基于元胞自动机的再生水管道腐蚀模拟

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1、基于元胞自动机的再生水管道腐蚀模拟ACellularAutomataSimulationoftheReclaimedWaterPipeCorrosion工程领域：环境工程作者姓名：胡姗指导教师：田一梅教授企业导师：李育宏高级工程师天津大学环境科学与工程学院2017年12月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论

2、文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据万方数据摘要再生水管道的腐蚀是一个涉及微观、介观及宏观的过程，其中电化学反应及腐蚀产物生成过程符合介观尺度的相关定义。本课题运用典型的介观模拟手段——元胞自动机方法，将金属腐蚀体系离散成有序的元胞空

3、间，通过设定简单演化规则重构管道腐蚀过程；通过引入反应概率系数对腐蚀过程中的随机性进行描述，结合腐蚀形貌图和统计指标从介观尺度下探究再生水金属管道腐蚀机制，为运用元胞自动机方法建立腐蚀机理模型提供了一个参考思路。课题研究主要分为四个部分：对再生水管道腐蚀相关机理进行梳理，提出符合元胞思想的物理模型；基于元胞方法的内涵提出元胞自动机模型，对以演化规则为核心的模型要素进行设置并用编程语言实现；改变模型条件与参数，分析模型不同腐蚀形貌、腐蚀速率等统计指标输出的变化，探究腐蚀动力学机制；将模拟结果与实验结果进行对比，并对腐蚀机理进行合理阐述。研究结果显示：（1）腐蚀形貌演化图能够直观还原再生水管

4、道腐蚀过程，随阳极反应概率及迭代步数的增大，腐蚀程度越来越严重。均匀腐蚀表现为金属表面凹凸起伏程度愈加剧烈、不规则程度及腐蚀坑尺寸逐渐增大、腐蚀产物不断累积；局部点蚀则表现为腐蚀坑尺寸逐渐向下、向两边扩大。（2）在阳极反应概率rc固定时，腐蚀深度的变化范围随时间增大而增大；当rc逐渐增大时，腐蚀深度随时间增大而增大；腐蚀深度沿水平方向的变化曲线形状较为紧密整齐且波动范围较小时，腐蚀速率较低，腐蚀表面粗糙度低，腐蚀程度较轻微；反之则腐蚀速率较高，腐蚀表面粗糙度高，腐蚀程度较严重。（3）均匀腐蚀速率在腐蚀初期处于较高的水平，而后经历波动式的下降过程，最后下降至较低的水平且维持相对的平衡稳定状

5、态，故分析腐蚀分为三个阶段：前期腐蚀速率较高的快速腐蚀阶段、中期腐蚀速率降低的慢速腐蚀阶段及末期腐蚀速率维持稳定的腐蚀稳定阶段。局部点蚀的累积腐蚀率呈指数型的增长趋势，均匀腐蚀速率呈线性增大趋势，说明局部点蚀可引发严重的腐蚀现象。（4）氯离子浓度和水解酸化反应概率的增大均会导致腐蚀速率的增大，且增大越多，促进作用越明显。（5）将模拟结果与自来水、再生水腐蚀实验结果进行对比，发现均匀腐蚀的累积腐蚀率及均匀腐蚀速率的变化趋势与实验结果相一致，其中均匀腐蚀速率变化规律能够与腐蚀实验中快速、慢速及稳定腐蚀的三个阶段相对应。关键词：再生水管道，腐蚀机理，介观，元胞自动机，模拟I万方数据II万方数据

6、ABSTRACTReclaimedwatercorrosionisaprocessinvolvingmicroscopic,mesoscopicandmacroscopicreactions.Amongthem,Processesincludingelectrochemicalreactionofcorrosionandthegrowthofcorrodedproductscanbeclassifiedasmesoscopicscale.Thisthesis,usingatypicalsimulatingapproach,cellularautomata,dividedthemetal-

7、corrosionsystemasdiscreteandorderedcellularspace.Simpleevolutionruleswereusedtoreconstructcorrosionprocess,whileprobabilitycoefficientsofreactionswereintroducedtosimulatetherandomness.Coupledwithcorrodedmorphologyevolu