A modelling framework for slurry erosion prediction through computational fluid dynamics simulations

Solid particle erosion is the physical process of material removal from a target surface caused by the mechanical interaction, typically in the form of collisions, with solid particles transported by a fluid. The term "slurry erosion" is often used when the carrier medium is a liquid, and this is definitely a serious concern in several applications involving pipeline system and hydraulic devices, as it is the cause of high economic costs due to performance deterioration and even sometimes, structural failure. Though extensive investigations on solid particle erosion in the past decades allow much better understandings on material removal mechanisms, it is still a challenge to provide a priori estimates of the wear resistance of plants and devices working in a slurry environment, which is essential for optimized design and scheduled maintenance. Laboratory testing of prototypes in studying slurry erosion comes with issues in terms of high economic costs, technical difficulties for accurate measurements, and scale-up of the laboratory data. Thanks to the advances in computational power, a rapid development in slurry erosion studies based on computer simulations has been witnessed in recent years. However, also this approach is not free from challenges, owing to the multi-physics and multi-scale nature of the slurry erosion process. In a well-established methodology for the numerical simulation of slurry erosion, the transport of the solids is modelled using Computational Fluid Dynamics (CFD) models on the basis of the Eulerian-Lagrangian approach, and then erosion predictions can be made from converting the CFD-computed particles impact characteristics to the estimates of material removal. Several sources of uncertainty come into play in the simulation framework, reducing the confidence in erosive wear estimation. Probably, the most critical issue is the evaluation of material removal from the output of the Eulerian-Lagrangian model, which is the core of this thesis. Particularly, a method has been developed, starting from previous published literature, which allows producing an erosion model by combining numerical and experimental results for a given benchmark case. This approach, here called SAER (Surface profile Aided ERosion prediction), has been tested against alternative cases and turned to be quite effective for erosion predictions. Then, an existing SAER-based method has been improved in relation with two other important sources of uncertainty, which are the effects of particle size and particle shape. In specific, a new modelling framework has been proposed, where the two effects are accounted for at both stages of particle transport and material removal. Data from in-house experiments and published literature, referring to slurry abrasive jet impingement tests, were used for developing and validating the modelling framework, which improves the accuracy of slurry erosion predictions and thus represents an advancement over the state-of-the-art.

L’erosione da impatto è il processo fisico di rimozione del materiale da una superficie target causato dall'interazione meccanica, tipicamente sotto forma di collisioni, con particelle solide trasportate da un fluido. Quando il fluido vettore è un liquido si parla di erosione “slurry”. Questo è un problema molto significativo in diverse applicazioni che coinvolgo sistemi di condotte e dispositivi idraulici, in quanto l’usura provocata dalle particelle provoca un deterioramento delle prestazioni idrauliche e meccaniche fino ad arrivare, in casi estremi, ad un cedimento strutturale. Sebbene la ricerca condotta negli ultimi decenni abbia consentito una comprensione approfondita dei meccanismi di rimozione del materiale, riuscire a stimare la vita utile di impianti e dispositivi soggetti ad erosione è un problema tuttora irrisolto. Test sperimentali di erosione alla scala di laboratorio hanno costi economici molto elevati e presentano difficoltà tecniche nel controllo delle condizioni di prova e nella misura accurata della perdita di massa prodotta dall’erosione, oltre che a notevoli incertezze nelle procedure di upscaling. Grazie ai recenti progressi informatici, negli ultimi anni si è assistito ad un aumento nell’utilizzo della simulazione numerica come strumento per la predizione dell’erosione da impatto. Tuttavia, sono molti i problemi ancora aperti, a causa della complessità dei fenomeni fisici coinvolti nel processo erosivo e della loro natura multi-fisica e multi-scala. Secondo una metodologia ben consolidata, per predire l’erosione dapprima viene simulata la fluidodinamica del sistema bifase liquido-particelle mediante modelli di fluidodinamica computazionale (CFD) basati sull'approccio euleriano-lagrangiano, quindi viene utilizzato un modello di erosione che converte le caratteristiche di impatto delle particelle contro le pareti solide in stime di materiale rimosso. Questo processo di simulazione è soggetto a molti fattori di incertezza, che riducono l’affidabilità delle stime di erosione. Probabilmente, l’elemento più critico è il modello di erosione, che rappresenta il fulcro di questa tesi. A partire da precedenti risultati di letteratura, è stato proposto un metodo che consente di produrre un modello di erosione combinando risultati numerici e sperimentali per lo stesso caso benchmark di riferimento. Questo approccio, qui chiamato SAER (Surface profile Aided ERosion forecast), è stato validato con successo per diverse condizioni di flusso. Successivamente, lo schema SAER è stato migliorato in relazione a due altri fattori di incertezza significativi, ovverosia come tener conto della dimensione delle particelle nella fase di impatto e come considerare l’effetto della forma delle particelle stesse. È stato dunque dunque proposto un impianto integrato di simulazione che, alla luce di evidenze sperimentali già riportate in letteratura e di altri test eseguiti ad hoc, si è dimostrato uno strumento ingegneristico molto utile, che rappresenta un avanzamento rispetto allo stato dell’arte.