肖 宠，张储桥，沈英静，李 闯，魏 灿

（中国船舶集团有限公司第七一八研究所，河北邯郸 056500）

1 研究背景

水电解制氢是一种安全、环保的制氢方法，目前广泛应用在各个领域。但在设备实际运行中，水电解制氢设备的气液出口存在严重的冲蚀磨损现象，且随着设备产气量的增大，磨蚀现象变得更严重，这限制了水电解制氢设备向大产气量的方向发展。茅俊杰[1]对流体中含离散气泡对壁面的冲刷腐蚀影响和流动加速腐蚀的机理进行了研究。胡跃华[2]对弯管、异径管、三通管、孔板等典型管件冲刷腐蚀进行了详细的数值模拟，得到了几何参数、入口速度、颗粒性质、放置方向等对冲蚀的影响规律，提出了典型管件预防冲蚀的有效措施。邵东[3]研究了分离器底部出口管路中弯管部位受液-固两相流的冲蚀磨损情况，针对煤液化管道弯管部位的冲蚀磨损问题，分析其冲蚀磨损的主要因素和冲蚀机理，建立煤液化管道冲蚀磨损预测方法，再通过该方法研究管道结构参数和工况参数对冲蚀磨损率及冲蚀磨损位置的影响。申鹏飞[4]采用数值模拟方法利用 CFD 软件，对水煤浆管输过程中的 90°弯管、变径管和三通管进行冲蚀磨损的三维数值模拟研究，详细地分析了水煤浆管道的冲蚀磨损规律，得出了在不同冲蚀影响因素下的管道最大冲蚀磨损率的变化关系。任琪琛[5]建立了一种新的基于微切削和变形疲劳磨损的可用于高温环境的叶材冲蚀率模型，研究了烟气轮机叶材在实际工况下的冲蚀特性及冲蚀率。

本文分别模拟了常规电解槽氢气气液通道结构和通道结构改进后两种情况下的气液流动状态，探讨了气液出口结构对冲蚀磨损的影响。

2 几何建模及网格划分

本文的研究对象是10m3水电解制氢设备，计算主体区域是电解槽碱液通道、电解小室和气液流道。整个计算区域使用结构化网格进行划分。KOH 溶液通过碱液入口流入电解槽内后，流经碱液通道，依次流入各个电解小室。水在电解小室内发生化学反应，在阴极侧生成氢气，在阳极侧生成氧气。然后碱液与氢气由氢气气液通道流出，碱液与氧气由氧气气液通道流出。

3 计算模型及边界条件

仿真过程使用标准k-ε模型为湍流模型，使用欧拉模型为多相流模型。氢气入口和碱液入口为速度入口，其中，氢气入口速度为1.06663×10-5m/s，碱液入口速度为0.2448807m/s。气液出口为压力出口。KOH溶液质量分数为30%，密度为1290.5kg/m3。系统工作压力为3.2MPa，工作温度为85～90℃。氢气产量为10m3，氧气产量为5m3，碱液循环量0.5m3/h。

4 结果分析

通过观察设备的实际使用情况发现，电解槽向上的出口在靠近中轴线的一侧的位置，冲蚀较为严重且形状呈半圆形，研究发现这是由流体的冲蚀磨损造成的。通过对电解槽气液出口流道内的流场模拟，由z=0m 截面上的速度矢量分布图（图1，单位m/s）可以看出，在转弯处，流体的速度变化较大，流经转弯处时，在相同的时间内流体流经管道内壁的路程较短，所以其速度相对大于外侧的速度，因此管道内侧的冲蚀现象尤为明显。又因为在气液通道内，在靠近中轴线一侧的速度最大，所以管道的冲蚀主要发生在靠近中轴线一侧，并呈半圆形，这与设备在实际运行过程中产生的磨损位置相吻合。

图1 速度矢量分布图

为了改善这种现象，将电解槽出口形状改成锥形，由速度云图（图2，单位m/s）可见，与之前的结构相比，在转弯处流体的流速明显下降。这是因为当出口形状改成锥形后，转弯处的转角变大，减少了流体转弯的角度，减少了内外两侧流体的路程差，进而降低了内外两侧流体的速度之差，改善了转弯处流体对设备的冲蚀。模拟计算结果可以为设备结构的改进提供参考。

图2 速度云图

5 结论

通过仿真计算结果可知，改变流道的结构，减少流体转弯的角度，可以减缓流动对设备的冲蚀作用。