水沙绕流问题的数值模拟研究开题报告

全球的高速发展离不开能源和材料的大量消耗，冲蚀磨损是一种常见的破坏形式，广泛存在于许多工业部门，如机械，建筑材料，航空航天和军事工业等。尤其是在工程领域中，冲蚀磨损是许多工程结构破坏和装备失效的主要原因之一，对国家能源和材料上的资源造成巨大损失。并且在冲蚀磨损中，含有固相颗粒的两相流的破坏作用更加明显，从机理上分析，冲蚀磨损主要来自于空气或者液体中离散的颗粒对材料表面按照一定的速度和角度进行冲击，在一定时间内造成材料损失的现象。在码头及内河港口桩基和纵横支撑的建设中，桩基及纵横支撑均大量使用钢结构。有研究表明，当钢结构的腐蚀达到百分之一时，该钢结构的强度就会下降10%-15%。据有关统计，全世界每年由于金属腐蚀而报废的金属设备和材料约相当于金属年产量的1/3，全世界每年因为金属腐蚀造成的直接损失超过7000亿美元，是地震，水灾，台风等自然灾害造成损失总和的6倍，而水环境引起的金属腐蚀占比大于 33%。因此减少材料的冲蚀磨损，是港口工程营运中亟待解决的重大问题，深入研究影响磨损的机理对于设备使用、能源节约、提高材料的使用寿命具有重要意义。

到今天为止，我国在内河钢构件防腐设计上还没有相应的规范及工艺标准，事实上，在进行码头施工时一般参照海港工程相关规范中的涂层保护法来进行钢结构的防腐。涂层保护法具有操作便捷，施工简易，不易受施工场地、钢构件形状和尺寸限制等诸多优点，每年我国有75%的防腐费用在涂层上。然而我国内河是淡水水质，与近海条件下的腐蚀介质、水流特性等有较大的差异。在内河含沙水流条件下，仍然参照海港工程钢结构防腐规范进行设计，无法真正意义的保证钢构件能够得到安全，稳定，长期地使用，而现实中，许多大型码头的钢构件经水流冲击一年左右，防腐涂层出现大范围开裂，脱落，钢构件裸露生锈，腐蚀严重，涂层使用寿命远远未达到10年的设计要求，本课题针对此类问题建立水沙两相圆柱绕流流场的数值模型，在此基础上研究内河含沙水流条件下，泥沙颗粒的冲蚀特性，基于已有的冲蚀理论模型，提出内河条件下冲蚀损伤模型。

目前，国内外学者对不同形式的冲蚀进行了研究，kenichisugiyama 等[1]通过在射流磨损试验装置上对多种涂层材料进行试验，认为涂层材料抗磨能力主要取决于其硬度，并指出速度较高时(v=40m/s)，涂层损伤程度随冲击角度的增大而增大，但在 60°～90°冲击角度间涂层损伤程度基本一致；而在速度较低时(v=10m/s)，冲击角度增大到一定时，破坏程度反而减小。

2. 研究的基本内容与方案

本文基于水沙两相圆柱绕流数值模拟，在此基础上研究内河含沙水流条件下，泥沙颗粒的冲蚀特性，基于已有的冲蚀理论模型，提出内河条件下冲蚀损伤模型。

1. 水沙流场圆柱绕流数值模型的建立。基于集成在 ansys 中的 fluent 计算

流体力学软件，结合长江含沙水流条件，建立含沙水流圆柱绕流的数值模型。建立数值模型时，首先对单相绕流场进行模拟及验算。将单相圆柱绕流的数值模型的流速场、升力系数、阻力系数、斯特劳哈数、表面压力系数与文献值进行对比：在单相流场中加入泥沙颗粒，将不同粒径泥沙颗粒在流场中的扩散情况结果与文献进行对比，验证建立的水沙圆柱绕流流场数值模型的可靠性。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

strehlowhv,schultz n,zimmermann c, et al. slurry wear and cavitation erosion ofthermal-sprayed cermets[j]. wear, 2005, 258(5): 768-775.

lin f,shao h.the effect of impingement angle on slurry erosion[j]. wear, 1991, 141(2):279-289.

姚启鹏.泥砂粒径级配对材料磨损影响的试验研究[j].水力发电学报,1997,(1): 94-97.