一种泵壳涂层冲刷腐蚀仿真模拟方法与流程

本发明涉及多物理场耦合数值仿真，具体涉及一种冲刷与电化学腐蚀多场耦合的泵壳涂层冲刷腐蚀仿真模拟方法，应用于核电站重要厂用水系统涡轮泵内壁涂层在冲刷与电化学腐蚀协同作用下的损伤预测。

背景技术：

1、重要厂用水系统（sec）是核电站专设的安全辅助系统，用于将核岛设备冷却水系统（rri）的热负荷安全传输至海水，确保核电厂在正常及事故工况下的热安全。sec涡轮泵因长期输送海水，其蜗壳内壁涂层材料同时面临水体冲刷与电化学腐蚀两种严苛的损伤环境：一是海水中含有的石英砂等固体颗粒随高速流体冲击内壁，造成机械磨损；二是海水中高浓度的cl-等离子体引发电化学腐蚀。这两种损伤机制之间存在明显的协同加速腐蚀效应，即总材料损失远大于单独的机械磨损与电化学腐蚀之和，呈现出非线性协同增强特征。然而，现有技术中存在以下缺陷：

2、1.单一物理场仿真局限性：传统的冲刷仿真多采用计算流体动力学-离散相模型（cfd-dpm）方法，而腐蚀仿真多采用电化学模型，二者相互独立，缺乏有效的数据与物理机制耦合，无法真实反映冲刷与腐蚀的协同作用过程。

3、2.现有耦合方法的线性化缺陷：以中国专利cn112255088a为代表的现有技术，虽然同时考虑了冲蚀和电化学因素，但其实质是将电化学影响简单化为一个修正系数或线性项，叠加到冲蚀模型上。这种线性化处理方法无法捕捉冲刷与腐蚀之间存在的非线性协同增强效应，尤其是在高流速、大角度、高含沙量等严酷工况下，其预测结果与实际情况偏差巨大。

4、3.忽略形貌演化的反馈作用：现有模型通常为单向计算，即仅考虑流体和颗粒对壁面的作用，忽略了随着冲刷腐蚀进行，壁面表面形貌如点蚀、划痕的演化会对局部流场、颗粒运动轨迹产生反馈影响，导致长期损伤预测精度不足。

5、因此，开发一种能够真实反映冲刷与电化学腐蚀非线性协同作用，并能动态预测涂层损伤演化的仿真模拟方法，对于核电站关键设备的寿命预测和涂层设计优化具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，解决现有技术中无法量化预测冲刷与腐蚀之间非线性协同增强效应的问题，提供一种冲刷与电化学腐蚀多场耦合的泵壳涂层冲刷腐蚀仿真模拟方法，该方法通过构建多物理场耦合的有限元仿真模型，量化分析冲刷速度、冲刷角度和携沙量对涂层冲刷腐蚀行为的影响，揭示泥沙冲刷与电化学腐蚀协同作用下的材料损失机制，准确预测涂层损伤的演化规律，从而为涡壳内壁防腐涂层的失效预测与设计优化提供可靠的理论依据。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种冲刷与电化学腐蚀多场耦合的泵壳涂层冲刷腐蚀仿真模拟方法，包括以下步骤：

4、s1. 构建涡轮泵的三维流体域几何模型；

5、s2. 对三维流体域几何模型进行网格划分，并设置边界条件；

6、s3. 利用计算流体动力学软件，采用湍流模型，对泵内流场进行稳态或瞬态模拟，以获取流场速度分布、流线形态和压力分布特征；

7、s4. 采用欧拉-拉格朗日方法，通过离散相模型模拟颗粒在泵内的运动轨迹和速度分布，获得不同粒径颗粒在流场中的运动轨迹和速度分布，并识别冲蚀的危险区域和薄弱环节；

8、s5. 进行机械磨损与电化学腐蚀的耦合计算，具体包括：

9、s5.1. 采用磨损速率模型计算机械磨损速率；

10、s5.2. 基于电化学动力学方程，并考虑流速影响，计算电化学腐蚀速率；

11、s5.3. 计算冲刷腐蚀速率，冲刷腐蚀速率由机械磨损速率、电化学腐蚀速率以及机械磨损与电化学腐蚀的交互增量三部分组成：

12、

13、式中，交互增量的计算公式为一组分离变量的多项式函数乘积形式：

14、

15、式中，为冲刷腐蚀协同材料系数，由材料本身特性决定，通过冲刷腐蚀耦合实验标定获得，用于表征冲刷与电化学腐蚀协同作用对泵壳内壁涂层产生的额外损伤速率；为颗粒冲击速度，为颗粒体积分数，为颗粒冲击角度；、、分别为颗粒冲击速度、颗粒冲击角度和颗粒体积分数的无量纲函数，其采用多项式形式，描述各因素对协同效应的非线性影响，其形式为：

16、

17、其中，代表颗粒冲击速度、颗粒体积分数或颗粒冲击角度；,,,…,为通过冲刷腐蚀耦合实验数据经多元非线性回归拟合得到的系数；

18、s6. 根据计算得到的冲刷腐蚀速率，预测泵壳内壁涂层的冲蚀寿命，和/或制定适于泵壳内壁涂层的运行工况，和/或制定泵壳内壁涂层的涂装厚度方案。

19、作为其中一种可实现的方式，步骤s1中，构建涡轮泵的三维流体域几何模型时，保留叶片的三维扭曲规律、叶顶间隙以及蜗壳隔舌的型线曲率。

20、作为其中一种可实现的方式，步骤s2具体包括：

21、s2.1. 涡轮泵高保真几何重构与流体提取：

22、在三维cad软件中重建涡轮泵的叶轮、蜗壳及吸入室的实体模型，提取所有过流部件的内部空腔生成原始流体域几何体；

23、以叶轮机械密封端面和叶轮出口环面为界，构建动静交界面，划分动静计算域，实现动静计算域的拓扑分离；

24、对进出口边界进行延伸处理；对生成的流体域进行几何清理与拓扑检查；

25、s2.2. 网格划分：

26、对叶轮流体域采用全六面体结构化网格；叶片前缘和尾缘进行曲率自适应加密，最小网格尺寸限制为0.2 mm；

27、对蜗壳静止域采用非结构化四面体网格；蜗壳主流区最大网格尺寸设定为3.0mm；在隔舌区域设置密度盒，局部网格尺寸细化至0.5 mm；

28、近壁面边界层采用棱柱层网格，第一层网格高设定为0.035 mm；边界层总层数设定为3层，层间增长率控制在1.15；

29、s2.3. 设置边界条件：

30、进口边界条件：泵吸入口截面设定为速度入口，湍流参数设定基于完全发展的管流湍流理论，湍流强度设定为5%；

31、出口边界条件：泵排出口截面设定为压力出口，表压设定为0 pa；回流湍流强度设定为5%；

32、固壁边界条件：流体与固体表面的接触边界均设定为固壁，并遵循无滑移条件；

33、离散相边界条件：选用针对硬质颗粒与金属壁面碰撞提出的壁面恢复系数模型。

34、作为其中一种可实现的方式，步骤s3中，计算流体动力学软件为ansys fluent软件，但不限于此；湍流模型为k-ɛ湍流模型，但不限于此。

35、作为其中一种可实现的方式，步骤s4中，离散相模型的喷射源采用面喷射类型，喷射源位置设定在涡轮泵流体域的入口面；

36、颗粒的初始速度矢量设定为与入口处的连续相流体速度保持一致，即实现无滑移注入，由求解器根据入口边界条件自动给定；颗粒的粒径分布采用均匀粒径分布。

37、作为其中一种可实现的方式，步骤s4中，采用离散相模型和有限体积模型结合壁面冲蚀模型计算颗粒撞击壁面的冲击速度和冲击角度；仿真颗粒在流场中的运动轨迹和速度分布时，考虑流体曳力、重力、浮力作用，并基于颗粒动力学理论，通过求解固相温度方程，实现固相压力和固相粘度的求解，以修正颗粒的运动轨迹和速度。

38、作为其中一种可实现的方式，步骤s5.1中，磨损速率模型为jana磨损速率模，但不限于此；将机械磨损速率与流体动力学参数直接关联：

39、

40、式中，为无因次侵蚀率，与材料硬度和颗粒冲击角度相关；

41、无因次侵蚀率采用无因次侵蚀率模型计算；无因次侵蚀率模型为finnie无因次侵蚀率模型，但不限于此；finnie无因次侵蚀率模型针对颗粒对金属的切削磨损，考虑颗粒反弹效应：

42、

43、式中，为冲蚀切削材料系数，用于表征泵壳内壁涂层抵抗颗粒切削磨损的能力，金属材料通过经验值选取，陶瓷材料通过单相冲蚀实验标定获得；

44、为颗粒密度；为材料维氏硬度；

45、为颗粒回弹系数，其值通过法向恢复系数和切向恢复系数共同确定；法向恢复系数和切向恢复系数均为颗冲击角度的函数，即，；函数和通过实验数据或文献公开的标准曲线进行定义，且，对于不同的壁面材料，分别采用对应材料的法向、切向恢复系数曲线参数，以准确描述不同材料边界处的动量交换特性。

46、作为其中一种可实现的方式，步骤s5.2，具体包括：

47、通过塔菲尔方程描述的腐蚀电流与电位的关系为：

48、

49、式中，为静态下的腐蚀电流密度；为考虑流速影响后的腐蚀电流密度；

50、为流速系数，与介质粘度相关，其数值通过实验数据拟合确定，其单位随单位确定，确保整体无量纲；为电位；为流速指数，无量纲，湍流工况下取0.5～1.0；

51、再根据电化学腐蚀理论获得电化学腐蚀速率。

52、作为其中一种可实现的方式，步骤s5.3中，通过冲刷腐蚀耦合实验标定获得，具体包括：

53、步骤1、分别在不同颗粒冲击速度、颗粒体积分数和颗粒冲击角度条件下开展泵壳内壁涂层的冲刷腐蚀实验，获得冲刷腐蚀速率；分别根据实际测得的冲刷腐蚀速率数据进行非线性回归线性拟合确定、和的系数；

54、步骤2、在颗粒冲击速度、颗粒体积分数和颗粒冲击角度的实验工况下的条件下开展泵壳内壁涂层的冲刷腐蚀实验，获得冲刷腐蚀速率；在相同流体力学条件但抑制电化学腐蚀下，测量机械磨损速率；在相同电化学条件但无颗粒冲刷下，测量电化学腐蚀速率；计算交互增量：；将实验工况对应的颗粒冲击速度、颗粒体积分数和颗粒冲击角度代入；则，取多个实验工况点计算结果的平均值作为最终。

55、作为其中一种可实现的方式，步骤s6中，根据冲刷腐蚀速率预测泵壳内壁涂层的冲蚀寿命具体为：根据泵壳内壁涂层各个局部部位的厚度及各个局部部位的总冲蚀速率来确定；

56、制定适于泵壳内壁涂层的运行工况具体为：在特定含沙量情况下，根据泵壳内壁涂层各个局部部位的厚度及不同转速条件下各个局部部位的总冲蚀速率来确定适合涡轮泵连续运行特定时间且泵壳内壁涂层不失效的涡轮泵转速；

57、制定涂层涂装厚度方案具体为：在特定含沙量及特定涡轮泵运行转速条件下，根据总冲蚀速率确定泵壳内壁各个局部部位的涂层涂装厚度。

58、作为其中一种可实现的方式，所述仿真模拟方法，还包括考虑表面形貌演化的动态仿真：在获得步骤s6的冲刷腐蚀速率分布后，通过网格变形或动网格技术，将计算出的壁面磨损量反作用于步骤s2的三维流体域几何模型，更新壁面形貌，并重复步骤s3-s5，从而实现考虑形貌演化的动态仿真，进一步提高长期预测精度。

59、与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

60、1.通过构建包含机械磨损速率、电化学腐蚀速率及其交互增量的冲刷腐蚀速率计算模型，实现了冲刷与电化学腐蚀的多物理场非线性耦合仿真。具体地，本发明摒弃了传统的线性叠加或简单修正方法，创造性地引入了一个与冲击速度、冲击角度、颗粒浓度相关的分离变量多项式形式交互增量项，并通过实验标定其系数。该技术手段能够精确捕捉冲刷与腐蚀之间的非线性协同增强效应，解决了现有技术无法准确量化该效应的难题，显著提高了腐蚀仿真精度。

61、2.通过高保真几何建模、混合网格划分及精细的边界层设置，获得了高精度的流场与颗粒轨迹模拟结果。具体地，本发明对叶轮和蜗壳采用差异化的网格策略，并对隔舌、叶片前缘等关键区域进行局部加密，结合合理的边界层设置，确保了在可接受的计算资源消耗下，能够精确捕捉泵内复杂的湍流结构、压力梯度及颗粒对壁面的冲击参数，为后续的损伤计算提供了准确的数据基础。

62、3.本发明的仿真方法能够直接应用于工程实践，预测涂层寿命、指导涂层厚度设计及优化运行工况。具体地，通过输出冲刷腐蚀速率在泵壳内壁的空间分布，可以量化识别高风险区域，并根据不同转速、含沙量下的损伤速率，为核电站sec泵的运维决策、涂层选材与厚度差异化设计提供量化、可靠的理论依据，从而延长设备寿命，降低维护成本，提升核电站运行的安全性。