冲蚀磨损与冲蚀、空蚀交互磨损的对比研究

基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,数值对比研究了在模拟水轮机工况中不同转速时,冲蚀与冲蚀、空蚀交互作用时,转盘表面的流场(压力场、流体浓度分布),然后在转盘式磨损装置上,进行了汽液固三相冲蚀与空蚀交互磨损试验.结果表明:对于冲蚀磨损来说,随着转速增加,压力增大,在冲蚀作用下加入空蚀磨损,压力增高,磨损加剧;而对于交互磨损来说,随着转速增加,转盘表面的空蚀磨损区域从空化孔附近开始沿着转盘旋转的反方向偏移,并且磨损程度加剧;数值计算的气泡较多且压力梯度较高区域和试验转盘磨损区域基本一致,数值计算结果和试验结果吻合得较好.     

冲蚀与气蚀复合磨损试验研究

通过改造MCF-30型冲蚀腐蚀试验机,建立了水、沙、气三相流冲蚀磨损试验装置;试验研究了水、沙混合流场中试样的磨损特征,通过扫描电子显微镜观测了三相流冲蚀磨损表面,并借助计算机模拟分析水、沙混合条件下产生气蚀破坏的条件.结果表明:合理的设计可以实现冲蚀与气蚀的复合磨损模拟试验;形成三相流共同作用下的冲蚀与气蚀复合磨损重要条件为介质中含有较多气体,并且在试样中有气泡溃灭.三相流磨损模拟试验与仿真为进一步开展三相流气蚀与冲蚀磨损研究奠定了基础.     

煤液化高压差调节阀空蚀/冲蚀磨损预测

针对煤液化示范工程中高压差调节阀高速气-液-粒三相流传输引起的阀芯严重空蚀和冲蚀磨损问题,采用k-ε湍流模型、Schnerr-Saur空化模型、随机轨道模型和冲蚀磨损模型,计算了典型开度下的速度、压力、相分率和磨损率等参数.计算结果表明:阀芯头部圆弧段下游附近有空化区,其顶部附近存在高速回流且压力高于介质的饱和蒸气压,综合分析空化区、回流区和壁面压力可预测空蚀主要发生在阀芯顶部;阀芯的最大冲蚀磨损率发生在顶部,且随开度减小而加剧.并结合调节阀实际损伤形貌,验证了空蚀预测方法及冲蚀磨损计算的正确性.本研究有望为多相介质传输设备的优化设计提供参考.     

含砂流对弯管段冲蚀的机理分析

管道的弯管段、闸阀等处常常面临含砂流动的冲蚀磨损而导致管壁减薄或泄漏。为研究弯管段冲蚀磨损的主要机制,进行了加入5%石英砂的固液两相管流循环试验。试验按砂粒粒径分组,主要观测布置在弯管段的一组碳钢贴片在2~3小时后的壁面冲蚀特征。用失重法计算各贴片的冲蚀速率,基于扫描电镜(SEM)研究了贴片表面的损伤形貌。冲蚀后的贴片表面既有犁沟、挤压凹坑及划痕,亦有圆形蚀坑。能谱分析(EDS)显示有一定量的铁氧化物,且不同位置处的贴片失重率有正有负,由此可见导致贴片表面破坏的机制既包括切削、挤压和二次冲击等含沙流流动的机械作用,也伴随着腐蚀作用。这两种机制在弯管各区有不同的体现,且受砂粒粒径的影响。用数值模拟的两相流冲蚀弯管段流场压力和颗粒分布特征做了验证。结果表明弯管段的壁面损伤机制在外拱壁面以颗粒冲击和切削为主,在内拱璧面则以氧化腐蚀为主。     

摩擦自激振动引起摩擦面波状磨耗的试验研究

在销-盘摩擦磨损试验机上进行金属干摩擦试验,研究摩擦自激振动对盘试件磨痕表面轮廓的影响,采用激光位移传感器测量盘试件摩擦表面轮廓尺寸,用加速度传感器测量销试件的摩擦自激振动.试验结果表明：在干摩擦状态下,销-盘系统容易发生持续的摩擦自激振动,当摩擦时间达到一定数值后,盘试件的磨痕表面轮廓会出现明显的波浪形磨耗,波浪形磨损机理主要是疲劳磨损.分析表明波浪形磨耗的波长近似等于摩擦自激振动的周期与滑动速度的乘积,由此推断摩擦自激振动引起了摩擦表面的波浪形磨耗.     

尼龙自润滑性与表面织构协同作用对HDPE基水润滑轴承摩擦磨损性能的影响

传统的船舶尾轴油润滑轴承的润滑油泄露造成了严重的海洋污染，逐渐被水润滑轴承取代，但水较差的承载能力要求水润滑轴承具有良好的减磨耐磨性能. 通过HDPE与PA66的共混材料研究尼龙润滑填料和表面织构协同作用对水润滑轴承摩擦磨损性能的影响，利用超景深三维显微系统测量共混材料试样浸泡后的表面纹理结构，利用CBZ-1摩擦磨损试验机对试样进行摩擦试验并记录摩擦系数，利用表面轮廓仪和扫描电镜(SEM)观察试样磨损形貌并分析其磨损机理. 试验表明:PA66的添加能优化共混材料的摩擦学性能. PA66的水溶胀性使共混材料表面形成微凸织构，降低摩擦系数和减轻表面磨损；PA66的存在可使共混材料在摩擦过程中在对摩铜盘表面形成转移膜，有效保护摩擦副表面，减轻磨损.      

载荷对304不锈钢微动磨损性能的影响

采用SRV-IV微动摩擦磨损试验机,研究了在干摩擦和水介质润滑条件下,载荷对304不锈钢微动磨损行为的影响,用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱(EDS)对磨损表面形貌和成分进行分析.结果显示:载荷和介质对微动摩擦行为和磨损机理有显著影响.在干摩擦下,载荷明显改变了微动运行区域,当载荷增大到50 N时微动运行区域由滑移区变为部分滑移区.摩擦系数和磨痕深度随着载荷的增加依次减小.磨损机理由黏着、磨粒和氧化磨损转变为局部疲劳和轻微氧化.同干摩擦相比,由于水介质的润滑和冷却作用,表面黏着被抑制,摩擦系数显著减小,两接触面间易滑移,部分滑移区消失.随载荷的增大磨痕深度增大,因腐蚀与磨损的交互作用,在海水中的磨痕深度比去离子水中略大.磨损机理主要为磨粒磨损和轻微的腐蚀磨损.     

不同水介质润滑下GCr15钢的微动磨损特性

采用液压高精度材料试验机考察了平面-球面接触GCr15钢摩擦副在海水、酸性水和洁净水等3种不同水介质润滑下的微动磨损性能．用激光扫描显微镜(LSM)观察了磨痕表面形貌．结果表明：3种水介质对钢-钢摩擦副具有明显的润滑作用，其中酸性水的润滑作用最明显；磨损体积损失同介质的润滑作用和腐蚀作用相关，在洁净水和海水介质润滑下的磨损体积损失较小，在酸性水介质润滑下的磨损体积损失较大；在海水润滑下的GCr15钢磨损表面呈现明显的点蚀特征．     

空化水动力学非定常特性研究进展及展望

空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况, 分析了当前存在的问题.在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展.在数值模拟方法中, 对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用.之后以附着型空化为主, 同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等.最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势.      

空化水动力学非定常特性研究进展及展望

空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况,分析了当前存在的问题.在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展.在数值模拟方法中,对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用.之后以附着型空化为主,同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等.最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势.     

Numerical simulation of multiphase cavitating flows around an underwater projectile

The present simulation investigates the multiphase cavitating flow around an underwater projectile. Based on the Homogeneous Equilibrium Flow assumption, a mixture model is applied to simulate the multiphase cavitating flow including ventilated cavitation caused by air injection as well as natural cavitation that forms in a region where the pressure of liquid falls below its vapor pressure. The transport equation cavitating model is applied. The calculations are executed based on a suite of CFD code. The hydrodynamics characteristics of flow field under the interaction of natural cavitation and ventilated cavitation is analyzed. The results indicate that the ventilated cavitation number is under a combined effect of the natural cavitation number and gas flow rate in the multiphase cavitating flows.     

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度 修正的RNG $k$-$\varepsilon $湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod) 水翼和采用射流后的 水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到 近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水 翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理. 结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播 导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响. 回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一 直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累. 在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化 和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射 流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果. $Q$准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的 流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落. 而射流对空穴和回射 流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.      

航空发动机轴承腔润滑的气液两相均匀流研究

基于轴承腔中润滑油的两相均匀流动模型,采用湍流模式和有限差分数值方法计算轴承腔内三维定常N-S方程,对腔内润滑油的气液两相均匀流动特性进行研究,以获得气液两相均匀流条件下润滑油流场、压力场和速度场在轴承腔内的分布情况,分析转子转速、含气率和润滑油进口速度对润滑油出口压力以及润滑油与壁面之间剪切力的影响,同时对单相流和两相均匀流润滑性能差异进行比较.结果表明,转子转速、含气率和润滑油进口速度对润滑油出口压力和腔内壁面与润滑油间的平均剪切力具有不同影响,而采用2种流动模型计算出的轴承腔润滑油出口压力的差异较大,同时支持了开展航空发动机轴承腔润滑两相流动分析的必要性.     

Water-lubricated transport of high-viscosity oil in horizontal pipes: The water holdup and pressure gradient

This paper has investigated the water holdup and the pressure gradient of water-lubricated transport of high-viscosity oil flow in horizontal pipes. Experimental results on the water holdup and the pressure gradient of water-lubricated high-viscosity oil two-phase flow in a horizontal 1 in. pipe were discussed. Models for the prediction of the water holdup and/or the pressure gradient of core flow or water-lubricated flow were reviewed and evaluated. It was found that the water holdup of the water-lubricated flow is not only closely related to the input water volume fraction but also the degree of the oil phase eccentricity which is attributed to the oil phase Froude number. This can explain the inconsistency of the experimental results with regard to the relationship between the water holdup and the input water volume fraction in the literature. The applicability of the existing empirical or mechanistic models of water-lubricated high-viscosity oil flow were discussed and demonstrated. A modified correlation to the water holdup correlation of Arney et al. (1993) which was shown to be exclusively applicable for concentric core flow was introduced for stable water-lubricated flow, including both concentric and eccentric core flows. This correlation was evaluated and a fair applicability was shown. The accuracy of different models for the prediction of the pressure gradient of water-lubricated transport of high-viscosity oil was demonstrated to be not high in general. This is closely associated with the difficulty in accurately accounting for the influence of oil fouling on the pressure gradient.     

仿生猪笼草结构的水润滑轴承摩擦学性能有限元分析研究

水润滑轴承的轴瓦结构设计对其摩擦磨损和润滑性能有着重要影响. 为提升其摩擦学性能,设计一种轴瓦布置有仿生猪笼草结构的水润滑轴承,主要为蜡质区的月牙形结构和唇部的径向脊形结构两类. 利用ANSYS Fluent对简化后的轴承润滑水膜模型进行流场分析,改变不同转速、载荷和不同织构形状、尺寸,探究水膜承载能力和减摩性能的优化情况并进行机理分析. 结果表明:通过比较不同织构形状、尺寸下的轴承水膜最大压力与摩擦系数,发现型号CC1006的月牙形织构和型号DR0102的径向脊形织构的水膜承载能力和减摩性能综合优化最佳. 通过改变不同载荷,发现轴瓦布置有仿生猪笼草结构的水润滑轴承更适合应用于中速中载的条件下,此时其拥有优异的水膜承载能力与减摩性能. 该研究为仿生表面结构的水润滑轴承设计及摩擦学性能提升等提供了分析方法和理论依据.      

水泵水润滑导轴承耐久性研究

水泵水润滑导轴承的耐久性主要取决于轴瓦材料的耐磨性.以常用的橡胶导轴承为例,分析了轴瓦磨损速率的影响因素及影响规律,建立了轴瓦磨损速率的计算公式.以某泵站为例,确定了导轴承橡胶轴瓦磨损速率各个影响因素的取值范围及概率密度函数,建立了基于可靠度的导轴承耐久性理论,计算了基于可靠度的水润滑橡胶导轴承的运行寿命.结果表明:水体含沙量对橡胶轴瓦磨损速率影响较大.橡胶导轴承采用清水润滑时,具有95%可靠度的运行寿命为4.2 a;而采用含沙量为0.15%的河水润滑时,具有95%可靠度的运行寿命仅为0.5 a.研究结果对合理确定水润滑导轴承的润滑介质和检修周期,提高其可靠耐久性具有重要意义.