船体在海水中流动加速腐蚀数值分析(2)

如果Km,O2可知的话，就可以计算得到表面各处的氧扩散流率，进而计算出腐蚀速度。

为了求出Km,O2，可考虑贴近壁面的第1层单元，设单元中心处氧浓度为Ccell,O2，则该处的氧向表面扩散的流率为：

式中：DO2为氧在海水中的扩散系数，根据式(10)计算[13]；dcell为壁面的第1层单元中心和壁面的垂直距离。

式中：VA为氧的摩尔体积，m3/mol；μ为水的粘度，Pa·s；T为水的温度，K。

由于因此有：

由此确定了传质系数。之后就可以求出反应铁的溶解流率：

将以质量为单位的质量流率转化为以mm/a为单位的腐蚀速度：

式中：ρFe为铁的密度，Kg/m3；MFe为铁的摩尔质量，Kg/mol；factor=60×60×24×365×1 000/0.022 4。

1.3 模拟设置

以船体为中心划分出一片水域建立流场。由于船体关于XOZ面对称，因此只取一半进行研究，如图1(a)。入口采用速度边界条件、出口设为out-flow边界条件,另外在入口处设定氧的浓度为定值，为0.005 152 m-3·m-3。

图1 有限元模型的建立Fig.1 Establishment of finite element model

2 计算结果

2.1 流场分析

图2(a)和2(b)分别为XOZ面和YOZ面速度分布云图。图中流体明显存在高速区和低速区，如图2(a) 中的区域○b和○c，即流体流动产生分离。具体原因如下。当流体迎着船头流向船体时，船体边界和流场边界之间构成流动通道。通道从Inlet开始，逐渐变窄，根据流体连续性假设，在狭窄的部位，流体流速加快，例如图2(a)中的区域○a 。这部分流体，流经边界区段①后，由于惯性将和船体表面分离，于是形成一个低速低压区○b。这可以类比于管道流体在内弯处的失稳进行说明。如图2(e)：管道内的流体在经过内弯处时，由于惯性而产生失稳，这将导致部位体○a的流体流速下降、压力降低，而与区域○a相邻的区域压区○b为失稳高速区。

在低压区，例如船体后部，由于流体压力低，因此氧易聚集，这些部位氧的浓度较大；而高压区，例如船体前部，不利于氧的聚集，因而氧的浓度高一些，如图3(b)。

YOZ面的情况与上面的情况类似，也存在流体的失稳分离，也存在低压区和高压区。在船体侧后部分表面(如图2(b)中的○a部位)，由于流体压力低，因此易于氧的聚集，此处氧的浓度较大，如图3(b)。

2.2 腐蚀情况分析

根据式(11)计算了船体表面各处的氧的传质系数。首先需要计算Ccell,O2和dcell。Ccell,O2是和壁面接触的第1层单元中心点处的氧浓度，dcell为中心点与壁面的距离。由于腐蚀属于扩散控制机制，因此假设氧一经扩散到表面就立刻全部反应掉，故设Cwall,O2=0。据此可计算处船体表面各点的传质系数，结果见图3(a)。这是通过UDF实现的。求出Km,O2后，再根据式(13)计算出船体表面各点的腐蚀速度，如图3(b)。

图2 流场流速分析(0.3 m/s)Fig.2 Analysis of flow velocity in flow field (0.3 m/s)

由图3(b)可见，船体后部靠近中线处腐蚀速度较大，另外船体侧面接近船的尾部，腐蚀速度最大。这是因为这些部位所受到的流体压力较低，而氧易于聚集的缘故。

2.3 流速对腐蚀的影响

在FAC机制中，流速对腐蚀有重要影响，为了考察这一情况，将入口速度，分别提高到0.5 m/s和0.7 m/s，然后计算流速增大时表面的腐蚀情况。图4为流速为0.7 m/s时，速度分布云图。可以看出，它的分布和0.3 m/s时得到的云图很相似，只是速度有所增大。图5、图6为不同流速下，船体表面的压力和氧的分布云图。可见，随着流速的增大，船体表面受到的压力也增大，与此同时，离心效应更显著，因此在船体低压区，氧的浓度随流速的增大而变大，如图6所示。根据这些计算结果，再计算氧的传质系数进而计算不同流速下表面的腐蚀速度，结果见图7～9。

图3 流场压力分布对氧分布的影响Fig.3 Effect of pressure distribution on oxygen distribution in flow field

图4 船体表面传系数和腐蚀速度分布Fig.4 Distribution of surface transfer coefficient and corrosion velocity of ship

图5 流场流速分布云图(0.7 m/s)Fig.5 Cloud map of flow velocity distribution in flow field(0.7 m/s)

图6 不同流速下压力的分布Fig.6 Pressure distribution at different velocities

图7 不同流速下氧浓度分布Fig.7 Oxygen concentration distribution at different flow velocities

图8 不同流速下传质系数的分布Fig.8 Distribution of mass transfer coefficient at different flow velocities

图9 不同流速下腐蚀速度的分布Fig.9 Distribution of corrosion velocity at different flow velocities

文章来源：《腐蚀科学与防护技术》 网址: http://www.fskxyfhjszz.cn/qikandaodu/2021/0616/817.html