайшие сроки оценить влияние эрозийного износа на множестве вариантов конструкций и найти способы увеличения износостойкости, чтобы снизить издержки и максимизировать срок службы изделия.

Эрозию можно рассматривать как механический процесс, который происходит из-за многократного воздействия твердых частиц на поверхности трубы. Если материал является пластичным, то в результате периодического воздействия твердых частиц, на его поверхности могут появляться раковины с последующим отслаиванием материала и его захватом потоком (Рисунок 1a). С другой стороны, если материал является хрупким, то на его поверхности могут появляться радиальные и поперечные трещины, которые вследствие воздействия твердых частиц начинают разрастаться. В конечном итоге, происходит выкрашивание материала, который уносится потоком абразивных частиц (Рисунок 1b).

Рисунок 1 – Механизмы эрозии: a) пластичный материал, b) хрупкий материал

 

Эрозия представляет собой сложное явление, которое зависит от многих параметров. К параметрам частиц можно отнести следующее:

·         Форма и угловатость частиц

o   Угловатые частицы приводят к более интенсивному эрозийному износу по сравнению со сферическими частицами

·         Размер частицы

o   Интенсивность эрозии (ER) ≈ (d_p)ⁿ, где 0.3 ≤ n ≤ 2

·         Твердость частицы

o   ER ≈ H_p , где H_p < 700 HV

С другой стороны, такие характеристики течения как концентрация частиц, угол столкновения частицы с поверхностью и скорость столкновения вносят больший вклад в суммарное значение эрозии по сравнению с характеристиками самой частицы. К другим параметрам, влияющим на интенсивность эрозии, можно также отнести твердость поверхности, на которую воздействуют частицы [1].

Прогресс в понимании процесса эрозии был достигнут за счет использования вычислительной гидргазодинамики (CFD). CFD позволяет точно смоделировать течение жидкости и движение частиц в различных каналах. При соприкосновении частиц с поверхностью вычисляется её скорость соударения, а также угол столкновения. После чего, используя эмпирические соотношения возможно вычислить скорость эрозии.

Большинство эмпирических соотношений по вычислению эрозии опубликованы в научных статьях. Все они включают такие параметры как угол столкновения, скорость соударения, диаметр частицы и частоту соударения. Типичная модель эрозии выглядит следующим образом (модель эрозии, которая используется по умолчанию в ANSYS Fluent):

Где,

·         m_p – массовый расход частиц

·         f(a) – функция угла столкновения

·         С(d_p) – функция диаметра частицы

·         v_p– скорость соударения частицы

·         n – показатель скорости

Угол столкновения частицы с поверхностью, скорость соударения и массовый расход вычисляется напрямую в CFD. Несмотря на это, функция угла столкновения, функция диаметра частицы и показатель скорости должны быть заданы пользователем.

Новые модели эрозии

В дополнении к стандартной модели, разработчики ANSYS добавили ещё три модели эрозии: Finnie [2], Oka [3] и McLaury [4] (Рисунок 2).

·         Модель эрозии Finnie лучше всего подходит для пластичных материалов, в которых эрозия зависит от угла столкновения частицы со стенкой и её скорости.

·         Модель Oka позволяет рассчитать эрозию более точно благодаря учету твердости материала.

·         Модель McLaury была разработана с целью расчета скорости эрозии в водной среде. Изначально данная модель была создана для моделирования течения суспензии.

Рисунок 2 – Модели эрозии доступные в ANSYS Fluent 18

Также, как и при моделировании турбулентности, в случае моделирования эрозии нет единственной модели, которая бы подходила для всех задач. Каждая модель была откалибрована по эмпирическим методикам для конкретного случая, поэтому необходимо учитывать определенные условия течения, чтобы правильно подобрать модель эрозии.

Настройка модели эрозии

Интенсивность эрозии обычно вычисляется после разрешения основного поля течения в домене. Как правило, эрозия может быть рассчитана в потоках с низким содержанием частиц (объемная доля частиц < 10%), выполняя следующие шаги:

1.       Сначала необходимо разрешить поле течения без частиц и добиться его сходимости.

2.       Далее подключите “Discrete Particle Model” в дереве проекта и выберите модель Erosion/Accretion во вкладке “Physical Models” (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Панель Discrete Phase Model

3.       Определите инжекцию частиц. Задайте диаметр частиц, скорость впрыска и массовый расход.

4.       Укажите нормальный и тангенциальный коэффициент отражения для границ типа “wall” (Рисунок 4).

a)

b)

Рисунок 4 - Задание коэффициентов отражения a) нормальный, b) тангенциальный

5.      Выберите подходящую модель эрозии в граничном условии “wall”, во вкладке DPM. На данный момент доступно 4 модели: Generic Fluent, Finnie, McLaury и Oka. При необходимости можно изменить коэффициенты или параметризовать их.

6.      Посчитайте одну итерацию. Этого будет достаточно, чтобы разрешить траектории частиц и интенсивность эрозии на интересующей вас поверхности.

7.      Отобразите контурный график интенсивности эрозии на интересующих вас поверхностях. Можно отобразить контурные графики для различных моделей эрозии на одной поверхности и сравнить полученные результаты (Рисунок 5).

a)

b)

c)

Рисунок 5 – а) панель Contours, b) интенсивность эрозии - модель Oka, c) интенсивность эрозии – модель McLaury

Дополнительную информацию о новых моделях эрозии ANSYS Fluent 18 вы можете получить в разделе документации Fluent > Theory Guide > 16. Discrete Phase > 16.10. Wall Erosion.

Литература:

1.       A. Hamed and W. Tabakoff, “Erosion and Deposition in Turbomachinery.” Journal of Propulsion and Power, Vol. 22, No. 2, pp. 350-360, 2006.

2.       I. Finnie, “Erosion of Surfaces by Solid Particles.” WEAR, Vol. 3, pp. 87-103, 1960.

3.       Y.I. Oka and T. Yoshida, “Practical Estimation of Erosion Damage Caused by Solid Particle Impact. Part 2:  Mechanical Properties of Materials Directly Associated with Erosion Damage.”  Wear, Vol. 259, pp. 102-109, 2005.

4.       B. S. McLaury et al. “Modeling erosion in chokes”. Proceeding of ASME Fluids Eng. Summer Meeting. San Diego, California. 1996.

Оригинальный текст статьи: http://www.ansys-blog.com/erosion-fluid-dynamics-modeling/