Обработка металлов

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫ
Print ISSN: 1994-6309    Online ISSN: 2541-819X
English | Русский

Последний выпуск
Том 26, № 3 Июль - Сентябрь 2024

Моделирование эрозионного износа титанового сплава высокоскоростным потоком частиц

Том 25, № 4 Октябрь - Декабрь 2023
Авторы:

Строкач Евгений Александрович,
Кожевников Глеб Денисович,
Пожидаев Алексей Алексеевич,
Добровольский Сергей Владимирович
DOI: http://dx.doi.org/10.17212/1994-6309-2023-25.4-268-283
Аннотация

Введение. Прогнозирование износа деталей твердыми частицами в газовом потоке и управление его интенсивностью требует построения полноценной методики моделирования. Это связано с проведением большого количества частных исследований чувствительности и влияния параметров моделей разных физических процессов и последующей верификации результатов. Целью работы являлась разработка такой методики для частного случая – нормального натекания высокоскоростного потока твердых частиц кварца с неравномерным распределением по размерам на поверхность образца из сплава Ti6Al4V с помощью CFD методов. Методы. Течение газа описывалось уравнениями Навье – Стокса, осредненными по Рейнольдсу, где частицы, согласно Эйлер-Лагранжевой постановке, представлялись математическими точками с соответствующими свойствами. В работе исследовалось влияние двух параметрических моделей турбулентности, k-epsilon standard и RNG k-epsilon, а также относительно новой модели GEKO и ее параметров. На примере Oka и DNV оценивалось влияние моделей эрозии на интегральную скорость эродирования. В ходе исследования был затронут вопрос влияния формы частиц на профиль износа и итоговую скорость эродирования. Результаты моделирования сравнивались со специально проведенным лабораторным экспериментом, который позволил определить профиль износа и скорость уноса материала (скорость эродирования). Результаты и обсуждение. Результаты показали, что ни расчетный профиль износа, ни расчетная скорость эродирования не зависят от рассмотренных моделей турбулентности и их настроек. Наоборот, расчетная скорость износа ожидаемо существенно зависит от выбора полуэмпирической модели эрозии и калибровки коэффициентов. Интересным оказалось влияние коэффициента формы на расчетную картину износа и итоговую расчетную скорость эродирования. При увеличении лобового сопротивления за счет изменения формы частиц снижалась скорость эрозии, а профиль износа перестраивался вслед за частицами к форме кратера, сходной с экспериментальной. Ожидается, что наблюдаемые результаты будут полезны не только для прогнозирования износа в деталях и механизмах различных видов техники, но и при управлении износом, режимами обработки поверхностей для дробеударного упрочнения и формообразования.


Ключевые слова: Эрозионный износ, численное моделирование, твердые частицы, Ansys FLUENT, Shape factor, Ti6Al4V, CFD, эродирование твердыми частицами, GEKO, эрозия сплава, модель турбулентности

Список литературы

1. Analysis of micro and nano particle erosion by analytical, numerical and experimental methods: A review / S.M. Shinde, D.M. Kawadekar, P.A. Patil, V.K. Bhojwani // Journal of Mechanical Science and Technology. – 2019. – Vol. 33 (5). – P. 2319–2329. – DOI: 10.1007.s12206-019-0431-x.



2. Computational fluid dynamics (CFD) based erosion prediction model in elbows / H.D. Hadziahmetovic, N. Hodzic, D. Kahrimanovic, E. Dzaferovic // Tehnicki vjesnik = Technical Gazette. – 2014. – Vol. 21 (2). – P. 275–282.



3. Sun K., Lu L., Jin H. Modeling and numerical analysis of the solid particle erosion in curved ducts // Abstract and Applied Analysis. – 2013. – Vol. 2013. – Art. 245074. – DOI: 10.1155/2013/245074.



4. Finnie I. Erosion of surfaces by solid particles // Wear. – 1960. – Vol. 3 (2). – P. 87–103. – DOI: 10.1016/0043-1648(60)90055-7.



5. Grant G., Ball R., Tabakoff W. An experimental study of the erosion rebound characteristics of high-speed particles impacting a stationary specimen: Report No. 73-36. – Cincinnati University Ohio, Department of Aerospace Engineering, 1973.



6. Bitter J.G.A. A study of erosion phenomena: Part I // Wear. – 1963. – Vol. 6 (1). – P. 5–21. – DOI: 10.1016/0043-1648(63)90003-6.



7. Bitter J.G.A. A study of erosion phenomena: Part II // Wear. – 1963. – Vol. 6 (3). – P. 169–190. – DOI: 10.1016/0043-1648(63)90073-5.



8. Строкач Е.А., Кожевников Г.Д., Пожидаев А.А. Численное моделирование процесса эродирования твердыми частицами в газовом потоке (обзор) // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. – 2021. – № 67. – С. 56–69. – DOI: 10.15593/2224-9982/2021.67.06.



9. Tarodiya R., Levy A. Surface erosion due to particle-surface interactions – A review // Powder Technology. – 2021. – Vol. 387. – P. 527–559. – DOI: 10.1016/j.powtec.2021.04.055.



10. Krella A. Resistance of PVD coatings to erosive and wear processes: A review // Coatings. – 2020. – Vol. 10. – P. 921. – DOI: 10.3390/coatings10100921.



11. Fardan A., Berndt C.C., Ahmed R. Numerical modelling of particle impact and residual stresses in cold sprayed coatings: A review // Surface and Coatings Technology. – 2021. – Vol. 409. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2021.126835.



12. Bonu V., Barshilia H.C. High-temperature solid particle erosion of aerospace components: its mitigation using advanced nanostructured coating technologies // Coatings. – 2022. – Vol. 12. – P. 1979. – DOI: 10.3390/coatings12121979.



13. Taherkhani B., Anaraki A.P., Kadkhodapour J. Erosion due to solid particle impact on the turbine blade: experiment and simulation / B. Taherkhani, A.P. Anaraki, J. Kadkhodapour, N.K. Farahani, H. Tu // Journal of Failure Analysis and Prevention. – 2019. – Vol. 19 (6). – P. 1739–1744. – DOI: 10.1007/s11668-019-00775-y.



14. Khoddami A.S., Salimi-Majd D., Mohammadi B. Finite element and experimental investigation of multiple solid particle erosion on Ti–6Al–4V titanium alloy coated by multilayer wear-resistant coating // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 372 (2). – P. 173–189. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.05.042.



15. Numerical modeling of sand particle erosion at return bends in gas-particle two-phase flow / A. Farokhipour, Z. Mansoori, M. Saffar-Avval, G. Ahmadi // Scientia Iranica. – 2018. – Vol. 25 (6). – P. 3231–3242. – DOI: 10.24200/sci.2018.50801.1871.



16. Numerical analysis of particle erosion in the rectifying plate system during shale gas extraction / S. Peng, Q. Chen, C. Shan, D. Wang // Energy Science & Engineering. – 2019. – Vol. 7 (5). – P. 1838–1851. – DOI: 10.1002/ese3.395.



17. Prediction of particle erosion in the internal cooling channels of a turbine blade / D. Anielli, D. Borello, F. Rispoli, A. Salvagni, P. Venturini // 11th European Turbomachinery Conference, 23 March 2015, Madrid, Spain. – Madrid, 2015. – P. 1–11.



18. Numerical study of erosion due to solid particles in steam turbine blades / A. Campos-Amezcua, Z. Mazur, A. Gallegos-Muñoz, A. Romero-Colmenero, J. Manuel Riesco-Ávila, J. Martín Medina-Flores // Numerical Heat Transfer, Part A: Applications. – 2008. – Vol. 53 (6). – P. 667–684. – DOI: 10.1080/10407780701453933.



19. Arabnejad H. Development of erosion equations for solid particle and liquid droplet impact. Ph.D. diss. / Department of Mechanical Engineering, The University of Tulsa. – Tulsa, 2015. – 161 p.



20. Mansouri A. A combined CFD-experimental method for developing an erosion equation for both gas-sand and liquid-sand flows. Ph.D. diss. / Department of Mechanical Engineering, The University of Tulsa. – Tulsa, 2016. – 217 p.



21. Effect of morphology, impact velocity and angle of the CaO-MgO-Al2O3-SiO2 (CMAS) particle on the erosion behavior of thermal barrier coatings (TBCs): a finite element simulation study / Y. Liu, Z. Cao, J. Yuan, X. Sun, H. Su, L. Wang // Coatings. – 2022. – Vol. 12 (5). – P. 576. – DOI: 10.3390/coatings12050576.



22. Finite element simulations on erosion and crack propagation in thermal barrier coatings / Z.S. Ma, L.H. Fu, L. Yang, Y.C. Zhou, C. Lu // High Temperature Materials and Processes. – 2015. – Vol. 34 (4). – P. 387–393. – DOI: 10.1515/htmp-2014-0068.



23. Finite element analysis of erosive wear for offshore structure / Z.G. Liu, S. Wan, V.B. Nguyen, Y.W. Zhang // 13th International Conference on Fracture, 16–21 June 2013, Beijing, China. – Beijing, China, 2013. – P. 461–468.



24. Oviedo F., Valarezo A. Residual stress in high-velocity impact coatings: parametric finite element analysis approach // Journal of Thermal Spray Technology. – 2020. – Vol. 29 (6). – P. 1268–1288. – DOI: 10.1007/s11666-020-01026-5.



25. Bing Wu, Fengfang Wu, Jinjie Li. Finite element modeling of correlating mechanical properties with erosion wear rate // Proceedings of the 2018 3rd International Conference on Electrical, Automation and Mechanical Engineering (EAME 2018), June 2018. – Atlantis press, 2018. – P. 273–276. – DOI: 10.2991/eame-18.2018.57.



26. Singh P.K., Hota A.R., Mishra S.B. Finite element modelling of erosion parameters in Bing boiler components // Asian Journal of Engineering and Applied Technology. – 2018. – Vol. 7 (2). – P. 12–16. – DOI: 10.51983/ajeat-2018.7.2.964.



27. Modeling, simulation, and analysis of the impact(s) of single angular-type particles on ductile surfaces using smoothed particle hydrodynamics / X. Dong, Z. Li, L. Feng, Z. Sun, C. Fan // Powder Technology. – 2017. – Vol. 318. – P. 363–382. – DOI: 10.1016/j.powtec.2017.06.011.



28. FVPM numerical simulation of the effect of particle shape and elasticity on impact erosion / S. Leguizamón, E. Jahanbakhsh, S. Alimirzazadeh, A. Maertens, F. Avellan // Wear. – 2019. – Vol. 430–431. – P. 108–119. – DOI: 10.1016/j.wear.2019.04.023.



29. Menter F., Lechner R., Matyushenko A. Best practice: generalized K-Ω two-equation turbulence model in ANSYS CFD (GEKO): Technical Report ANSYS. – Nurnberg, Germany, 2019. – 32 p.



30. ANSYS Fluent Theory Guide. – Canonsburg, PA: ANSYS Inc, 2019. – 1080 p.



31. Menter F., Matyushenko A., Lechner R. Development of a generalized K-ω two-equation turbulence model // Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design. – 2018. – Vol. 142. – P. 101–109. – DOI: 10.1007/978-3-030-25253-3_10.



32. Simulation of a GOx-gch4 rocket combustor and the effect of the GEKO turbulence model coefficients / E. Strokach, V. Zhukov, I. Borovik, A. Sternin, O.J. Haidn // Aerospace. – 2021. – Vol. 8 (11). – P. 341. – DOI: 10.3390/aerospace8110341.



33. Pozhidaev A., Kozhevnikov G., Strokach E. Numerical study of turbulence model effect on solid particle erosion in gaseous flow // AIP Conference Proceedings. – 2023. – Vol. 2549 (1). – P. 030003. – DOI: 10.1063/5.0130489.



34. The impact angle dependence of erosion damage caused by solid particle impact / Y.I. Oka, H. Ohnogi, T. Hosokawa, M. Matsumura // Wear. – 1997. – Vol. 203–204. – P. 573–579. – DOI: 10.1016/s0043-1648(96)07430-3.



35. Sand erosion of wear resistant materials: Erosion in choke valves / K. Haugen, O. Kvernvold, A. Ronold, R. Sandberg // Wear. – 1995. – Vol. 186–187. – P. 179–188. – DOI: 10.1016/0043-1648(95)07158-X.



36. The role of inter-particle collisions on elbow erosion / C.A. Duarte Ribeiro, F. Souza, R. Salvo, V. Santos // International Journal of Multiphase Flow. – 2016. – Vol. 89. – P. 1–22. – DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.10.001.



37. Recommended practice RP O501 Erosive wear in piping systems. Revision 4.2-2007 (DNV RP O501 – Revision 4.2-2007). – Det Norske Veritas, 2007. – 43 p.



38. Haider A., Levenspiel O. Drag coefficient and terminal velocity of spherical and nonspherical particles // Powder Technology. – 1989. – Vol. 58 (1). – P. 63–70. – DOI: 10.1016/0032-5910(89)80008-7.



39. Morsi S.A., Alexander A.J. An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems // Journal of Fluid Mechanics. – 1972. – Vol. 55, pt. 2. – P. 193–208. – DOI: 10.1017/s0022112072001806.



40. ImageJ. Image Processing and Analysis in Java. – URL: https://imagej.net/ij/index.html (accessed: 31.10.2023).

Благодарности. Финансирование

Финансирование:

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России, тема FSFF-2023-0006.

 

Благодарности:

Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034).

Для цитирования:

Моделирование эрозионного износа титанового сплава высокоскоростным потоком частиц / Е.А. Строкач, Г.Д. Кожевников, А.А. Пожидаев, С.В. Добровольский // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 268–283. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-268-283.

For citation:

Strokach E.A., Kozhevnikov G.D., Pozhidaev A.A., Dobrovolsky S.V. Numerical study of titanium alloy high-velocity solid particle erosion. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2023, vol. 25, no. 4, pp. 268–283. DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-268-283. (In Russian).

Просмотров: 711