基于格子Boltzmann方法的不锈钢表面点蚀特性数值研究

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不锈钢管材的点蚀会造成穿孔与应力集中,管材在内外压的作用下,将会发生断裂,影响油气管道的使用寿命。如何减缓点蚀,对于油气管道输送的安全极为重要。本文对浸没于中性溶液的不锈钢表面点蚀进行了数值研究。从浸没于中性溶液的不锈钢表面点蚀实际反应机理出发,结合液体流动传输特性和相间转化原理,建立了不锈钢格子Boltzmann腐蚀模型。应用该腐蚀模型,模拟点蚀全过程,得到点蚀不同阶段的蚀坑形貌随时间的特征变化和不同组分的浓度分布情况,并研究了不同参数与腐蚀程度的关系。使用LBM腐蚀模型,对不锈钢点蚀的全过程演化进行了模拟。结果表明:随着模拟时间的推延,不锈钢腐蚀程度加剧,并存在腐蚀速率增大的转折点,对比实验,发现模拟的腐蚀量变化趋势与实验结果相符。针对不同的点蚀阶段,改变模拟工况,得到不同参数对不锈钢点蚀进度的影响。结果表明:点蚀成核阶段,成核反应速率越大、氯离子初始溶度越大,点蚀越易成核。亚稳态点蚀阶段,氧气初始浓度越大、腐蚀反应速率越大,亚稳态蚀坑越容易转变为稳态蚀坑。稳态点蚀阶段,稳态点蚀反应速率越大、氧气扩散系数越大,不锈钢将被腐蚀的越多。此外还研究了腐蚀产物如何影响稳态点蚀,结果表明:腐蚀产物饱和浓度越大、腐蚀产物沉淀速率越小、腐蚀产物扩散系数越大,不锈钢被腐蚀的越少,并且蚀坑孔口处析出的腐蚀产物沉淀越少。本文提出的格子Boltzmann腐蚀模型,为今后金属腐蚀数值研究提供了新思路。
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