Forschung zu hochdynamischer Partikelerosion und Rohrlebensdauer auf der Grundlage einer gekoppelten thermisch-fluid-mechanischen Methode

Zusammenfassung Die Rohrerosion, die die Lebensdauer und die ballistischen Eigenschaften kritisch begrenzt, beinhaltet komplexe thermo-mechanische Wechselwirkungen. Diese Studie untersucht den bisher wenig erforschten Erosionsmechanismus, der durch einen hochdynamischen Gas-Teilchenfluss und unverbrannte Treibmittelpartikel induziert wird. Wir schlagen ein verbessertes Erosionsmodell für Zweiphasenströmungen (TPFE) vor, indem wir die Inn ballistische Theorie mit der transitorischen radialen Wärmeübertragungs-Gleichung des Rohrs und etablierten Erosionsmodellen integrieren. Diese gekoppelte thermisch-fluid-mechanische Methode ermöglicht eine quantitative Vorhersage des Abnutzungsgrades aus den Wechselwirkungen zwischen Partikeln und Wand unter extremen thermischen und mechanischen Lasten. Simulationen zeigen, dass die Schwere der Erosion hauptsächlich von der Partikelaufprallgeschwindigkeit und dem Winkel, der Masse der Treibladung und der Verbrennungsrate bestimmt wird. Eine erhöhte Treibladung verschärft die Erosion, indem sie die Kollisionshäufigkeit und die kinetische Energie erhöht, während schnellere Verbrennungsraten den Verschleiß verringern, indem sie die Verweildauer der Partikel reduzieren. Entscheidend ist, dass die thermische Erweichung, die durch die transitorische Wärmeübertragung verursacht wird, die Materialhärte erheblich verringert, was das Erosionsverhältnis signifikant erhöht. Darüber hinaus wird die Erosionstiefe bei geringeren Aufprallwinkeln minimiert, was praktische Entwurfsstrategien zur Verringerung des Verschleißes vorschlägt.