侵蝕分析的案例
[案例分析]STARCCM+入門系列之——固體顆粒侵蝕分析
1、問題描述本案例演示如何在 STAR-CCM+ 中創建侵蝕建模分析。本案例中使用的幾何的最初設計是在侵蝕性作業環境下使用的阻流閥的減壓裝置，模型如下：2、STAR-CCM+設置
不僅要考慮湍流連續相，而且還要考慮連續相中的顆粒運動，因此需要數個模型。為了模擬這些相，STAR-CCM+部署了兩種不同的策略。連續的液相使用歐拉公式建模，其中的流體屬性通過在整個流體域中分布的固定點獲取。顆粒相使用拉格朗日方法建模，在整個連續相上跟蹤其中的代表性顆粒的軌跡。
（1）選擇連續相物理模型；流體是湍流且不可以壓縮。使用K-Omega 湍流，拉格朗日多相模型用于構建離散相模型。物理模型的選擇如下：
（2）選擇拉格朗日相模型；創建拉格朗日相，并選擇適當的相模型。這些模型代表拉格朗日相的特征。右鍵單擊Models >Lagrangian Multiphase > Lagrangian Phases選項，選擇新建一個相，給拉格朗日相選擇相應的物理模型，特別注意要選擇侵蝕模型，如下：
（3）創建復原系數的場函數；創建表示復原系數的場函數。復原系數用以預測顆粒彈離固體壁面的角度。本案例中，使用以下關系式：
式中的變量用預定義的系統場函數來表示顆粒入射角，然后根據上面的公式定義出切向復原系數和法向復原系數。
（4）定義拉格朗日相邊界條件；點擊Physics 1 > Models> Lagrangian Multiphase > Lagrangian Phases > Phase 1 > Boundary Conditions> Wall，設置以下屬性：
（5）設置侵蝕模型；在使用CFD 方法創建侵蝕模型時，選擇的侵蝕模型必須匹配正在遭受侵蝕的材料以及侵蝕發生的條件。
展開 lsdyna彈體侵蝕雙層靶板為例進行完全重啟動分析 ￥50
完全重啟動分析是輸入文件(關鍵字文件)做了大量修改時的一種分析。一般用來做重復跌落，彈體侵蝕或者爆炸等分析。
完全重啟動可以增加了新的PART,新的接觸,新的曲線,速度改變等定義,此時相當于一種全新的分析.因此這種情況下的分析的結果文件,如D3PLOT文件會重新從1開始編號,需要新建一個文件夾存放修改后的K文件和重啟動文件對d3dump。同時添加一些重啟動的關鍵字。
下面以彈體侵徹靶板為例說明整個過程.
1:首先進行彈體侵徹一層靶板的分析,計算時間20微秒:見附件penetration2d.k
展開 Abaqus顯式分析SPH方法中的內部侵蝕接觸設置(附inp文件與2020版本cae文件) ￥9.9
而直接定義通用接觸的默認設置，即All* with self，則sph粒子僅能與實體單元外表面的一層接觸，表面侵蝕后，內部單元不再與sph粒子接觸。如圖所示：</p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202412/attachment/518367680d2140728ddb83b5b22c20bd.png" style="text-align: center" data-regular="true">
<img src="https://img.jishulink.com/202412/attachment/518367680d2140728ddb83b5b22c20bd.png" style="" width="400" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202412/attachment/518367680d2140728ddb83b5b22c20bd.png?image_process=/format,webp" data-pc-src="https://img.jishulink.com/202412/attachment/518367680d2140728ddb83b5b22c20bd.png?
展開 彈丸沖擊侵徹平板（ABAQUS 6.16幫助文檔第2.1.4節）
在分析過程中，彈丸和裝甲平板的網格單元都將出現失效，因此需要使用基于網格單元的面（element-based surfaces）來適應當前未失效單元的暴露表面。通用接觸算法支持基于網格單元的面（而不支持接觸對算法）。要模擬侵蝕接觸，用戶必須在接觸域（contact domain）中包括分析過程中可能暴露的所有表面，包括最初位于主體內部的表面。在此分析中，只有預期發生接觸的內部面才包含在接觸域中，以最小化內存的使用（如果包括了模型中所有單元的內部面，將使內存的使用量增加一倍以上）。
默認情況下，通用接觸算法不包括節點侵蝕（nodal erosion）【在abaqus explicit中Nodal erosion：默認=no】，因此即使周圍的所有單元都已失效，接觸節點仍將參與接觸計算。這些節點充當自由浮動質點（free-floating point masses），可以與主動接觸面（active contact faces）發生接觸。為了便于比較，還進行了節點侵蝕的分析，由此一旦周圍的所有單元都已失效，節點將從接觸計算中移除（可以節省計算量）。在本示例中，與自由節點（free-flying nodes）相關的動量傳遞預計很大，因此不推薦使用節點侵蝕。
二、結果與分析
在分析的不同階段中發生的變形形狀如圖2.1.4–4至圖2.1.4–5所示，這些圖中僅顯示了激活單元（active elements）。
如2.1.4–5圖所示，彈丸最終穿透了裝甲平板，在分析過程中，大約彈丸的前半部分單元會失效。在2.1.4–5圖中可以看到一些激活單元的斷裂碎片。這些碎片的節點和暴露面可以參與接觸。不再附著于任何激活單元的節點僅在沒有節點侵蝕的分析（對應于第一個主INP文件）過程中參與接觸。
圖2.1.4–6分別比較了進行節點侵蝕和不進行節點侵蝕的分析的總動能變化。
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【詳細FLUENT實例講座】90°彎管沖蝕計算
1引言
本例的目的在于利用FLUENT侵蝕模型研究3D彎管受粒子沖擊造成的侵蝕現象。侵蝕現象在工程應用中是一種比較普遍的現象。
本例主要展現以下幾點內容：
（1）使用侵蝕模型分析3D彎管的侵蝕
（2）如何使用離散相模型
（3）使用合適的求解設置建立并求解模型
（4）結果數據的后處理。
2前置要求
本例假定讀者已熟悉FLUENT的操作界面，并且已了解FLUENT求解設置的一般過程。一些基本的操作步驟不會描述得過于詳細。同時，要求讀者對于FLUENT中的離散相模型有一定的了解。
3問題描述
本例的計算幾何如圖1-1所示。計算幾何由兩個90°彎管組成。
圖1-1幾何模型
水從inlet入口以法線方向10m/s速度流入計算域，outlet出口被假定為outflow邊界。流場求解采用湍流模型，等溫及穩態求解條件。
粒子密度1500kg/m3，以速度10m/s從inlet入口進入流體域，粒子直徑200微米，質量流量1kg/m3。
壁面邊界的法向和切向反射率定義為粒子沖擊角的多項式函數，在沖蝕模型中，沖擊角函數被定義用于描述管道壁面的延性損傷。
本例中，粒徑函數定義為常數值1.8e-9，速度指數函數設置為常數2.6，這些值與公開文獻保持一致。
4設置與求解
Step 1：模型準備
1、以3D版本打開FLUENT軟件。如圖1-2所示。
2、在FLUENT軟件中利用菜單【File】>【Read】>【Mesh】，選擇并導入計算網格3d-elbow.msh文件。
圖1-2啟動FLUENT
Step 2：General面板設置
1、點擊操作樹節點General
2、在右側操作面板中點擊Scale…按鈕，進行模型尺寸確認。
3、點擊check…按鈕，檢查網格質量。
展開 預測渦輪機械沖蝕率
結論
對兩種FCC氣體膨脹器設計的流體流動分析表明，該設計能夠重新設計葉輪機械的流道，并為提高葉片壽命量身定制侵蝕特性。
■ 與周期性更換葉片、降低機器效率和因設備停機而造成的生產損失相比，使用CFD分析解決侵蝕問題的成本是最小的。
■ 由于可以減小主流道中夾帶的固體顆粒對葉輪機的侵蝕破壞程度，可以顯著延長葉輪機械的使用壽命。
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【CAE案例】普爾灣與基督城灣的泥沙模擬
由于模型中海床的成分組成允許在基督城邊緣侵蝕掉更多的泥沙，導致S6乃至S7處泥沙遷移量相對較多。
圖4 模型推演出的泥沙遷移方向以及遷移量
在研究者們的實測數據中，泥沙的輸送量是基于高于海床面0.5m
以上的水體中的流速和泥沙濃度確定的剖面近似值。由于絕大多數泥沙遷移發生在更靠近海床的位置，測量得到的泥沙遷移速率具有較大的不確定性。盡管如此，測量值和模型計算值之間依舊存在著相對良好的近似度，說明該水動力仿真軟件在此類大尺度海域仿真領域中具備相當的實用能力。
圖 5展示了模型計算區域的海床侵蝕和沉積現象。然而由于巖石和堅硬粘土等不可侵蝕層在模型中被表示為在高能量條件下會受到侵蝕的礫石層，該模型在海床的長期侵蝕和沉積分析方面依舊有所不足。
圖5 海域海床侵蝕與沉積相關表征，藍色代表泥沙沉積而紅色代表侵蝕（單位：m）
04 小結
為分析研究普爾灣和基督城灣的泥沙沉積路徑，針對性地用水動力仿真軟件開發了用于模擬英吉利海峽的波浪、洋流和泥沙遷移的水動力數值模型。通過在不同地點獲取實測數據，并與仿真結果相驗證，研究者們發現模型的波浪和海流結果與觀測值高度吻合，并且絕大部分的觀測到的泥沙遷移現象也被模型再現。
雖然該模型尚未被開發用于預測未來的海床床位變化，但計算結果中的海床變遷與歷史變化大體一致。總體來說，在高精度的水深測量和海床成分數據的支持下，使用多物理場耦合的泥沙輸運建模與計算是準確的。
展開 礦山生態修復過程中，水工環調查工作怎么做?
進行水質簡分析和侵蝕性二氧化碳分析。
（四）礦山巖溶塌陷調查
礦山巖溶塌陷調查與評價的主要內容是:
1）收集分析礦區內已有的地質、水文地質等資料，掌握巖溶發育程度、分布規律及巖溶水環境條件。
2）調查礦山疏干排水漏斗范圍，以及巖溶塌陷的發生時間、分布、形態、規模、密度等。
3）地下水與地表水的水力聯系及其動態變化。
4）碳酸鹽巖上覆第四系土體的類型、厚度及其工程地質性質。
5）巖溶塌陷的誘發原因。
6）地表工程設施等的破壞損失情況，當地防治塌陷的措施和經驗。
7）分析巖溶塌陷的形成條件、分布發育特征、誘發因素、發生發展趨勢及危害程度。
8）根據巖溶塌陷發育程度及其危害程度，對其現狀與發展趨勢進行評估，針對性地制定防治措施。
（五）采空塌陷調查
采空塌陷調查與評價的主要內容是:
1）礦層的種類、分布、層數、厚度、深度等特征，開采層頂底板的巖性、結構等。
2）礦山開采歷史、采深、采厚、開采方式、頂板管理方法、回采率、開發現狀及規劃等；了解采礦巷道的布置、形態、大小、埋藏深度。
3）采空區的空間展布和范圍，塌落、密實程度、空隙和積水等。
4）地表變形破壞特征，包括地表塌陷坑、伴生裂縫、臺階等的位置、形狀、規模、深度、延伸方向，地表移動盆地特征及影響范圍；分析其與采空區、開采邊界、工作面推進方向等的關系。
5）采空區附近的抽、排水情況及其對采空區穩定的影響。
展開 