基于流场切割的异径管腐蚀产物膜流-固耦合多尺度模拟

    工程领域中的许多基本现象或过程常常发生在涵盖几个数量级的几何空间及时间范围内，这些现象都被称为多尺度物理现象。从 20 世纪末以来多尺度物理现象与过程的研究引起了世界各国科学家的重视，已经逐渐形成一些独特的研究方法［1 －2］。

    随着计算机技术与现代测量技术的迅速发展，多尺度科学的研究成为 21 世纪全世界科学研究的一个挑战性课题［3 －6］。目前有关多尺度现象的研究已经遍布到多个学科分支，包括数学、物理学、力学、化学化工、材料科学、生物科学、技术科学等［7］。然而关于多尺度过程的建模与多尺度计算方法已经成为各个相关学科和计算科学的重要的研究方向之一。多尺度的建模和数值方法可以分为 2 类，即分区建模界面耦合方法( 第一类) 和统一方程整场求解方法( 第二类) 。对于第一类问题的求解方法，不同尺度层次的区域采用不同数值方法耦合求解，其中关键是不同计算区域的界面上信息的传递。因此界面上信息耦合的原理和高效稳定数值方法是研究重点。界面信息的耦合与交换之所以困难，主要原因在 于 空 间 尺 度 的 耦 合 及 时 间 步 长 的 匹 配。FlekkΦy 等［8］提出了一种通量直接交换的耦合方式，Wagner 等［9］将上述耦合方法拓展到能量方程中，并应用于通道流。Yen 等［10 －11］对微纳米尺度通道中流动和换热均采用分子动力学模拟和连续介质数值方法耦合的求解方法。为了使该方法具有普适性，学者们均从算法和网格方面进行研究，然而未见有采用切割流场的方法解决存在空间匹配问题的第一类多尺度模拟的相关文献报道。

    对于流-固耦合理论国内外学者作了大量的研究［12 －13］。流-固耦合问题按其耦合机制可分为 2类: 第一类，流体域和固体域，部分或全部重叠在一起难以明显地分开，需要针对具体的物理现象来建立描述物理现象的方程，特别是本构方程。第二类，耦合作用仅仅发生在两相交界面上。异径管中流体与腐蚀产物膜之间的耦合作用就属于第二类。而且腐蚀产物膜的厚度在 20 ～50 μm，相对于管道流场来说，存在空间尺度匹配的问题。

    本文结合管道湍流流速分布定律，针对异径管提出流场切割模型。并应用 COMSOL Multiphysics多物理场数值模拟软件，对不同流速、流向、尺寸规格下的覆盖有腐蚀产物膜的异径管进行了系统的流-固耦合数值模拟。分析了异径管腐蚀产物膜在流体作用下，腐蚀产物膜的变形量与速度、流向、规格尺寸之间的关系。

    1 流场切割模型

    石化工业管道输送的流体介质具有一定的腐蚀性。在介质输送过程中，易与碳钢管件发生电化学反应生成一层腐蚀产物膜，该膜具有良好的保护作用，能有效地降低腐蚀速率。然而流体介质本身具有一定的黏性，流体流经管件时会对管壁产生一定的切应力，而且某些管件会改变流体的流向或流速，使得流体碰撞管道壁面发生能量转化，因此管道壁面的腐蚀产物膜受到因流体力学因素作用产生的压应力和切应力。腐蚀产物膜在压应力和切应力的作用下发生变形，反过来影响流场分布，其间的相互作用属于界面耦合，但腐蚀产物膜的厚度只有 20 ～50 μm，而工艺管道的直径一般均大于 50 mm，腐蚀产物膜和流体存在较大的尺度差异。因此在数值计算的过程中，可采用切割流场的方法解决这种问题。