一种哈氏合金动态腐蚀模拟可视化方法及系统

本发明涉及合金腐蚀模拟，尤其涉及一种哈氏合金动态腐蚀模拟可视化方法及系统。

背景技术：

1、近年来，使用可再生能源逐渐替代传统能源已成为全球共识。其中，聚光太阳能热发电(csp)站能够与热能储存(tes)技术相结合，具有比光伏发电更好的灵活性，近年来装机规模迅速扩大。在tes中，传储热工质的选择将影响csp的光热转换效率和运行成本。氯化物熔盐因具有优异的热物性，工作上限温度高，适合用作tes传储热材料。但氯化物熔盐在高温下具有强腐蚀性，管道、冷热储罐等结构材料易被腐蚀而造成严重后果。由于实验研究的局限性，部分学者采用模拟计算代替传统实验，并总结出部分结论与规律。

2、目前对金属在熔盐中腐蚀的模拟计算方法主要有以下几种：基于相场法模拟、基于第一性原理模拟、基于分子动力学模拟，但均存在一定缺陷，如基于相场法模拟仅考虑了单一铝元素的腐蚀过程，难以处理异质材料或多晶系统，而合金往往由多种元素组成；同时也没有考虑到各参数对腐蚀行为的影响。基于第一性原理模拟仅考虑化学键的作用难以准确模拟腐蚀行为。基于分子动力学模拟没有提及腐蚀层厚度的演变过程这一衡量腐蚀程度的重要指标，没有实现较直观的数据可视化。现未有一种模拟方法能够快速精确全面的模拟合金在熔盐中的动态腐蚀过程，并将其可视化。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目标是提供一种哈氏合金动态腐蚀模拟可视化方法及系统，快速精确全面的模拟合金在熔盐中的动态腐蚀过程，并实现腐蚀结果的可视化。

2、本发明所采用的第一技术方案是：一种哈氏合金动态腐蚀模拟可视化方法，包括以下步骤：

3、基于哈氏合金和参与腐蚀的物质组分确定元胞的属性及初始值；

4、根据哈氏合金的形状构建元胞空间；

5、基于马哥勒斯型邻居确定元胞扩散规则，并在元胞空间内设置周期型边界条件和固定型边界条件；

6、根据哈氏合金在熔盐中的腐蚀行为与腐蚀机理确定元胞转化规则，得到元胞自动机；

7、对元胞自动机设置模拟时步，并计算哈氏合金的质量损失和腐蚀速率；

8、基于可视化方法获取哈氏合金随模拟时步的动态演变过程。

9、进一步，所述元胞可分为扩散型元胞、固定型元胞、金属元胞、腐蚀元胞和腐蚀产物元胞，其中：

10、所述扩散型元胞指在元胞空间的任意位点定义或生成后，能向周围网格移动的元胞；

11、所述固定型元胞指在元胞空间的任意位点定义或生成后，无法向周围网格移动的元胞；

12、所述金属元胞指构成整个哈氏合金的金属元素的元胞；

13、所述腐蚀元胞指参与哈氏合金腐蚀的物质组分的元胞；

14、所述腐蚀产物元胞指由金属元胞与腐蚀元胞反应生成的元胞。

15、进一步，所述元胞扩散规则，其具体包括：

16、若中心元胞在当前时步时参与反应，则中心元胞下一时步时的位置与当前时步保持一致；

17、若中心元胞在当前时步时的邻居格位被其他元胞占据，则中心元胞在下一时步时停留在原位点，或者中心元胞在下一时步时以扩散系数确定的概率向邻居格位移动；

18、氧气元胞无法穿过金属元胞到达合金内部，氯气元胞、氯化铬元胞、氯化铁元胞被设定允许在整个元胞空间自由扩散。

19、进一步，所述周期型边界条件设置在元胞空间的左右边界，保证边界元胞正常演化；所述固定型边界条件设置在元胞空间的上下边界，确保模拟环境与腐蚀环境相一致。

20、进一步，所述根据哈氏合金在熔盐中的腐蚀行为与腐蚀机理确定元胞转化规则，得到元胞自动机这一步骤，其具体包括：

21、基于哈氏合金在熔盐中的腐蚀行为与腐蚀机理建立物理模型；

22、基于所述物理模型反映的腐蚀顺序确定元胞转化规则；

23、基于元胞、元胞空间、边界条件、元胞扩散规则、元胞转化规则共同构成元胞自动机。

24、进一步，所述哈氏合金的质量损失和腐蚀速率可以通过元胞相对原子质量和元胞数量计算得到，其表达式如下：

25、m＝(nni×mni)+(ncr×mcr)+(nmo×mmo)+(nfe×mfe)

26、

27、δm＝m0-m

28、

29、其中，依次表示哈氏合金截面ni、cr、mo、fe的初始元胞数量；nni、ncr、nmo、nfe依次表示哈氏合金截面ni、cr、mo、fe随腐蚀过程的实时元胞数量；mni、mcr、mmo、mfe依次为ni、cr、mo、fe的相对原子质旦；m0表示哈氏合金的初始质量；m表示哈氏合金的实时质量；δm表示哈氏合金的质量损失；v表示哈氏合金的腐蚀速率；t表示模拟时步。

30、进一步，所述基于可视化方法获取哈氏合金随模拟时步的动态演变过程这一步骤，其具体包括：

31、通过不同的颜色对不同的元胞进行区分，得到当前时步的哈氏合金腐蚀状态；

32、获取每个模拟时步的哈氏合金腐蚀状态，得到哈氏合金腐蚀的动态演变过程。

33、本发明所采用的第二技术方案是：一种哈氏合金动态腐蚀模拟可视化系统，包括：

34、元胞初始化模块，基于哈氏合金和参与腐蚀的物质组分确定元胞的属性及初始值；

35、元胞空间构建模块，用于根据哈氏合金的形状构建元胞空间；

36、扩散规则及边界条件确认模块，基于马哥勒斯型邻居确定元胞扩散规则，并在元胞空间内设置周期型边界条件和固定型边界条件；

37、转化规则确认模块，用于根据哈氏合金在熔盐中的腐蚀行为与腐蚀机理确定元胞转化规则，得到元胞自动机；

38、模拟计算模块，用于对元胞自动机设置模拟时步，并计算哈氏合金的质量损失和腐蚀速率；

39、可视化模块，基于可视化方法获取哈氏合金随模拟时步的动态演变过程。

40、本发明方法及系统的有益效果是：本发明通过构建元胞自动机模型，模拟了哈氏合金在熔盐中的动态腐蚀过程，并结合可视化方法将腐蚀过程呈现，计算了哈氏合金的质量损失和腐蚀速率。能够探究合金的涂层密度和厚度对腐蚀行为的抑制作用；能够原位实时监测合金-熔盐界面的离子迁移过程，跟踪合金内部元素分布情况；能够自由控制反应条件，从而得到不同参数下的腐蚀模拟结果；能够探究局部腐蚀行为，以及涂层对结构材料的保护作用；能够大幅缩短实验周期，节省时间成本与经济成本。

技术特征：

1.一种哈氏合金动态腐蚀模拟可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种哈氏合金动态腐蚀模拟可视化方法，其特征在于，所述元胞可分为扩散型元胞、固定型元胞、金属元胞、腐蚀元胞和腐蚀产物元胞，其中：

3.根据权利要求1所述一种哈氏合金动态腐蚀模拟可视化方法，其特征在于，所述元胞扩散规则，其具体包括：

4.根据权利要求1所述一种哈氏合金动态腐蚀模拟可视化方法，其特征在于，所述周期型边界条件设置在元胞空间的左右边界，保证边界元胞正常演化；所述固定型边界条件设置在元胞空间的上下边界，确保模拟环境与腐蚀环境相一致。

5.根据权利要求1所述一种哈氏合金动态腐蚀模拟可视化方法，其特征在于，所述根据哈氏合金在熔盐中的腐蚀行为与腐蚀机理确定元胞转化规则，得到元胞自动机这一步骤，其具体包括：

6.根据权利要求1所述一种哈氏合金动态腐蚀模拟可视化方法，其特征在于，所述哈氏合金的质量损失和腐蚀速率通过元胞相对原子质量和元胞数量计算得到，其表达式如下：

7.根据权利要求1所述一种哈氏合金动态腐蚀模拟可视化方法，其特征在于，所述基于可视化方法获取哈氏合金随模拟时步的动态演变过程这一步骤，其具体包括：

8.一种哈氏合金动态腐蚀模拟可视化系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种哈氏合金动态腐蚀模拟可视化方法及系统，该方法包括：确定元胞的属性及初始值；根据哈氏合金的形状构建元胞空间；确定元胞扩散规则及边界条件；确定元胞转化规则，并构建元胞自动机模型；对元胞自动机设置模拟时步，并计算哈氏合金的质量损失和腐蚀速率；基于可视化方法获取哈氏合金随模拟时步的动态演变过程。该系统包括：元胞初始化模块、元胞空间构建模块、数据平滑模块、扩散规则及边界条件确认模块、转化规则确认模块、模拟计算模块和可视化模块。通过使用本发明，能够快速精确全面的模拟合金在熔盐中的动态腐蚀过程，并实现腐蚀结果的可视化。本发明可广泛应用于合金腐蚀模拟技术领域。

技术研发人员：王维龙,江东旭,丁静,陆建峰
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22