气蚀破坏行为与超声空化的特征研究

论文摘要

气蚀是水力机械和水工建筑的主要破坏形式之一。当高速水流冲击水力机械系统和水工建筑时,在过流部件如船舶螺旋桨、水轮机叶片和水工建筑的泄洪道的局部表面不可避免的形成针孔以及鱼鳞坑等典型的气蚀破坏。但是,由于气蚀现象的复杂性,其本质和内在规律至今仍然是悬而未决的科学问题。本文基于计算流体动力学分析,深入研究了不同状态下空泡溃灭的特征以及高速射流的压力分布规律,揭示了空泡对壁面作用的本质。同时,通过大量磁致伸缩超声气蚀实验,分析了磁致伸缩超声空化条件下空泡的分布特征与影响因素,发现了不同输入功率下所产生的气蚀的形态特征;通过计算机仿真获得了超声空化流体内空泡与压力的分布特征,并且获得试验验证。研究成果为认识材料表面气蚀损伤规律提供新的理论和试验依据。主要内容与结论如下:1、通过三维数值模拟计算高速射流垂直冲击刚性壁面所获得的壁面处的压力分布状态以及压力演变特征,确定圆头与平头射流冲击刚性壁面,对壁面产生的最大压力分别为水锤压力的2.3倍和2.5倍,圆头射流产生的最大压力在射流轴心,而平头射流产生的最大压力在射流边缘,可能是导致脆性材料表面环形破坏形貌的原因。2、应用数值模拟计算不同状态下空泡的溃灭过程,发现空泡中心与壁面的距离以及水流的速度将影响空泡的溃灭时间和溃灭压力;而且射流是否直接作用于材料表面将决定其破坏形貌;空泡在高速水流中溃灭,产生逆流斜向射流可能是水力机械过流部件产生鱼鳞坑破坏的原因。3、采用实验确定了不同条件下超声发射端面空泡分布的特征并分析了空泡运动的机理以及各种外部因素影响空泡分布的原因。通过引进分形理论中的扩散置限凝聚模型以及指进现象模型,初步解释了空泡树枝状分布结构的形成机理。4、根据不同功率下端面气蚀形貌的三维形貌分析,结合对空泡分布结构的观察,确定了空泡的分布特征对表面气蚀的分布形貌的决定作用,即在磁致伸缩超声气蚀实验条件下,空泡的分布结构决定气蚀的形貌,材料的端面破坏是按照与气泡强度分布对应的环形区域分布的。空泡的浓度决定气蚀的破坏速度和破坏程度,不同功率下气蚀坑深度以及表面破坏随时间的变化趋势是一致的,但端面破坏形成的最终形貌与相应区域空泡的浓度以及空泡层的厚度有关,是内层空泡的破坏能力与外层空泡缓冲效应相消的结果。5、对不同频率以及不同振幅条件下磁致伸缩空化现象的模拟分析发现,振幅越大,频率越高,端面空泡浓度增加同时也使流场更加复杂,导致压力波与能量衰减更迅速,压力波之间的干涉与空化的形成,使其振幅剧烈衰减并滋生大量杂波频率,成为流场畸变的特征。端面的压力和空泡都是以压力大小和浓度高低的相对差异按照环形区域间隔分布的,即使在同一个环形区域,压力与浓度的差异也很大,符合试样端面气蚀形貌呈树枝状分布,轴向气蚀形貌呈环状分布的特点。将表面空泡浓度在一定阈值以上的区域用直线由内向外连接,可以形成典型的树枝状结构,与宏观的气泡结构形态是一致的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 气蚀现象
• 1.2 国内外气蚀研究的现状
• 1.2.1 理论研究
• 1.2.2 气蚀的实验研究
• 1.2.3 气蚀的数值计算
• 1.3 振动空化研究
• 1.4 本论文的研究内容
• 第二章 微射流冲击壁面的压力特性
• 2.1 计算软件与计算模型
• 2.2 计算结果与分析
• 2.2.1 圆头射流冲击刚性壁面
• 2.2.2 平头射流冲击刚性壁面
• 2.2.3 平头射流冲击具有水覆盖层的刚性壁面
• 2.2.4 射流压力的分析
• 2.3 射流产生破坏的特征
• 2.4 本章小结
• 第三章 气泡在近壁面溃灭的特征
• 3.1 计算模型
• 3.2 计算结果与分析
• 3.2.1 气泡形态变化
• 3.2.2 溃灭时间与射流
• 3.2.3 溃灭过程中的压力作用
• 3.3 气泡附壁面溃灭规律与水轮机叶片磨损特征的关系
• 3.4 本章小结
• 第四章 超声空化的气泡分布特征
• 4.1 声波特征
• 4.1.1 声波衰减与吸收
• 4.1.1.1 声波的反射
• 4.1.1.2 声波的干涉
• 4.1.1.3 声波的衍射
• 4.1.1.4 声波畸变与谐波滋生
• 4.1.2 超声空化的特征
• 4.1.2.1 超声空化的声场与强度
• 4.1.2.2 气泡对声波的影响
• 4.1.2.3 超声空化的影响因素
• 4.2 气蚀实验设备
• 4.2.1 实验系
• 4.2.2 实验条件
• 4.3 气泡分布特征
• 4.3.1 表面形貌对气泡分布的影响
• 4.3.2 功率对气泡分布的影响
• 4.3.3 容器壁厚对气泡分布的影响
• 4.3.4 容器直径对气泡分布的影响
• 4.3.5 试样端面距离容器底部的距离对气泡分布的影响
• 4.4 分析与讨论
• 4.4.1 气泡分布结构的探讨
• 4.4.1.1 扩散置限凝聚模型与指进现象
• 4.4.1.2 气泡分布结构与分形
• 4.4.2 外部因素对气泡分布特征的影响
• 4.5 本章小节
• 第五章 超声空化的材料破坏特征
• 5.1 实验条件
• 5.2 试样端面的气泡分布特征
• 5.3 不同功率下的气蚀形貌特征
• 5.3.1 低功率下的气蚀形貌特征
• 5.3.2 中等功率下的气蚀形貌特征
• 5.3.3 高功率下的气蚀形貌特征
• 5.4 分析与讨论
• 5.4.1 气蚀破坏特征
• 5.4.2 气蚀形貌特征
• 5.5 本章小结
• 第六章 磁致伸缩空化的数值模拟
• 6.1 物理模型
• 6.2 计算模型与参数设置
• 6.3 频率20KHz振幅20μm的空化特征
• 6.3.1 压力分布特征
• 6.3.1.1 试样端面的压力分布
• 6.3.1.2 压力分布的频谱特征
• 6.3.2 气泡分布
• 6.4 频率40KHz振幅20μm下的空化特征
• 6.4.1 压力分布与压力频谱分析
• 6.4.2 气泡分布
• 6.5 分析与讨论
• 6.6 本章小节
• 第七章 论文主要研究结论与展望
• 7.1 实验条件
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢