CN104334890B - 侵蚀预测方法以及侵蚀预测系统、用于该预测的侵蚀特性数据库及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供侵蚀预测方法以及侵蚀预测系统、用于该预测的侵蚀特性数据库及其构建方法，用于无需模拟机、实机的运转而在短时间内对流体机械等构造物的遍布大范围的侵蚀量进行预测。由流体机械表面的空穴引起的侵蚀的预测方法，根据由所述流体机械形成的流路上的使用空穴CFD法所得到的空穴流动场特性，计算在所述流体机械表面的各部位的侵蚀强度分布，并基于所述侵蚀强度分布，决定用于假想具有多孔质的表面性状的侵蚀面的代表球的半径分布、中心位置分布以及代表球的形状变形次数，将作为预测的对象的流体机械表面决定为近似侵蚀面，并基于所述代表球的半径分布、中心位置以及代表球的形状变形次数，计算所述近似侵蚀面的变形后的形状。

Description

侵蚀预测方法以及侵蚀预测系统、用于该预测的侵蚀特性数 据库及其构建方法

技术领域

本发明是侵蚀预测方法以及侵蚀预测系统、用于该预测的侵蚀特性数据库及其构建方法，特别是涉及用于在短时间内对流体中的流体机械、管道、其他构造物中产生的气蚀进行预测的侵蚀预测方法以及侵蚀预测系统、用于该预测的侵蚀特性数据库及其构建方法。

背景技术

流体中的流体机械、管道、其他构造物的表面，因气蚀、腐蚀、固体粒子的碰撞等各种现象而损伤。由此，无法维持希望的流体性能，或者作为构造物的强度降低。针对这种现象，确立通过预测来对损伤的发展进行预测的技术是很大的课题。其中，在本申请中，特别着眼于气蚀的预测。

气蚀是指在流体机械等的流路的低压部产生空穴，并且当其在下游消失时产生冲击压，从而浸蚀流体机械等的表面的现象。由于气蚀的发展如上述那样，引起流体机械等构造物的强度降低、流体机械的效率降低，因此对气蚀进行预测是极其重要的。关于气蚀，提出了一部分基于CFD(计算流体力学Computational Fluid Dynamics)法的、无变形的阶段中的表面侵蚀危险度的预测、材料表面的比较微小规模的损伤的理论模型的构建。在图10中示出实际发生了侵蚀的泵壳的照片，图10(A)表示泵壳的整体，图10(B)是图10(A)中用箭头表示的侵蚀显著发展的部位。

作为公开空穴的侵蚀量的预测方法的相关技术，提出了使用软质金属的技术(参照专利文献1)。

该预测方法如下：

1)预测模型流体机械或者实机流体机械中气蚀的发生位置，

2)由软质金属构成发生位置，

3)使流体机械运转而使软质金属的表面产生侵蚀，

4)由计量单元计量侵蚀的变形量，

5)基于变形量来计算该变形量的时间变化亦即变形速度，

6)使用变形速度与空穴强度的关系的数据库来计算空穴强度，

7)基于该空穴强度，预测空穴的侵蚀量。

另外，也提出有将振动、噪声等作为侵蚀量、侵蚀危险度的指标的技术(参照专利文献2)。

专利文献1：日本特开2007-327455号

专利文献2：日本特开平11-37979号

然而，在上述相关技术所涉及的发明中，存在以下那样各种各样的问题。存在以下方面等：1)需要实际制作泵，2)若将涂料的剥离作为指标，则在每次改变运转条件时，需要重新进行实验，3)在粘贴软质金属的情况下，双面胶等的粘贴方法有可能产生影响，4)在发生了气蚀的情况下，虽然泵的性能发生变化，但未考虑其影响。

发明内容

本发明是鉴于上述各种问题而提出的，目的在于，提供一种用于无需模拟机、实机的运转而在短时间内对流体机械等构造物的遍布大范围的侵蚀量进行预测的侵蚀特性数据库及其构建方法、使用该数据库的侵蚀预测方法以及侵蚀预测系统。

鉴于上述目的，在本申请发明中，提供一种预测由空穴产生的流体机械的侵蚀的侵蚀预测方法，该侵蚀预测方法采用如下构成，即：根据对由所述流体机械形成的流路使用空穴CFD法所得到的空穴流动场特性，计算所述流体机械的各部位的侵蚀强度分布，基于所述侵蚀强度分布，将流体机械的侵蚀后的表面计算为近似侵蚀面，对包含计算出的近似侵蚀面在内的流路使用空穴CFD法，再次计算所述流体机械的各部位的侵蚀强度分布，基于所述再次计算出的侵蚀强度分布，再次计算所述近似侵蚀面的变形后的形状。

另外，所述近似侵蚀面的计算采用如下构成，即，基于所述侵蚀强度分布，来决定用于假想特别是在金属材料中具有可被显著观察到的多孔质的表面性状的侵蚀面，将表面近似作为多个球面的集合体，并以该球面为代表的球(以下，称为代表球)的半径分布、中心位置分布以及代表球的形状变形次数，并且基于决定出的与所述代表球相关的信息，计算所述近似侵蚀面的变形后的形状。

另外，采用如下构成，即：基于所述侵蚀强度分布，进一步计算所述流体机械表面所产生的侵蚀深度分布，并且也利用该侵蚀深度分布来计算所述球面的近似侵蚀面的变形后的形状。

采用如下构成，即：在计算所述侵蚀强度分布前，根据使用空穴CFD法所得到的空穴流动场特性，计算对于无侵蚀的所述流体机械的初始形状的各部位的侵蚀强度分布，基于所述侵蚀强度分布，来改变用于假想侵蚀初期的潜伏期的微小变形作用的、所述流体机械表面的各部位的表面粗糙度，再次利用空穴CFD法来计算相对于初始形状的侵蚀强度分布，基于计算出的所述侵蚀强度分布来进行侵蚀预测。

另外，采用如下构成，即：在计算所述侵蚀强度分布前，通过实际的运转，测量已经产生侵蚀的所述流体机械的形状，基于其测量结果，对包含已经产生的侵蚀面在内的流路使用空穴CFD法，计算对于所述流体机械的包含侵蚀的形状的侵蚀强度分布，基于计算出的侵蚀强度分布来进行侵蚀预测。

另外，本发明提供一种侵蚀预测系统，用于执行上述侵蚀预测方法，采用如下构成，即：具备：具有存储单元以及CPU的计算机、向计算机输入信息的输入单元、以及显示由计算机计算出的结果的显示单元，在所述存储单元中存储有用于执行所述侵蚀预测方法的侵蚀预测程序，所述CPU从所述存储单元读出侵蚀预测程序，并基于由输入单元输入的流体机械的形状数据和材料信息，计算侵蚀后的流体机械的预测形状，并将与该预测形状相关的信息显示于所述显示单元。

另外，采用如下构成，即：所述CPU计算流体机械伴随时间的经过的形状变化，并以动画的方式将该形状变化显示于所述显示单元。

另外，本发明提供一种侵蚀特性数据库，是流体机械所使用的材料的侵蚀特性的数据库，采用如下构成，即：包含与材料名、材料特性以及规定的侵蚀强度相对的侵蚀特性的信息，所述侵蚀特性包含侵蚀体积、侵蚀深度、侵蚀深度分布、侵蚀面的表面性状，所述表面性状是流体机械的表面粗糙度或者表面形状图案。

另外，采用如下构成，即：与所述侵蚀特性相关的信息是伴随时间的经过的不同时刻的至少两组信息。

另外，采用如下构成，即：在实施所述空穴CFD时，利用上述侵蚀特性数据库的信息。

并且，采用如下构成，即：在所述存储单元中存储有上述侵蚀特性数据库的信息，并且在侵蚀预测中利用该数据库的信息。

附图说明

图1是表示实测侵蚀深度分布与计算侵蚀强度分布的关系的图。

图2是表示侵蚀特性数据库的一个例子的表。

图3是表示构建侵蚀特性数据库的顺序的图。

图4是侵蚀预测过程的流程图。

图5是说明使用代表球的近似侵蚀面的变化的图，图5(A)表示初始形状，图5(B)～(G)分别表示试行次数1000、2000、3000、4000、5000、6000次的近似侵蚀面，图5(H)表示图5(G)的H-H线的剖视图。

图6是表示利用半径相同的代表球，将包含使正弦曲线旋转而制成的初始凹陷在内的立方体实心模型的上表面整体挖除6000次后的状况的图，图6(A)是整体立体图，图6(B)是图6(A)的B-B线的剖视图。

图7是说明在立方体实心模型上制作用正弦曲线表现的具有多个槽的初始凹陷、并使用代表球的近似侵蚀面的变化的图，图7(A)表示初始形状，图7(B)～图7(G)分别表示试行次数1000、2000、3000、4000、5000、6000次的近似侵蚀面，图7(H)是改变图7(G)的视点后的立体图。

图8是表示用相同半径的球，将立方体实心模型上表面挖除10000次后的状况的、在中央截面切断的剖视图，图8(A)表示初始形状，图8(B)～图8(G)分别表示试行次数1000、2000、3000、8000、9000、10000次的近似侵蚀面。

图9是表示通过流体侧与材料侧的联合解析而求出由砂粒造成的流体机械(涡轮翼面)的表面的损伤的结果的图，图9(A)是前缘附近，图9(B)是正压面，图9(C)是负压面。

图10是表示发生了侵蚀的流体机械的照片，图9(A)表示泵壳的整体，图9(B)是表示图9(A)的箭头附近的表面的放大照片。

具体实施方式

在本申请发明中，将用CFD法对由空穴引起的侵蚀进行解析作为特征之一。因此，首先分别概述空穴、侵蚀、CFD法。

空穴是指在液体的流动中压力变得比饱和蒸气压低时，液体以存在于液体中的非常微小的气泡核为核而沸腾、或因溶解气体的游离而产生大量小气泡的现象。成为本申请所瞩目的侵蚀、或泵供水系统的振动、噪声、扬程降低、发生于船舶的螺旋推进器的情况下使推进力降低等问题的原因。

接下来，侵蚀是指在由上述空穴产生的气泡破裂时，导致损伤构造物的表面的现象。在气泡破裂时，产生数百MPa以上的冲击力、微射流。因此若气泡在构造物的表面附近破裂，则因其冲击力、微射流会使构造物的壁面变形，或使构造物的材料从表面缺损。若侵蚀进一步发展，则会在构造物开孔，或使构造物的一部分脱落。这样，侵蚀对流体机械来说是重大问题。

此外，CFD法是指数值流体力学(Computational Fluid Dynamics)，是通过由计算机解出与流体的运动相关的方程式，并观察流动的数值解析、预测手法。作为顺序按照如下的步骤进行计算：1)模型数据制作，2)生成网格，3)解析。具体而言，在模型数据制作步骤中，制作将对象物体的形状再现的3D或者2D模型。大多在设计上使用CAD，并应用其数据。对于网格生成步骤，为了在数值流体力学中离散地处理空间，需要将物体形状以及周围的空间离散化，一般用网格(也称为格网或者网孔)来表现。在生成网格时，存在使用四面体的非构造网格法、使用立方体的正交网格法等各种手法。在解析步骤中，使用计算机求出每个网格的流动方程式的近似解。作为计算的结果，求出各个网格的压力、流速、密度等。

接下来，对本申请发明的一个实施方式的侵蚀特性数据库及其构建方法、使用该数据库的侵蚀预测方法以及侵蚀预测系统进行说明。

侵蚀特性数据库的构建

在侵蚀预测之前，需要构建各种材料的侵蚀特性数据库。这是因为，即使空穴的强度相同，侵蚀特性也因构造物的材料的不同而不同。

为了调查材料与侵蚀特性的关系，使磁致伸缩式试验、射流式试验标准化。磁致伸缩式试验是将试件沉入流体中，对该试件本身施加超声波振动，使试件的表面产生空穴的手法。在经过规定的运转时间后，计量试件的变化，并调查材料的侵蚀特性。另外，也存在不使试件本身振动，而利用与试件对置地设置的超声波振动器，使试件上产生气泡，并利用该气泡对试件产生侵蚀的情况。

另外，也存在利用空穴射流进行的试验。这是向水中喷射高速的水射流，并利用在射流的周围产生的空穴来进行试验的方法。能够实现考虑了流体的流速、静压、空穴系数的试验。此外，也存在使用文丘里管的试验方法。这是使流体在文丘里管的内部高速地流动而产生空穴，并在该空穴产生区域设置试件来进行的试验。与利用射流进行的试验同样，能够实现考虑了空穴系数、流速、静压等的试验。此外，能够采用如下的试验方法：在设置于流路的水翼的翼面上设置试件，并利用在水翼上产生的空穴而使试件产生侵蚀的试验方法；或者制作与实机类似的泵、水轮机、螺旋桨，并在它们的表面设置试件或使泵、水轮机、螺旋桨的表面本身侵蚀的试验方法。

通过上述那样的试验，使试件的表面发生侵蚀，并精密地计量空穴强度和试件的时间变化，从而构建数据库。具体而言，使用上述那样的各种标准侵蚀发生装置，对每个重要的材料取得基于空穴CFD得到的空穴强度与侵蚀的相关数据。作为侵蚀特性的数据，不仅取得每个重要的材料的侵蚀体积、平均侵蚀深度，也取得侵蚀深度分布以及侵蚀面的表面性状(表面粗糙度、表面形状图案)，还取得它们的经过时间的数据(多次中断侵蚀试验，分别在中断时取得侵蚀形状)。在形状的计量中可以使用3D激光扫描仪、印模材料。关于空穴CFD，是根据表面侵蚀的发展，多次实施考虑了由侵蚀引起的形状变化的解析(与取得上述侵蚀数据时对应)。假定上述多次实施的侵蚀面形状数据的变化(差量)与每次计算所得到的气蚀强度相互对应，并构建数据库。试验方法虽然也能够实施上述任一方法，但是若考虑实施现有的空穴CFD的容易程度，则优选应用文丘里管、水翼、以及类似于实机的泵、水轮机、螺旋桨。

将上述数据库整理为由计算得到的气蚀强度分布、侵蚀发展速度分布、以及表面性状的变化分布。具体而言，在每个材料中，使基于空穴CFD得到的侵蚀强度与侵蚀发展速度(取大致相对于侵蚀面垂直的方向的速度)近似函数化。另外，关于表面性状，形成三维数据的数据库。另外，众所周知，在潜伏期内虽然不发生体积减少，但是会有被称为凹坑的微小的凹陷增加的现象。对于该凹坑的数量密度、形状也优选数据库化。另外，作为其结果，作于表面粗糙度的变化也优选数据库化。

图1是水翼的例子，是表示实测出的侵蚀面形状与计算出的侵蚀强度分布的关系的图。分别是时刻T₁～T₄的各部位的侵蚀面形状、和T₁～T₄时刻的还考虑了侵蚀产生的变形的水翼形状的由CFD计算出的侵蚀强度分布的曲线图。侵蚀面形状考虑为表面的局部平均的侵蚀深度分布与局部的性状(多孔质表面的三维粗糙度分布)的组合，将侵蚀深度分布的局部的差量除以经过时间后得到的量，定义为侵蚀发展速度。使其与各时刻的侵蚀强度分布建立关联。作为差量的方法，任意选择单侧差量、中心差量等计算方法。关于建立关联，虽是任意的，但是用多项式进行近似、通过最小二乘法等来确定系数比较简便。作为一个例子，对简单的单侧差量的例子进行说明。将从时刻T₁到T₂之间的侵蚀的发展看作与时刻T₁的针对时刻的形状计算出的侵蚀强度分布对应，从T₂时刻的侵蚀深度分布减去T₁时刻的侵蚀深度分布，将它们的差量的侵蚀深度分布除以ΔT₂₁＝T₂-T₁。若该侵蚀速度分布与侵蚀强度分布形状为曲线而很一致，则例如能够假定为一次函数，并能够求出其比例系数。同样，将从时刻T₂到T₃之间的侵蚀的发展看作与时刻T₂的针对时刻的形状计算出的侵蚀强度分布对应，从T₃时刻的侵蚀深度分布减去T₂时刻的侵蚀深度分布，将它们的差量的侵蚀深度分布除以ΔT₃₂＝T₃-T₂。使其与相对于T₂时刻的形状的侵蚀强度分布建立关联。进而，将从时刻T₃到T₄之间的侵蚀的发展看作与时刻T₃的针对时刻的形状计算出的侵蚀强度分布对应，以下，反复进行任意步骤数的关联。利用上述多次的关联，能够高精度地求出将侵蚀强度分布作为输入而求出侵蚀速度的近似函数。另外，与其相配合地，使计算出的侵蚀强度、侵蚀深度分布、流体条件、以及材料条件等与侵蚀面局部的性状关系数据库化。由此，能够通过计算对发展的侵蚀面预测侵蚀深度的变化和表面性状的变化。

在图2中示出各种材料的侵蚀特性数据库的一个例子。另外，在构建数据库时，无需对能够利用的全部材料进行试验。这是因为，能够基于材料的特性(例如，拉伸强度、硬度等)，根据试验过的材料的数据，以某种程度的精度，对拉伸强度、硬度的值相近的材料推测侵蚀特性。另外，也能够从基于磁致伸缩式试验装置、射流式试验装置得到的现有的侵蚀数据、与基于它的各材料之间的耐气蚀性的相对比较来进行推定。

图3是用于对构建侵蚀特性数据库的阶段进行说明的示意图。在此，对使用实际的水翼的标准空穴发生装置所执行的某种材料的侵蚀试验进行了记载。首先，使用三维(3D)CAD数据、实测数据等取得试验对象物的初始形状。另外，预先通过实测对表面性状进行计量。

接下来，利用空穴发生装置来实际产生空穴，并将试验对象物配置在空穴产生区域。由此，开始用于数据库构建的试验。此时，表面粗糙度对侵蚀特性产生影响。因此，考虑预先实地测量出的表面粗糙度来实施CFD。由此，计算从试验开始到潜伏期结束(T＝T₁经过时间)的侵蚀强度分布。

在潜伏期结束时刻暂时停止试验，并测量试验对象物的表面形状。作为计量的内容，有凹坑数、凹坑形状、表面粗糙度分布等。然后，考虑所得到的表面形状，实施CFD。由此，计算从潜伏期结束移至侵蚀期时的侵蚀强度分布。此时，对于侵蚀强度分布而言，由于还考虑了表面形状，所以能够计算更接近实际的侵蚀现象的侵蚀强度分布。

之后，再次将试验对象物设置于空穴发生装置，使其产生空穴。在过了潜伏期后，在试验对象物的表面产生侵蚀。然后，在从试验开始到T＝T₂经过时刻停止试验。然后，实测侵蚀面的3D形状(侵蚀深度分布、表面性状)。然后，考虑所得到的表面形状，实施CFD。此时，对于侵蚀强度分布而言，由于也考虑了因侵蚀而变形的试验对象物的形状，所以能够计算更接近实际的侵蚀现象的侵蚀强度分布。

进而，再次将试验对象物设置于空穴发生装置，使其产生空穴。然后，在从试验开始到T＝T₃经过时刻停止试验，并实测侵蚀面的3D形状(侵蚀深度分布、表面性状)。然后，考虑所得到的表面形状实施CFD。

根据需要而反复多次进行以上实测与CFD的步骤，从而使侵蚀的发展与由计算得到的侵蚀强度分布的对应关系变得清楚，由此能够构建数据库。

以上，本实施方式的侵蚀特性数据库，由于考虑了由侵蚀引起的构造物的变形而实施空穴CFD，所以能够构建接近实际的侵蚀的侵蚀特性的数据库。

另外，上述侵蚀特性数据库是用于实施以下说明的侵蚀预测方法的数据库的一个例子，而未必是必须的。即，只要能够规定材料与侵蚀的关系，即使是其他数据库，也能够在以下的侵蚀预测方法的实施中加以利用。

接下来，使用上述侵蚀特性数据库，按顺序对实际侵蚀预测的方法进行说明。在图4中示出侵蚀预测的概略流程图。在该图中，示出流体机械为新产品的情况(案例1)、和已经被使用而发生了侵蚀的情况(案例2)这两方。

计算气蚀强度分布

取得初始形状数据

首先，为了实施空穴CFD，需要取得作为预测对象的流体机械的初始形状数据。在存在CAD数据的情况下，流体机械的初始形状能够直接使用该CAD数据。另一方面，在不存在CAD数据的情况下，计量并取得预测对象的实际的流体机械的形状。作为计量实际的形状的具体的手法的一个例子，有根据使用激光的表面的计量来重建三维数据的手法。这种手法对作为预测对象的流体机械的表面照射激光，并用照相机来拍摄反射出的激光，从而将其转换为三维形状数据。

生成网格

接下来，为了实施CFD，针对形成于流体机械等的内部的流路形成网格。网格的生成是根据流体机械的形状数据来计算流路的形状，然后，根据计算出的流路的形状，将各部分定义为网格的集合。在生成网格时，通过使流体机械的表面附近的网格尺寸较小，使除此之外的区域的网格尺寸较大，从而既能够实现计算精度的提高或者维持，又能够缩短计算所需的时间。

决定材质

接下来，决定构成流体机械的材质。这是因为侵蚀特性因材料的不同而不同。

决定运转条件

接下来，决定用于预测侵蚀的运转条件。这是因为，流体机械中产生的侵蚀的速度、量，因运转条件而受到影响。这里，例如，决定运转时间、运转速度(例如，若为旋转体则是转速)、流动的流体的特性(例如，流速、压力、温度、比重、粘性等)。

计算空穴强度分布

对于各网格，基于运转条件，进行由CFD对初始形状实施的数值解析，并计算各部分的空穴强度分布。虽然由很多研究者提出了空穴的强度分布，但可以使用其中任一个计算法。在数据库制作阶段，可以选择与实验结果的相关性高的计算法。作为一个例子，以下示出文献A(能见，井小萩，伊贺，“运用数值解析的气蚀预测技术的开发”，第59次涡轮机械协会演讲论文集，(2008)，pp49-54)的例子。若以p表示局部压力、以α表示局部气泡量(气泡的体积率亦即空隙率)、以D_P/Dt表示局部的压力上升的大小，以-Dα/Dt表示局部的气泡破裂的大小，则流体中的局部的侵蚀强度c_a如下。

【公式1】

$c_a=F(p,\mathrm{\α},\frac{Dp}{Dt},-\frac{D\mathrm{\α}}{Dt})---\left(1\right)$

在该侵蚀强度的影响向任意的物体表面传播时，产生扰乱传播的时间延迟τ和衰减a_tn。将从物体上的点到流体区域的注目点的距离矢量设为r，将物体上的点所受到的瞬时侵蚀强度定义如下。

【公式2】

C_ao＝∫a_tn(r)c_a(r，t-τ)dV (2)

进一步简单化，以不产生时间延迟、衰减的物体表面上的物理量的计算值为代表来使用。在物体表面上因粘性而使流速为零，因此公式(1)中的全微分置换为偏微分。作为公式(1)的函数F，例示了以下简单的四个公式。

【公式3】

$F=\mathrm{\α}\·max\[\frac{\∂p}{\∂t},0\]---\left(3\right)$

【公式4】

F＝α·max[(p-p_v)，0] (4)

【公式5】

$F=max\[(p-p_v),0\]\·max\[-\frac{\∂\mathrm{\α}}{\∂t},0\]---\left(5\right)$

【公式6】

$F=max\[-\frac{\∂\mathrm{\α}}{\∂t},0\]---\left(6\right)$

公式(3)-(6)为瞬时值，但作为考虑了空穴流动的周期性变动的时间平均侵蚀强度来定义公式(7)。

公式7

$\frac{1}{T_c}{\∫}_0^{T_c}Fdt---\left(7\right)$

这里，Tc是成为课题的空穴现象的代表性周期。例如，与对象相配合地选择水翼的云状空穴的释放周期、旋转机械的旋转周期、或者伴随着空穴的喘振发生于对象系的情况下的喘振的周期等。

计算侵蚀强度分布

根据空穴强度分布以及流体机械等的使用材料，计算流体机械的各部位的侵蚀强度分布。由于作为上述侵蚀特性数据库来构建材料与侵蚀强度的关系，所以在计算侵蚀强度分布时利用上述信息。

改变表面粗糙度条件，通过CFD再次计算空穴强度分布

推定表面粗糙度

表面粗糙度的变更是指在假定为流体机械的形状不变的前提下，假想地变更表面的平滑性。流体机械的表面在侵蚀发展前会经过被称为潜伏期的阶段。上述潜伏期是不产生流体机械的侵蚀本身，但在表面形成凹陷等而使表面粗糙度增大的过程。若使用上述侵蚀特性数据库，则也能够预测到潜伏期的表面粗糙度的增大，因此为了接下来的侵蚀预测也预先计算表面粗糙度的推定值。此外，作为与表面粗糙度有关的推定值，存在潜伏期的平均表面粗糙度增大量、最大表面粗糙度增大量以及潜伏周期(表面粗糙度增大的时间)等。

再次计算空穴强度分布

接下来，作为CFD的流体机械表面的表面粗糙度效果并作为边界条件而反映推定出的表面粗糙度的增大，并再次实施空穴CFD。通过上述CFD，再次计算表面粗糙度增大后的空穴强度分布。

再次计算侵蚀强度分布

使用在上述步骤中再次计算出的气蚀强度分布，并预测从此经过一段时间后的侵蚀面形状。在该侵蚀面形状的预测中，也使用以上述方法构建的侵蚀特性数据库。作为与侵蚀面形状相关的信息，例如包含侵蚀深度、表面性状。

决定与代表球相关的参数

决定代表球的半径分布

为了预测侵蚀，将由一次侵蚀引起的形状变化，近似表现为使用多个球面的固体材料部分的削入。决定上述代表球的半径分布。代表球的半径可以假定为不同的值，也可以假定为全部相同的值。

决定代表球的中心位置分布

接下来，为了假定产生侵蚀的位置，决定代表球的中心位置分布。代表球的中心位置的分布是由侵蚀强度分布来决定的，例如，对于侵蚀强度高的部位而言，将其设定为多个代表球的中心位置。另一方面，对于侵蚀强度低的部位而言，将其设定为中心位置的代表球的数量较少。因此，侵蚀强度越高的位置，则越使用多个代表球而使侵蚀进一步发展。

决定变形次数(试行次数)

接下来，决定变形次数。变形次数是使用代表球的变形的次数，变形次数越多，则使用代表球的由侵蚀引起的变形越大。

计算近似侵蚀面

根据初始形状的数据、代表球的半径以及中心位置分布、以及使用代表球的变形次数，作为近似侵蚀面而计算侵蚀后的形状。具体而言，相对于初始形状，假定发生了使用代表球的侵蚀，并近似地表达侵蚀后的形状。

在本申请中，提出了使在金属中观察到的凹陷与多孔质状的表面性状的组合数学上近似的手法，对于其他表面性状而言，需要采用别的数学手法。另外，对于使凹陷与多孔质状的表面性状的组合数学上近似的方法而言，也需要留意的点在于，本专利中提出的方法并不限定为唯一。例如能够以举出文献B(西田,“追求逼真的自然景观图像”,第16次NICOGRAPH/MULTIMEDIA论文大赛，(2000)，pp199-203)的方式，应用计算机图形学的领域中用于表现自然物的各种技法、分形理论、元胞自动机，混乱度、神经元、小波、遗传算法、L-系统等。

本申请中提出的近似侵蚀面的计算方法为两种。

计算手法的第一种是模拟在实际的侵蚀面上观察到的“产生凹陷、该凹陷的表面为多孔质状”的状况的手法，

1)设定无侵蚀状态下的实心模型。

2)在上述实心模型设置比较平滑(曲率半径大)的凹陷。

3)针对具有上述比较平滑的凹陷的实心模型，在中心坐标大致位于凹陷表面的球面(与凹陷相比曲率半径较小)，反复多次进行挖除上述凹陷面及其周边的实心模型表面那样的操作。

4)在挖除操作时，将先前被挖除的球面考虑为新的表面，并使球的中心坐标位于比原来的实心模型的表面更靠内侧的位置。

5)上述球的半径、球的数量密度(每单位面积的球的个数)可以具有分布。另外，该分布本身可以局部地变化。由此，能够仅在凹陷的底部，表现出多孔质的粗糙度精细这一表面性状。

6)在考虑上述分布的前提下，在挖除操作中使用随机数，从而也表现出实际的侵蚀面形状的随机性。

在使用上述那样的数学表现的情况下，在来自实心模型表面的深度分布中规定“凹陷”形状，并针对包含“凹陷”的表面，给出上述球的局部的半径分布(给出最大半径与最小半径的范围以及每条半径的存在概率)、与局部的数量密度分布。简便而言，给出代表性的球半径的数种与上述每种的数量密度即可。

图5是对基于上述手法的试行次数与近似侵蚀面的变化进行说明的图，其表示在立方体实心模型上利用半径相同的球将使正弦曲线旋转而制成的初始凹陷挖除6000次的状况。图5(A)是表示初始形状的立体图，其作为一个例子是部分球面形状。图5(B)～图5(G)分别表示每1000次地增加试行次数的情况下的近似侵蚀面的状态。即，图5(B)表示试行次数1000次的情况，图5(G)表示试行次数6000次的情况。另外，图5(H)表示图5(G)的H-H线的剖视图。

图6是表示利用半径相同的球将包含使正弦曲线旋转而制成的初始凹陷在内的立方体实心模型的上表面整体挖除6000次的状况的图。另外，图7是表示在立方体实心模型上制作以正弦曲线来表现的带有槽的初始凹陷，并利用相同半径的球将凹陷表面挖除6000次的状况的图。

计算手法的第二种是模拟在实际的侵蚀面上观察到的“产生凹陷、该凹陷的表面为多孔质状”的状况的手法，

1)设定无侵蚀状态的实心模型。

2)针对上述实心模型，在中心坐标大致位于表面的球面(与凹陷相比曲率半径较小)，反复多次进行挖除实心模型表面那样的操作。

3)在挖除操作时，将先前被挖除的球面考虑为新的表面，并使球的中心坐标位于比原来的实心模型的表面更靠内侧的位置。

4)上述球的半径、球的数量密度(每单位面积的球的个数)可以具有分布。另外，上述分布本身可以局部地变化。由此，数量密度大的区域被深度挖掘，从而整体形成凹陷。另外，能够仅在凹陷的底部表现出多孔质的粗糙度精细这一表面性状。

5)在考虑上述分布的前提下，在挖除操作中使用随机数，从而也表现出实际的侵蚀面形状的随机性。

6)在使用这种数学表现的情况下，给出实心模型表面的上述球的局部的半径分布(给出最大半径与最小半径的范围以及每条半径的存在概率)、与局部的数量密度分布。简便而言，给出代表性的球半径的数种与上述每种的局部的数量密度即可。

利用该方法，在近似生成具有某一深度分布的侵蚀面的过程中，以与深度分布类似的球的数量密度分布，反复进行上述挖除操作，并在形成了与深度分布大体一致的凹陷的阶段，结束挖除操作即可。

图8给出了在利用相同半径的球将立方体实心模型上表面挖除10000次的状况下、球半径为恒定值、球的数量密度在实心模型上表面的中心位置为最大的正态分布。全部图都显示了在中央截面切断的状态。

相对于基于流体数值解析(CFD)得到的局部的侵蚀强度，若局部的固体材料中的每种材料的侵蚀速度以理论式或者实验式而高精度地关联，则同时联合流体侧的解析与材料侧的侵蚀解析来进行数值解析，从而能够不使用本申请中提出的近似侵蚀面地预测侵蚀面。作为一个例子，在图9中示出了通过流体侧与材料侧的联合解析而求出作为与本技术领域类似的现象的、由混入流体的砂粒引起的流体机械表面的损伤的结果。文献C(山本，铃木，“流体机械中的泥沙磨损现象的数值预测”，流派，27，(2008)，pp127-132)，由该图可知能够实现比较平滑的凹陷的预测。

然而，在气蚀的领域中，小规模的侵蚀过程也还没有被充分阐明，不容易求出上述理论式或者实验式。另外，实际观察的气蚀面例如示出了多孔质的极其复杂的形状。因此，即使求出上述理论式或者实验式，若没有对流体侧以及材料侧中的任一个都使用非常多的计算网格来正确地定义复杂的形状，则也无法表现形状。其结果是，计算所花费的时间也变得庞大从而不现实。因此，在当前的电子计算机的能力的范围内，使受到气蚀的面数学上近似并使用于该近似的参数(局部平均的深度、与代表球组有关的数值信息)与基于CFD得到的气蚀强度关联从而将其数据库化的本专利的手法是有效且现实的。

对变形后的形状，计算基于CFD得到的空穴强度分布

根据表达变形后的形状的近似侵蚀面，相对于流路重新生成网格，并计算基于CFD的空穴强度分布，然后再次回到计算侵蚀强度分布的过程，并根据所得到的新的空穴强度分布，再次计算侵蚀强度分布。预测从此又经过一段时间后的侵蚀面形状。

此外，对于近似侵蚀面附近的网格生成而言，可以使用平常的网格形成法，但由于在侵蚀面产生形状的复杂化而使网格生成繁琐，所以将侵蚀面作为立方体或者立方体的体素来表现、以体素的有无来表现比较简便。另外，也可以使用水平集方法、VOF法、边界埋入法之类的对自由表面、复杂面形状进行处理的技法。

通过以上的各过程，能够对考虑了由侵蚀引起的变形的侵蚀强度变化进行考虑，因此能够实现与实际的侵蚀更加相近的预测。另外，通过反复进行侵蚀强度分布的计算→侵蚀面的近似→侵蚀强度分布的再次计算的过程，能够高精度地预测由长期的使用引起的侵蚀的发展。

在上述说明中，对新产品的流体机械的侵蚀预测进行了说明。然而，本申请发明并不限定于此。即，也能够应用于侵蚀已经发展的实机的流体机械。具体而言，如图3的案例2所示，取得侵蚀正在发展的流体的形状数据，实施基于包含侵蚀的形状的空穴CFD，并使用上述方法对这以后的侵蚀的发展进行预测。在该实施方式中，由于上述潜伏期已经结束，所以只要反复进行侵蚀强度分布的计算→侵蚀面的近似→侵蚀强度分布的再次计算即可。此外，在包含侵蚀的形状的测量中，使用3D激光计量机、印模材料等。3D激光计量无法应用于与由侵蚀形成的孔的开口部相比内部较宽的所谓捕章鱼用的陶罐状的形状部分。但是，对此，通过柔软的印模材料(模具材料)的利用、X射线拍摄装置或CT扫描仪等技术的利用，能够进行补偿。

上述侵蚀预测方法能够作为侵蚀预测系统来实现。该侵蚀预测系统由计算机与侵蚀预测程序构成。具体而言，在计算机的存储装置存储有上述侵蚀特性数据库、侵蚀预测程序。

在侵蚀预测时，首先经由输入单元而向计算机输入流体机械的形状数据。形状数据是流体机械的CAD数据、实测数据。还从输入单元输入与构成流体机械的材料相关的信息。然后，输入侵蚀预测时间段。对于侵蚀预测时间段而言，例如，设定1年、5年、10年等预测出因侵蚀而使流体机械受到损伤的时间段。

计算机的CPU根据输入的形状数据以及与材料相关的信息，并参照侵蚀特性数据库的信息，计算由侵蚀引起的流体机械的形状变化。然后，将计算结果显示于与计算机连接的显示单元。此时，优选根据基于随着时间的经过的侵蚀进行的形状预测，例如将跨越10年的形状变化显示为数秒左右的动画。

由于能够执行上述那样的侵蚀预测，从而能够实现以下那样的应用范围的扩大。即，能够针对基于侵蚀预测的流体机械的设计方法加以利用。具体而言，根据侵蚀预测的结果，通过将侵蚀容易发展的部位的壁厚设定为较厚等、在考虑侵蚀预测的前提下设计流体机械的初始形状，从而能够灵活地设定使用年限。

另外，通过本申请发明，能够针对基于侵蚀预测得到的维护方法加以利用。具体而言，若能够进行侵蚀预测，则能够对实际使用的流体机械的侵蚀面的形状与预测出的形状进行比较，并根据该比较的结果来预测流体机械的寿命。因此能够预测需要维护的时机。并且通过进行各种运转条件下的侵蚀预测，能够计算用于防止流体机械的侵蚀的运转条件。

工业上的可利用性

本申请发明能够在流体机械的侵蚀特性的预测中加以利用。

Claims (9)

1.一种侵蚀预测方法，是预测流体机械因空穴产生的侵蚀的方法，所述侵蚀预测方法的特征在于，

根据对由所述流体机械形成的流路使用空穴计算流体力学法所得到的空穴流动场特性，计算所述流体机械的各部位的侵蚀强度分布，

基于所述侵蚀强度分布，将流体机械的侵蚀后的表面计算为近似侵蚀面，

对包含计算出的近似侵蚀面在内的流路使用空穴计算流体力学法，再次计算所述流体机械的各部位的侵蚀强度分布，

基于所述再次计算出的侵蚀强度分布，而再次计算所述近似侵蚀面的变形后的形状。

2.根据权利要求1所述的侵蚀预测方法，其特征在于，

在所述近似侵蚀面的计算中，

基于所述侵蚀强度分布，来决定用于假想具有多孔质的表面性状的侵蚀面的代表球的半径分布、中心位置分布以及代表球的形状变形次数，

基于所决定的与所述代表球相关的信息，计算所述近似侵蚀面的变形后的形状。

3.根据权利要求1或2所述的侵蚀预测方法，其特征在于，

基于所述侵蚀强度分布，进一步计算所述流体机械表面所产生的侵蚀深度分布，并且也利用该侵蚀深度分布来计算所述近似侵蚀面的变形后的形状。

4.根据权利要求1所述的侵蚀预测方法，其特征在于，

在计算所述侵蚀强度分布前，

根据使用空穴计算流体力学法所得到的空穴流动场特性，计算对于无侵蚀的所述流体机械的初始形状的各部位的侵蚀强度分布，

基于对于无侵蚀的所述流体机械的初始形状的各部位的侵蚀强度分布，来改变用于假想侵蚀初期的潜伏期的微小变形作用的、所述流体机械表面的各部位的表面粗糙度，

再次利用空穴计算流体力学法来计算对于初始形状的侵蚀强度分布，

基于计算出的所述侵蚀强度分布来进行侵蚀预测。

5.根据权利要求1所述的侵蚀预测方法，其特征在于，

在计算所述侵蚀强度分布前，

测量通过实际的运转已经产生侵蚀的所述流体机械的形状，

基于其测量结果，对包含已经产生的侵蚀面在内的流路使用空穴计算流体力学法，计算对于所述流体机械的包含侵蚀的形状的侵蚀强度分布，

基于计算出的侵蚀强度分布来进行侵蚀预测。

6.根据权利要求1所述的侵蚀预测方法，其特征在于，

在实施所述空穴计算流体力学时，利用侵蚀特性数据库的信息，

所述侵蚀特性数据库包含材料名、材料特性以及与规定的侵蚀强度相对的侵蚀特性的信息，

其中，所述侵蚀特性包含侵蚀体积、侵蚀深度、侵蚀深度分布、侵蚀面的表面性状，并且

所述表面性状是流体机械的表面粗糙度或者表面形状图案。

7.一种侵蚀预测系统，用于执行权利要求1所述的侵蚀预测方法，所述侵蚀预测系统的特征在于，

具备：具有存储单元以及CPU的计算机、向计算机输入信息的输入单元、以及显示由计算机计算出的结果的显示单元，

在所述存储单元中存储有用于执行所述侵蚀预测方法的侵蚀预测程序，

所述CPU从所述存储单元读出侵蚀预测程序，并基于由输入单元输入的流体机械的形状数据和材料信息，计算侵蚀后的流体机械的预测形状，并将与该预测形状相关的信息显示于所述显示单元。

8.根据权利要求7所述的侵蚀预测系统，其特征在于，

所述CPU计算流体机械伴随时间的经过的形状变化，并以动画的方式将该形状变化显示于所述显示单元。

9.根据权利要求7或8所述的侵蚀预测系统，其特征在于，

在所述存储单元中存储有侵蚀特性数据库的信息，并且在侵蚀预测中利用该数据库的信息，

所述侵蚀特性数据库包含材料名、材料特性以及与规定的侵蚀强度相对的侵蚀特性的信息，

其中，所述侵蚀特性包含侵蚀体积、侵蚀深度、侵蚀深度分布、侵蚀面的表面性状，并且

所述表面性状是流体机械的表面粗糙度或者表面形状图案。