高速多相海水中材料流动腐蚀的数值模拟与实验验证

论文摘要

本文利用管流式和磁致伸缩动态模拟试验装置，采用数值计算和实验研究相结合的方法，研究碳钢、双相钢和316L不锈钢等在流动多相海水中的流动腐蚀机理，利用模拟实验数据，预测、判定实际工况条件下金属材料流动腐蚀的情况，这有可能成为人们研究和认识多相流动腐蚀的一种重要手段。实验结果表明：在流动多相中性氯化物体系中，碳钢、双相钢腐蚀速度随流速的上升而增大，在固液两相流中存在一个使腐蚀速度急剧增大的临界流速值；在气液两相流中，金属空蚀速度随着盐浓度的增大而增大；随着介质温度增加，空蚀速度先增大后减小。对于碳钢，流动腐蚀均为阴极氧的扩散过程控制；对于双相钢、316L钢，腐蚀过程主要受阳极反应控制。双相钢流动腐蚀速度要远小于碳钢的，这表明双相钢具有良好的耐蚀性，在一定流速范围内，在实际工况条件下可用。针对以上实验研究体系，引入流体力学基本理论，结合固体颗粒运动随机轨道模型，以及空泡产生和溃灭波动方程，根据质量、动量和能量守恒原理，应用数值模拟流体流动的方法，分别确立了固液、气液两相流动体系中的流体力学模型和传质模型，在腐蚀动力学研究的基础上，综合考虑流体力学破坏和电化学腐蚀两方面因素，构建了碳钢、双相钢在多相海水中的流动腐蚀综合数学模型。

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摘要

Abstract

符号说明

第一章前言

第二章文献综述

2.1 腐蚀过程概述

2.1.1 流动腐蚀的定义与分类

2.1.2 流动腐蚀研究的历史背景

2.2 影响流动腐蚀的因素研究

2.2.1 流速、流型

2.2.2 表面膜

2.2.3 固体颗粒

2.3 高流速条件下材料空泡腐蚀研究现状

2.4 近壁处流体力学参数研究现状

2.4.1 表面剪切应力

2.4.2 传质系数

2.5 流动腐蚀的协同效应机理

2.6 多相流动腐蚀数值模拟研究现状

2.6.1 固液两相流模型

（1）拉格朗日方法

（2）欧拉方法

2.6.2 气液两相流模型（空蚀）

2.6.2.1 介质空化模型

2.6.2.2 传质模型

2.7 研究流动腐蚀的模拟实验装置

2.8 本论文的研究背景、内容和目标

第三章实验方法

3.1 实验材料

3.1.1 碳钢

3.1.2 双相钢

3.1.3 316L不锈钢

3.2 实验介质

3.3 研究方法

3.3.1 失重法

3.3.2 电化学测试方法

3.3.3 金相观察法

3.3.4 数值计算方法

3.4 流动实验装置

第四章实验研究基础

4.1 引言

4.2 碳钢、双相钢在固液双相流动中性氯化物体系中的腐蚀规律

4.2.1 碳钢腐蚀速度与流速的关系

4.2.2 双相钢腐蚀速度与流速的关系

4.2.3 流动腐蚀类型的确定

4.3 固液两相流中极化曲线的测定与分析

4.3.1 碳钢

4.3.2 双相钢

4.4 碳钢、316L不锈钢在气液双相氯化物体系中的空蚀规律

4.4.1 实验时间对碳钢空蚀的影响

4.4.2 不同NaCl溶液浓度、温度对碳钢空蚀的影响

（1）不同浓度NaCl水溶液

（2）不同介质温度

4.4.3 不同NaCl溶液浓度、温度对316L不锈钢空蚀的影响

（1）不同浓度NaCl水溶液

（2）不同介质温度

4.5 气液双相流中空蚀机理的实验研究

4.5.1 碳钢极化曲线的测定与分析

（1）介质空化对电极反应的影响

（2）盐浓度对反应过程的影响

（3）温度对反应过程的影响

4.5.2 316L不锈钢极化曲线的测定与分析

（1）介质空化对电极反应的影响

（2）温度对极化曲线的影响

（3）材料性质对电极反应的影响

4.5.3 空蚀形貌的金相分析

4.6 结论

第五章固液两相流条件下流动腐蚀数学模型的建立

5.1 引言

5.2 介质流体流动模型

5.2.1 流道构形、计算域和坐标系

5.2.2 液相流体运动控制方程

5.2.2.1 控制方程的离散化及计算方法

5.2.2.2 流体相边界及初始条件的确定

5.2.2.3 液相流体力学参数的计算

（1）表面切应力τ

（2）液相传质系数k

5.2.3 固体颗粒运动轨道模型

5.2.3.1 单颗粒运动方程

5.2.3.2 颗粒运动方程计算参数的确定

5.2.3.3 颗粒相流体力学参数的求解

p的计算'>5.2.4 固体颗粒对流体的反作用——颗粒源项S_p的计算

5.3 固体颗粒对材料的碰撞作用——磨耗量的计算

5.4 腐蚀电化学模型

5.4.1 碳钢腐蚀电化学动力学模型的建立

5.4.1.1 实验依据

5.4.1.2 合理假设

5.4.1.3 碳钢流动腐蚀动力学模型的建立

5.4.2 双相钢腐蚀电化学动力学模型的建立

5.4.2.1 双相钢腐蚀动力学过程的分析

5.4.2.2 合理假设

5.4.2.3 双相钢腐蚀动力学模型的建立

5.5 固液双相流中流动腐蚀的综合数学模型

5.5.1 碳钢总失重速率的计算公式

5.5.2 双相钢总失重速率的计算公式

5.6 综合数学模型中经验参数的修正

5.6.1 经验系数Ct的选取

5.6.2 计算颗粒轨道数目的确定

5.7 结论

第六章气液两相流中空蚀动力学模型的建立

6.1 引言

6.2 所模拟的实验装置及实验条件

6.2.1 气液两相流场中计算域和坐标系的建立

6.2.2 模拟空蚀的实验条件

6.3 气液两相中空蚀冲击力学模型

6.3.1 气液两相流压力方程的建立

6.3.1.1 试样振动壁面压力场的计算

6.3.1.2 流场方程的数值解法及边界条件

6.3.1.3 介质流动参数的确定

6.3.2 气泡分布的空间预测

6.3.2.1 流场中空泡体积含量的计算

6.3.2.2 空泡在流场中的分布函数

6.3.3 气泡对试样表面冲击剥蚀速率的计算

6.3.3.1 合理假设

6.3.3.2 空泡溃灭时冲击压力函数的构造

6.3.3.3 气液两相力学作用参数的计算

6.4 电化学腐蚀模型

6.4.1 气液两相海水中空蚀的实验研究依据

6.4.2 氧传质模型的建立

6.4.3 电化学腐蚀速度的计算公式

6.5 空蚀破坏综合数学模型的建立

6.6 结论

第七章多相流动腐蚀动力学模型的数值计算与结果分析

7.1 引言

7.2 固液两相流体运动控制方程的数值求解

7.2.1 流场分布

7.2.2 近壁处流体力学参数

7.2.2.1 流体力学参数与流速的关系

（1）表面切应力

L'>（2）液相中传质系数k_L

f'>（3）钝化膜中传质系数k_f

7.2.2.2 表面切应力与传质系数的关系

7.2.3 近壁处流体力学参数与腐蚀的关系

7.3 固相颗粒对腐蚀的影响

7.3.1 固体颗粒轨道

7.3.2 颗粒相流体力学参数对腐蚀的影响

7.3.3 固液两相流中材料腐蚀速度的计算

7.3.3.1 磨耗速度

7.3.3.2 电化学腐蚀速度

7.4 固液双相流中流动腐蚀速度计算结果与实测值的比较

7.4.1 碳钢

7.4.2 双相钢

7.5 气液两相流体运动控制方程的数值求解

7.5.1 压力场分布

（1）试样表面径向压力

（2）试样振动方向（轴向上）压力

7.5.2 气泡体积含量与压力的关系

7.5.3 传质系数的空间分布

7.6 空泡对空蚀过程的影响

7.6.1 空泡的空间分布

7.6.2 气泡相流体力学参数

7.6.3 空蚀力学冲击破坏速率的计算

7.6.4 电化学腐蚀速率

7.7 气液双相流中碳钢空蚀速度计算值与实测值的比较

7.8 结论

第八章实验验证

8.1 引言

8.2 实验验证一——外加阴极电流对多相流动腐蚀协同效应的影响

8.2.1 固液两相流中

（1）自腐蚀电位的测定

（2）阴极保护电位的确定

（3）施加阴极电流后腐蚀速度的测定

8.2.2 气液两相流中

（1）碳钢

（2） 316L不锈钢

2除O₂、添加缓蚀剂对流动腐蚀的影响'>8.3 实验验证二——充N₂除O₂、添加缓蚀剂对流动腐蚀的影响

（1）充N2除O2对流动腐蚀的影响

（2）添加缓蚀剂对流动腐蚀的影响

8.4 实验验证三——腐蚀电化学因素对流动腐蚀影响程度的定量分析

8.5 实验验证四——介质流动对腐蚀电化学反应的影响

8.5.1 固液两相流中

8.5.2 气液两相流中

8.6 结论

第九章多相流动海水中腐蚀电极动力学过程研究

9.1 引言

9.2 碳钢在流体力学作用下的阻抗谱特征

9.2.1 固液双相流中

9.2.2 气液双相流中

9.3 碳钢流动腐蚀过程中的电化学腐蚀动力学

（1）阻抗谱分析

（2）碳钢电极过程动力学模型

9.4 双相钢在流体力学作用下的阻抗谱特征

9.5 双相钢流动腐蚀过程中的电化学腐蚀动力学

（1）阻抗谱分析

（2）双相钢电极过程动力学模型

9.6 流体力学因素对电极反应动力学参数作用的定量分析

9.6.1 碳钢

9.6.2 双相钢

9.7 结论

第十章全文总结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

作者简介

高速多相海水中材料流动腐蚀的数值模拟与实验验证

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