强剪切流变仪的研制及剪切空化的实验研究

论文摘要

空化是液压传动中的一种常见现象,它的发生主要取决于液体的温度和压力,还受到液体的表面张力及抗张强度影响,空化的初生、发展和溃灭是空化的三个重要阶段。剪切空化是两个具有相对滑动壁面间液体破裂的一种重要形式,是液压传动、油膜润滑性能及流变测量等领域中的重要科学和技术问题。关于剪切空化的研究中,前面的研究人员采用的实验介质均为大分子量的高粘度液体,且未考虑液体含气量这一影响因素。对于剪切空化的形成原因,研究者通常采用主应力空化标准、剪切应力促进成核及剪切能成核来加以解释,而我们的研究表明,剪切空化的初生强烈依赖于液体中溶解气体的饱和度。论文分析了强剪切流空化的实验方案,针对外圆筒旋转内圆筒固定在较高雷诺数下的流动仍然是等压的稳定的纯剪切流的优点,提出了一种外圆筒旋转的可调压的可视化同心圆筒强剪切流变仪,解决了流变仪在设计及制造中的三个技术难题,即高转速下均匀小间隙的获得,高转速下的气动密封以及外圆筒内部尺寸、形状及位置精度的控制问题。研制出可调压外筒旋转同心圆筒可视流变装置,利用该实验装置测量了淡水、10cSt及16500cSt二甲基硅油的粘度,基于液体粘温关系及壁面绝热近似,获得液体粘度的理论值,通过理论值与测量结果的对比分析,初步校核了该装置在未安装测温传感器时测量结果的可靠性,实验还获得淡水及两种硅油发生剪切空化的实验证据。增加了设备的测温功能之后,柱坐标系中,利用实验获得的纯剪切力矩,基于均匀的间隙和瞬态传热微分方程,考虑传感器的热惯性,由数值计算方法求出不同时刻强剪切流的瞬态温度,结果表明理论计算值与实验结果较为吻合,校核了强剪切流的剪切力矩、间隙均匀性及瞬态温度测量准确性。对比分析表明,相比前面的初步校核方法,考虑传热后获得的结果精度高且适用范围广。基于现有测量气体在液体中溶解度方法及装置的不足,研制出一种测量气体溶解度的新型精密活塞式装置,测量了温度293K及353K,压力0～350kPa范围内的空气在500cSt二甲基硅油中的溶解度,获得本生溶解度对压力和温度的依赖关系,测量了298K时20cSt二甲基硅油及国产32#抗磨液压油的本生溶解度。精度及可靠性分析表明该测量装置获得的溶解度数据误差范围为6%。本生溶解度与气相压力呈较好的线性关系,以摩尔分数表示的溶解度与压力是非线性关系但可用Krichevsky-Ilinskaya方程拟合。发现分子量差异很大的二甲基硅油对空气的本生溶解度相同,提出基于聚合物链节基团摩尔数来表示摩尔浓度更有利于实验数据的外推和工程应用。对于分子量差别较大或无法确定分子量的溶剂,适宜用本生溶解度确定气体浓度与压力和温度的关系。经典成核理论将空化核分为均相成核和异相成核两类,对于过饱和溶液,通常将气态空化核分为四类。考虑液体表面张力对空化核的影响,基于力学平衡条件,讨论了球状空化核界面的平衡性。分析了气核内气体的热力学行为,基于相平衡条件,还讨论了气体扩散与空化核稳定性的关系。计算出不同浓度比时500cSt二甲基硅油中的临界核半径,开展了过饱和溶液中的成核实验,实验结果及理论分析表明,难于去除壁面凹槽内事先截留气体造成的异相成核,溶液单纯的过饱和状态并不能形成空泡,剪切作用对液体空化起到重要作用。阐述了剪切空化实验中需要解决的微小气泡的排除、照明光线处理、含气量控制及空化初生识别等方面的技术问题,利用强剪切流空化实验装置,开展了含气量对剪切空化初生的影响实验,获得不同饱和比下,液体发生空化时的相关数据,确立了饱和比与剪切空化初生PeL、Ca及Ci数的经验关系。发现一定压力下空化发生的临界剪切应力与压力成正比,但远低于主应力空化标准的预测值,临界剪切应力与饱和度成反比。剪切空化初生后,剪切力矩下降导致粘性发热减少,是造成剪切流温度下降的原因,力矩变化与温度有一致性,但不敏感,提出温度变化是检测空化初生的有效手段的新观点。应用经典成核理论中关于空化核出现的概率由成核的自由能障碍决定,探索性解释增加剪切速率,可在欠饱和溶液中产生剪切空化的实验现象。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论及文献综述
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 液体的状态
• 1.3 流动性与弹性
• 1.4 抗张强度的证实
• 1.5 空化与沸腾
• 1.6 空化与气蚀
• 1.6.1 空化的概念
• 1.6.2 空化的基本形式
• 1.6.3 表面张力与抗张强度
• 1.6.4 抗张强度与液体空化成核机理
• 1.6.5 空化的初生、发展与溃灭
• 1.6.6 气蚀现象
• 1.7 剪切空化的相关理论与研究进展
• 1.7.1 剪切与空化现象
• 1.7.2 主应力空化标准
• 1.7.3 剪切应力成核模型
• 1.7.4 剪切能对成核的影响研究
• 1.7.5 已有研究中的不足
• 1.8 本论文的主要研究内容
• 1.9 参考文献
• 第二章 强剪切流变仪的研制与精度校核
• 2.1 强剪切流的实现方案
• 2.1.1 强剪切流的实现方法分析
• 2.1.2 基于同心圆筒获得强剪切流的两种实现方案
• 2.1.3 流动稳定性分析及总体方案确定
• 2.2 强剪切流变仪的研制与初步校核
• 2.2.1 强剪切流变仪的组成及功能
• 2.2.2 系统实现的技术困难及解决措施
• 2.2.3 实验系统的初步校核
• 2.2.4 剪切空化的初步实验
• 2.3 强剪切流变仪的精度校核
• 2.3.1 精度校核的必要性与实验系统的误差来源
• 2.3.2 精度校核方法
• 2.3.3 瞬态温度与传热特性
• 2.4 校核结果的对比分析
• 2.5 本章小结
• 2.6 参考文献
• 第三章 空气在硅油和液压油中的溶解度
• 3.1 空气在二甲基硅油和液压油中溶解度研究的必要性
• 3.2 溶解度的常用测量装置及方法
• 3.3 溶解度新型测量装置的组成、特点及关键性问题
• 3.3.1 测量装置的组成
• 3.3.2 测量装置的特点
• 3.3.3 测量装置的标校与气密性研究
• 3.3.4 精密压力表的初始容积对压力测量的影响
• 3.3.5 压力测量设备及温度控制方法的确定
• 3.3.6 测量系统的气密性复核
• 3.4 测量原理及方法研究
• 3.4.1 平衡态的判定方法
• 3.4.2 测量原理
• 3.4.3 初始容积的校正
• 3.4.4 本生溶解度
• 3.4.5 绝对含气量的获得
• 3.5 空气在二甲基硅油及液压油中的溶解度
• 3.5.1 温度及压力测量范围的确定
• 3.5.2 化学位、逸度和活度
• 3.5.3 气体在液体中的溶解度
• 3.5.4 温度变化对容积的影响研究
• 3.5.5 500cSt二甲基硅油的本生溶解度
• 3.5.6 500cSt二甲基硅油的摩尔分数溶解度
• 3.5.7 20cSt二甲基硅油的本生溶解度
• 3.5.8 液压油的本生溶解度
• 3.6 结果分析与讨论
• 3.6.1 数据精度及可靠性分析
• 3.6.2 溶解度分析与讨论
• 3.7 本章小结
• 3.8 参考文献
• 第四章 空化成核及其稳定性研究
• 4.1 空化成核的理论分析
• 4.1.1 空化核的来源
• 4.1.2 经典空化成核的类型
• 4.1.3 均相成核理论
• 4.1.4 异相成核模式
• 4.1.5 气态空化核的分类
• 4.2 空化核的力学平衡与传热特性
• 4.2.1 液体的表面张力
• 4.2.2 空化核的力学平衡
• 4.2.3 核的稳定性与临界压力分析
• 4.2.4 空化核的热力学行为
• 4.3 气体扩散与空化核的稳定性
• 4.3.1 压力比的定义
• 4.3.2 空气过饱和硅油中气核的平衡半径
• 4.3.3 气体扩散与核的稳定性
• 4.4 成核及其稳定性的实验研究
• 4.4.1 硅油的成核实验
• 4.4.2 均相成核的稳定性分析与讨论
• 4.4.3 异相成核的稳定性分析与讨论
• 4.5 本章小结
• 4.6 参考文献
• 第五章 含气量对剪切空化初生的影响规律
• 5.1 剪切应力及含气量对剪切空化初生的影响分析
• 5.1.1 剪切应力的影响
• 5.1.2 含气量的影响
• 5.2 剪切空化实验中关键技术问题的解决
• 5.2.1 微小气泡的排除方法
• 5.2.2 照明光线的改良
• 5.2.3 液体的含气量控制及量化
• 5.2.4 空化初生的识别
• 5.3 剪切空化初生实验
• 5.3.1 强剪切流变仪的主要特征
• 5.3.2 实验原理及方法
• 5.3.3 饱和比的定义与硅油中的空气溶解度
• 5.3.4 剪切空化初生的剪切应力实验及结果分析
• 5.3.5 含气量对剪切空化初生的影响实验
• 5.4 含气量对剪切空化初生的影响规律
• 5.4.1 空化剪切流的温度及力矩变化原因分析
• 5.4.2 饱和比与空化初生无量纲数的关系
• 5.4.3 含气量对空化成核自由能的影响
• 5.4.4 剪切能对空化成核自由能贡献度的估算
• 5.5 本章小结
• 5.6 参考文献
• 第六章 研究总结与展望
• 6.1 研究总结
• 6.2 展望
• 附录A 主应力空化标准
• 附录B 500cSt和70cSt二甲基硅油的粘温关系及表面张力
• 攻读博士学位期间取得的科研成果
• 致谢