船体在海水中流动加速腐蚀数值分析

海洋中行驶的船只时刻受到海水的腐蚀，但相比于静态条件(船和海水的相对速度为零)，动态条件下海水对船体的腐蚀速度要大得多、腐蚀机制也复杂得多，这种机制被称为流动加速腐蚀(accelerated flow corrosion， FAC)。这一机制包含2层含义：1)在流体的冲刷下，对材料表面起腐蚀防护作用的氧化膜或其他类型的保护膜会加速溶解而变薄(尤其海水中含有氯离子的情况下)，从而导致腐蚀加速(机制一)；2)处于流动状态下的海水会大大加快氧化剂的输运，从而加速电化学反应，导致腐蚀速度加快，这一机制是基于扩散传质控制(机制二)。海洋中行驶的船只，船体和海水之间存在相对速度，若将海水视为静止，则船体的运动将带动周围海水流动，在船体周围一定范围的水域内形成一个流场，流场中的流速、压力分布很不均匀，导致氧的分布也很不均匀。海水中的氧是一种强去极化剂，它对船体表面有很强的腐蚀作用。由于氧是阴极反应的参与者，因此它的分布与扩散对船体的腐蚀有很大的影响。一般来说腐蚀反应放电步骤速度很快，因此腐蚀速度主要取决于氧的扩散速度，属于扩散传质控制。

船体周围的流场主体区域为湍流，流体剧烈掺混；而在船体表面，由于其粘附作而存在一个很薄的边界层，层内流体的流动仍受粘性影响属于层流。湍流区的氧由于流体的剧烈的掺混作用，其浓度分布可看做是均匀的；而边界层中的氧由于不断参与表面电化学反应而消耗，因此有一个浓度梯度：表面处的氧浓度最低，随着离壁面距离的增大，浓度逐渐升高最终达到湍流主体区域的浓度。在浓度梯度的驱动下，层流与湍流交界之处的氧不断向表面扩散以补充氧的消耗。由于这一扩散是通过边界层进行的，因此边界层的厚薄就决定了浓度梯度(或扩散驱动力)的大小。当海水流速增大时，边界层会变薄，梯度变大，因而氧的扩散加速，这样表面的腐蚀速度就会加快。

目前对FAC的研究很多，但大部分集中在管道方面,且以机制一居多[1-5]，少部分学者将研究重点放到机制二[6-8]。关于船体腐蚀的研究多有报道，然而关于船体整体FAC研究，国际上仍是空白，这主要是因为实验的研究难度很大，导致此类文献稀缺。

本文基于CFD方法，首先计算动态条件下船体周围的流场，得到流速、压力分布等，然后以此为基础建立了扩散控制的腐蚀模型[9]，最后计算得到了表面各的腐蚀速度。

1 模型描述

为了揭示氧扩散控制下的腐蚀机制，首先必须得到流场信息。本研究中流动属于单相流，因此控制方程采用 Navier-Stokes方程，它包括流体连续性方程和动量守恒方程：

式中：ρ为流体密度，kg/m3；u为流场速度矢量，m/s；τ为流体剪切力，N/m2。

1.1 湍流模型

海水的流动属于湍流。目前关于湍流的模型很多，例如：零方程模型、两方程模型以及雷诺应力模型和大涡模拟模型等[10]。本文选择RNGκ-ε模型。RNGκ-ε模型是标准κ-ε模型的改进型。标准κ-ε模是由Launder-Spalding 提出[11]，基于Boussinesq假设的两方程模型:

式中：为湍流粘度；Gκ代表由平均速度场梯度产生的湍动能；其余常数见表1。

表1 湍流模型常数Table 1 Turbulence model constants模型常数CμσκσεC1εC2ε标准κ-ε模型 κ-ε模型

RNGκ-ε模型是由Yakhot 和Osrszag采用严格的统计方法导出的模型[12]，方程在形式上和标准κ-ε模型很相似，不同之处是在涡流粘性方程里增加一项,用以提高应变流的计算精度。本文要研究的是船体表面附近氧的传质过程，而氧的传质是通过边界层实现的，在边界层内粘性力占主导地位，属于低雷诺数粘性流，流体速度梯度很大，而边界层外的湍流区由于流体掺混剧烈，因而速度梯度不大。因此所选的湍流模型必须能够反映上述特点。RNGκ-ε模型能够提出一个解析方程，该方程考虑了低雷诺数的粘性流，能够准确地描述壁面附近的速度分布，正符合计算的需要，因此本文选择这一模型。采用这一模型的时候，为了能精确地计算出壁面附近层流层的速度分布，对壁面附近网格有很高的要求，即要求壁面的第1层网格高度为y+≈1。

1.2 腐蚀模型

海水是一种强电解质，当海水中存在氧的时候，氧和船体的钢铁表面接触后，将发生如下电化学反应：

其中氧的扩散为整个反应的控制步骤。船体表面处的氧因电化学反应而不断消耗，本体溶液中的氧则不断扩散进来，以补充消耗，其流动通量为：

式中：Km,O2为氧的传质系数；Cb,O2为流体本体的氧浓度， m3/m3；Cwall,O2为壁面附近氧的浓度，m3/m3；

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