《Energy》：Assessment of Particle Parameters Effects on the Wear Behavior of Hydraulic Turbine Materials: Insight from CFD–DEM Coupling
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张chengji|孙longgang|孙shuaihui|王zhaoing|郭pengcheng中国西安工业大学干旱地区水利工程生态与环境国家重点实验室，西安，710048摘要在含沙水流中运行的水轮机极易受到侵蚀性磨损的影响，这会降低其安全性、效率和使用寿命。然而，大多数现有的预
张chengji|孙longgang|孙shuaihui|王zhaoing|郭pengcheng
中国西安工业大学干旱地区水利工程生态与环境国家重点实验室，西安，710048
摘要
在含沙水流中运行的水轮机极易受到侵蚀性磨损的影响，这会降低其安全性、效率和使用寿命。然而，大多数现有的预测方法都是在固定边界条件下评估磨损率的，无法捕捉磨损形态的渐进变化。为了解决这一限制，开发了一种结合计算流体动力学（CFD）和离散元方法（DEM）的模型，并通过实验对其进行了验证，用于研究含沙射流对水轮机基材材料的侵蚀作用。数值结果与实验得出的磨损深度分布和磨损剖面非常吻合。系统研究了颗粒浓度、粒度和形状对磨损演变的影响。在垂直射流冲击下，壁面磨损深度呈现出稳定的M形辐射分布，这受射流-壁面相互作用和停滞区域流动结构的影响。颗粒参数不会改变这一基本模式，但会显著影响磨损峰的位置、大小和范围。在所研究的范围内，累积体积损失与颗粒浓度近似呈线性关系；而颗粒尺寸则具有更强的非线性影响。当颗粒尺寸相对于基准值增加25%到50%时，累积体积损失增加了约8.4 mm3；当颗粒尺寸增加100%时，累积体积损失增加了约85.1 mm3。敏感性分析表明，颗粒的球形度对累积体积损失的影响最大，其次是颗粒尺寸和颗粒浓度。
引言
在全球向绿色和低碳能源系统转型的背景下，由于其可再生、清洁和高效率的特点，水力发电越来越被认为是确保能源安全和实现“双碳”目标的关键支柱[1]、[2]、[3]、[4]。从能量转换的角度来看，水轮机将水头相关的势能和动能转化为轴功率，然后由发电机转化为电能[5]、[6]、[7]。对于冲击式水轮机，可用水头在喷射器喷嘴中转化为高速自由射流的动能。射流对转轮叶片的冲击改变了角动量，从而产生扭矩和机械输出。因此，效率取决于射流动能通量转化为转轮做功的效率，以及射流发展过程中的不可逆损失、射流-叶片相互作用和近壁流动[8]。在富含沉积物的河流流域中，射流常常会将大量固体颗粒带入喷射和冲击区域[9]。在高速下，颗粒与喷嘴内壁、叶片表面和近壁剪切流强烈相互作用，导致水力磨损，并逐渐改变局部几何形状和边界条件[10]。这些变化进一步改变化射流特性、能量转换和长期运行可靠性。
为应对这一挑战，以往的研究已经探讨了磨损机制、易受损部件及其控制因素。沉积颗粒被广泛认为是导致转轮叶片和辅助部件磨损的主要原因；持续的侵蚀会降低效率，缩短大修间隔和部件寿命，并可能威胁到安全和稳定运行[11]、[12]。不同类型的水轮机在易受侵蚀的区域有所不同。对于冲击式水轮机，射流喷射系统中的侵蚀通常较为严重，部件可能会过早失效[13]。叶片开口、分流器和边缘区域也容易受到侵蚀，这里的磨损会改变射流特性并降低效率[14]。对于弗朗西斯式水轮机，局部侵蚀发生在导向叶片和转轮叶片上，特别是在转轮出口附近，这与相对速度的增加密切相关[15]、[16]。导向叶片的侵蚀还可能引发次级流动和马蹄形涡流，增加泄漏流量，进一步降低水力和机械效率[17]。总体而言，颗粒尺寸、硬度、浓度和形状，以及流速、材料特性和运行时间共同决定了侵蚀的严重程度[18]、[19]。也有研究表明空化作用与沉积物侵蚀之间存在显著的协同效应，两者共同造成的损害通常超过了单一机制造成的损害[20]、[21]。
由于磨损是累积性的，并伴随着壁面形态的持续演变，因此抗侵蚀设计需要准确预测磨损进程。传统的基于CFD的分析主要限于在固定边界条件下的静态磨损率计算，无法反映几何形状的演变或流动-边界的反馈[22]、[23]、[24]。结合动态网格技术的CFD可以实现磨损表面的实时更新，并能够捕捉磨损形态的演变和高磨损区域的迁移。这种方法已应用于典型的侵蚀工况（例如弯道）和其他流动部件，展示了几何形状和剪切场演变对磨损发展的影响[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。然而，大多数CFD-动态网格磨损预测依赖于离散相模型（DPM），在该模型中颗粒被视为没有体积或形状的点质量，难以表示颗粒间的碰撞和颗粒引起的流动反馈[31]。在沉积物含量较低的情况下，这种近似可能是可行的，但在沉积物负荷较高时，频繁的碰撞和局部流动的强烈扰动会显著降低预测能力。此外，侵蚀性磨损涉及强烈的多尺度、多物理场耦合；模型假设不可避免地引入了不确定性。同时，验证通常仍然是定性的（例如涂层可视化或直接观察），对磨损程度和磨损剖面的定量一致性检查仍然有限[32]、[33]、[34]、[35]。
为了提高物理逼真度，多物理场耦合方法受到了越来越多的关注。平滑粒子动力学（SPH）可以离散表示边界并捕捉损伤演变，SPH与有限元方法（FEM）/离散元方法（DEM）的结合已被应用于水射流破碎和侵蚀问题，以分析微观去除机制和能量耗散[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]。然而，SPH通常需要大量颗粒来处理复杂几何形状，并且计算成本较高。相比之下，离散元方法（DEM）可以明确解决颗粒接触、碰撞和聚集问题，已成为研究颗粒动力学的重要工具[44]、[45]、[46]。基于此能力，CFD-DEM耦合已在固液侵蚀磨损研究中得到广泛应用，有助于详细表征颗粒运动和易受侵蚀的区域[47]、[48]、[49]、[50]。值得注意的是，基于DEM的磨损建模在高效表示和更新渐进磨损场景中的连续演变壁面几何形状方面仍面临挑战。
总之，在工程应用中，成本、效率和精度之间存在权衡：实验虽然可靠但费用昂贵且耗时较长，而传统CFD难以捕捉边界演变和非稳态反馈。尽管边界更新和多物理场策略有所改进，但计算成本或应用限制仍然存在。相比之下，CFD-DEM耦合可以更准确地模拟含沙两相流中的颗粒轨迹、碰撞和能量传输，并可以与动态网格技术结合，以模拟磨损边界的动态响应。然而，系统地量化并统一解释颗粒属性（如形状、尺寸分布和浓度）如何控制磨损机制和基材损伤特性仍有待进一步研究。针对这一空白，本研究开发了一个综合框架，结合了CFD-DEM耦合、动态磨损边界更新和实验验证。我们系统评估了颗粒形状、颗粒尺寸和颗粒浓度对磨损分布和演变的影响，旨在建立一种适用于非稳态含沙条件的高精度磨损预测和评估方法，并为抗侵蚀设计优化和关键水轮机部件的使用寿命预测提供指导。
章节摘录
基于CFD–DEM的渐进磨损预测方法
本研究采用耦合的CFD–DEM方法来提高含沙射流冲击过程中侵蚀预测的准确性。该方法的核心在于准确表示沉积颗粒的不规则几何形状，并全面考虑颗粒-颗粒和颗粒-壁面的相互作用，这两种因素都对侵蚀性磨损特性的发展具有重要影响。
首先，CFD和DEM的控制方程是
高速射流侵蚀磨损试验装置
为了验证所提出数值方法的准确性，构建了一个高速射流冲击侵蚀试验系统。实验设置的示意图如图2所示，试验装置的照片见图3。该系统主要由混合系统、冷却系统、动力传输系统、侵蚀磨损试验室以及控制和监测系统组成。混合系统的设计确保了水和沉积物的均匀分布
数值结果的实验验证
为了验证数值模拟策略的可靠性，图11将实验中10分钟测试后平板的磨损形态与相应的数值模拟结果进行了比较。实验观察表明，在磨损的平板表面上形成了以中央峰为中心、周围环绕环形凹陷的坑状磨损形态。中央区域的磨损深度最小，而主要的材料损失发生在
结论
本研究采用了一种结合数值模拟和实验的方法，开发并验证了一个基于CFD–DEM的框架，用于预测含沙射流冲击下的颗粒诱导侵蚀磨损。通过比较磨损深度分布和磨损剖面，验证了该模型的有效性，然后利用该模型量化了颗粒浓度、颗粒尺寸和颗粒形状对磨损演变的影响。主要结论如下：
在垂直含沙射流条件下
CRediT作者贡献声明
孙longgang：撰写 – 审稿与编辑、监督、经费获取、正式分析、概念构思。张chengji：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、项目管理、方法论、数据整理、概念构思。王zhaoing：资源提供、方法论。孙shuaihui：监督、资源提供、经费获取、数据整理。郭pengcheng：初稿撰写、监督、经费获取、数据整理，
利益冲突声明
作者声明他们在本手稿的出版过程中没有利益冲突，且所有作者均同意发表该手稿。我代表我的合作者声明，所描述的工作是原创研究，尚未在其他地方以全部或部分形式发表。所有列出的作者均已批准了附件中的手稿。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：U2443226）、中国国家自然科学基金（项目编号：52576043、52479087）、中国博士后科学基金（项目编号：2024M750400）以及陕西省创新能力支持计划（项目编号：2024RS-CXTD-31）的资助。
