空蚀坑周围彩虹区的形成机理

经过1 min的超声振动空蚀试验后,在不锈钢试样表面形成的空蚀坑周围出现环形彩虹区.表面检测结果表明,该区域经历了高于300℃的高温加热过程.数值计算结果表明在空泡溃灭形成的微射流的高速冲击下,试样表面材料在短时间内发生的塑性变形所释放出的能量是造成材料局部升温的主要原因.在塑性变形相同的情况下,材料的导热系数是影响彩虹环区域大小的关键因素.     

空蚀诱发铁基纳米结构的发生机制

利用超声空化设备,分别在自来水和去离子水介质中针对Q235钢进行表面振动空蚀处理.利用扫描电子显微镜、激光共聚集显微镜、拉曼光谱仪和透射电子显微镜对自来水介质中产生的空蚀坑及坑缘形貌、结构进行了分析.结果表明:Q235钢空蚀呈现典型的彩虹环结构,该结构是由δ-Fe OOH组成的具有不同叠加厚度的纳米薄片.纳米结构生成机制为空化作用引起的空蚀产物喷发堆积.其中,较之去离子水介质,自来水介质中产生的纳米薄片厚度和数量要大得多,表明离子对羟基氧化铁纳米结构的形成有促进作用.     

多相流作用下锡黄铜的空蚀-冲蚀行为

采用空蚀-冲蚀联合作用试验机测试和扫描电镜(SEM)分析相结合研究了锡黄铜的空蚀-冲蚀行为,考察了水流速度和沙粒对铜合金空蚀-冲蚀行为的影响.研究表明:锡黄铜的抗空蚀能力随水流速度增加而降低,当水流速度增加到一定值时,合金的抗空蚀能力降低幅度减缓,这归因于水流的冲击导致的材料表面硬化;通过铜合金质量损失率曲线分析可知:本文试验条件下锡黄铜在不同流速下的空蚀过程主要包含孕育期、上升期和稳定期;固体颗粒(沙粒)对锡黄铜的抗空蚀能力有不利影响,铜合金在含沙水中的质量损失显著高于同等条件自来水中,这主要是由于在空蚀过程中沙粒的冲击破坏所造成.观察试验后样品表面形貌,发现合金表面有由空蚀/冲蚀作用所造成的唇片、凹坑和沟槽等特征形貌.     

沙水润滑下纳米改性NBR材料的摩擦学性能

丁腈橡胶(NBR)是一种优异的水润滑减摩耐磨材料,但硬质颗粒的介入对其产生较大的材料损失. 利用硅烷偶联剂TESPT改性纳米SiO₂颗粒,并填充至NBR基体,获得改性纳米SiO₂/NBR标记为NBR-1. 改性后的纳米SiO₂颗粒在NBR基体中均匀分散. 将纳米SiO₂颗粒、微米SiO₂颗粒填充至NBR基体标记为NBR-2、NBR-3作为对照组. 三种复合材料在武汉理工大学自制的SSB-100型摩擦磨损试验机上进行沙水润滑工况下的摩擦磨损试验. 结果表明:三种复合材料在沙水工况下摩擦系数均随载荷和转速的增加而下降. 在相同的载荷和转速条件下,NBR-1的摩擦性能最为优异. 对比三种材料的耐沙磨损性能,沙粒对NBR表面的磨损主要为犁沟磨损,NBR-2和NBR-3材料磨损量远远大于NBR-1,NBR-1材料更适用于含沙水区域.      

HVOF制备的微纳米结构WC-12Co涂层组织结构与抗空蚀性能

本文中采用HVOF工艺制备了二种微纳米结构及一种普通微米WC-12Co金属陶瓷复合涂层,并采用SEM、XRD等分析了涂层的显微形貌和组织结构;测量了涂层的显微硬度、孔隙率及开裂韧性;采用超声振动空蚀装置研究了涂层的抗空蚀性能,探讨了涂层空蚀机理.结果表明:由亚微米与纳米WC-12Co组成的微纳米结构涂层孔隙率最低,组织最细小;虽然HVOF制备的微米WC-12Co涂层中WC基本上没有产生氧化脱碳,但是在二种微纳米结构WC-12Co涂层中WC不同程度地产生氧化脱碳,生成W₂C、W及Co₆W₆C等物相;由亚微米与纳米WC-12Co组成的微纳米结构涂层显示了最优异的抗空蚀性能,空蚀率仅为微米涂层的1/3,其涂层抗空蚀性能提高的根本原因在于涂层中同时存在亚微米和纳米尺寸的WC、W₂C、Co₆W₆C高硬度颗粒及一定量的Co、W韧性金属,由此提高了涂层的硬度和开裂韧性,延缓了微裂纹的产生与扩展.     

多弧离子镀硬质膜的抗空蚀性能研究

利用磁致伸缩振动空蚀试验装置,研究了灰口铸铁表面多弧离子镀TiN、CrN及（Ti,Cr)N硬质膜的抗空蚀性能。研究结果表明,离子镀硬质膜的抗空蚀性能与铸铁基体的表面粗糙度、离子镀层的表面特征、镀膜过程中工件负偏压及镀层厚度密切相关。采用屏蔽离子镀可以有效地减少膜层表面的微颗粒及微缺陷,从而改善材料的抗空蚀性能。当基片负偏压为300V而膜厚为3μm时,硬质膜的抗空蚀性能最佳。     

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.     

Inconel 718镍基超合金的空蚀行为研究

采用超声振动空蚀试验机对Inconel 718镍基超合金与316L不锈钢进行空蚀磨损研究. 通过扫描电子显微镜(SEM)、场发射电镜(FESEM)以及高分辨X射线衍射仪对测试样品空蚀磨损表面形貌、微观结构演变和物相进行观察及分析. 结果表明:Inconel 718表现出更优异的抗空蚀磨损性能，其空蚀600 min累计质量损失约为316L的1/3，空蚀孕育期时长为316L不锈钢的2倍左右. 在空蚀孕育期，Inconel 718空蚀损伤首先发生在晶界、孪晶界等界面处，且并未出现明显的塑性变形. 316L在此期间呈现较为明显的塑性变形，空蚀表面起伏波动显著. 在空蚀加速期，Inconel 718质量损失的显著提升是由于空蚀表面微裂纹的扩展导致材料逐渐剥落引起的，316L则是由于空蚀表面大量凹坑的不断形成与合并导致质量损失的增加. Inconel 718空蚀120 min后，观察到空蚀磨损表面有明显的形变孪晶，且与空蚀前的金相形貌相比，形变孪晶有明显增多的趋势.      

空蚀研究现状

本文介绍近年来有关空蚀研究进展情况。空化所引起空蚀是很复杂的物理现象,很多运转于液体中的机械都有程度不等的这种损坏。因此有关空蚀研究也是从流体力学、材料科学及物理化学等多方面入手的。本文概括有关的基础研究及应用研究所取得结果,以利于今后工作中参考。      

颗粒毛细效应影响因素的离散元分析

颗粒毛细效应是指将一根细管插入填充有颗粒物质的容器中并对管施加竖直振动时颗粒在管内上升并最终达到一个稳定的高度的现象, 该现象为颗粒物料的逆重力输运提供了一种潜在的技术途径. 为探究颗粒毛细效应的影响因素, 采用离散元方法, 模拟再现了颗粒毛细效应过程,展示了不同管径下颗粒竖直方向速度演变特性, 考察了不同容器宽度和振动条件下颗粒最终毛细上升高度随管径的演变规律. 结果表明, 在容器宽度与粒径比为40、管振幅与粒径比为14.33、管振动频率为12 Hz情况下, 管径与粒径比$D/d = 3.33$时, 管内颗粒堵塞严重, 使得颗粒上升缓慢,并造成颗粒柱中断; $D/d = 8.33$时, 起初毛细上升高度增加迅速, 随后毛细上升高度的增大逐渐减缓, 管内颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度; $D/d =15$时, 随着颗粒毛细上升高度的增大, 管内颗粒柱分离为速度截然不同的两层, 上层颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度, 而下层颗粒存在明显的速度梯度.研究还发现, 在毛细效应能够发生的管径范围内, 存在一个对应于颗粒最终毛细上升高度最大值的临界管径, 当管径小于临界管径时, 颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而增大, 当管径大于临界管径时, 颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而趋于减小; 增大容器宽度,临界管径有所增大; 增大振幅、适当提高频率能够有效促进临界管径的增大.      

Observations of acoustically generated cavitation bubbles within typical fluids applied to a scroll expander lubrication system

An experimental study to evaluate the dynamic performance of three different types of cavitation bubbles is conducted. An ultrasonic transducer submerged into the working fluids of a scroll expander is utilised to produce cavitation bubbles and a high speed camera device is used to capture their behaviour. Three critical regions around the ultrasonic source, between the source and the solid boundary, and across the solid boundary were observed. Experimental results revealed that refrigerant bubbles sustain a continuous oscillatory movement, referenced as “wobbling effect”, without regularly collapsing. Analytical results indicate the influence of several factors such as surface tension/viscosity ratio, Reynolds number and Weber number which interpret that particular behaviour of the refrigerant bubbles. Within the refrigerant environment the bubbles obtain large Reynolds numbers and low Weber numbers. In contrast, within the lubricant and the water environment Weber number is significantly higher and Reynolds number substantially lower. The bubble radius and velocity alterations are accurately calculated during the cavitation process. Lubricant bubbles achieve the highest jet velocity while refrigerant bubbles having the lowest jet velocity are not considered as a destructive mean of cavitation for scroll expander systems.     

KH2PO4/SiO2复合粉体抑制铝粉爆燃效果及机理分析

为研究KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂对铝粉爆燃的抑制作用,采用球磨机将KH₂PO₄和SiO₂混合研磨制备出新型的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂。在哈特曼管实验装置上,开展爆燃火焰传播抑制实验,结果表明:随着KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂含量的增加,爆燃火焰传播长度和速度逐渐减小,当添加质量比10∶6的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂时,可实现铝粉爆燃火焰传播的抑制。在20 L球形爆炸装置上,开展复合粉体抑爆剂抑制铝粉爆炸压力测试实验,结果表明:随着KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂含量的增加,铝粉爆炸最大爆炸压力p_max和最大爆炸压力上升速率(dp/dt)_max逐渐减小,当添加质量比10∶9的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂时,可实现铝粉爆燃的完全抑制。通过KH₂PO₄粉体、SiO₂粉体与复合粉体抑爆剂对比可知,复合粉体抑爆剂对铝粉火焰传播和爆炸压力的抑制效果都优于单体粉体抑爆剂。通过对铝粉在空气中燃烧的热分析研究,从化学和物理两个方面分析了KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂对铝粉爆燃的抑制机理。     

DYNAMICAL BEHAVIORS OF DOUBLE CAVITATION BUBBLES UNDER ULTRASONIC HONING

为了探讨超声珩磨作用下磨削区的空化机理,基于速度势叠加原理,考虑超声珩磨速度和珩磨压力,建立了磨削区两空化泡的动力学模型. 数值模拟了磨削区空化泡初始半径、两空化泡间距、超声声压幅值、珩磨压力、珩磨头转速对磨削区两空化泡动力学特性的影响. 研究表明,考虑两空化泡之间的相互作用时,要想获得良好的空化效果,可将两空化泡初始半径之比控制在3 倍以内;选择较高的超声波声压幅值与较低的珩磨压力,并且使超声波声压幅值与珩磨压力和液体静压力之差介于0.66~1.89MPa 之间;增大珩磨头转速空化泡溃灭也略有加速;通过试验测量材料表面粗糙度的方法间接验证了理论分析的合理性.     

超声珩磨作用下两空化泡动力学特性

为了探讨超声珩磨作用下磨削区的空化机理,基于速度势叠加原理,考虑超声珩磨速度和珩磨压力,建立了磨削区两空化泡的动力学模型. 数值模拟了磨削区空化泡初始半径、两空化泡间距、超声声压幅值、珩磨压力、珩磨头转速对磨削区两空化泡动力学特性的影响. 研究表明,考虑两空化泡之间的相互作用时,要想获得良好的空化效果,可将两空化泡初始半径之比控制在3 倍以内;选择较高的超声波声压幅值与较低的珩磨压力,并且使超声波声压幅值与珩磨压力和液体静压力之差介于0.66~1.89MPa 之间;增大珩磨头转速空化泡溃灭也略有加速;通过试验测量材料表面粗糙度的方法间接验证了理论分析的合理性.      

考虑空化影响的水润滑橡胶合金轴承冲蚀磨损研究

用计算流体力学方法,数值模拟水润滑轴承空化-冲蚀交互作用时气液固三相流场的动力学特性(压力场、速度场、气含率分布),然后在水润滑轴承摩擦磨损装置上,进行试件磨损试验,并观察试件表面形貌.结果表明:考虑空化影响后,水润滑轴承整个流场压力分布更接近实际;数值模拟所得的流场压力、速度、气含率最大值,均出现在发生空化的位置附近,其余位置基本不变,说明交互磨损比单一磨损严重.观察试件表面磨痕,存在短程犁沟、空蚀针孔、麻点状气蚀坑和蚀坑,磨痕呈现规律性,磨痕与轴转速的方向基本一致.试验结果和数值计算吻合较好,证明了理论分析的正确与合理.上述仿真与试验初步探讨了水润滑轴承空化与冲蚀交互作用的磨损机理与影响因素.     

PTFE@SiO2核壳型添加剂在不同实验条件下的水润滑性能

采用原位聚合法制备了聚四氟乙烯@二氧化硅(PTFE@SiO₂)复合粒子. 利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、粒径分布仪以及傅立叶红外光谱仪(FTIR)对复合粒子的形貌、粒径分布和组成结构进行了分析. 结果表明:所制备的复合粒子呈核壳型复合结构,粒子尺寸处于亚微米级别. 分散性试验表明:该粒子在水中具有良好的分散性和稳定性. 利用LSR-2M往复式摩擦磨损试验机测试了不同试验条件下复合粒子在水环境中的摩擦学性能,结果表明:在常温、0.019 m/s滑动速率以及0.2 μm的钢盘粗糙度下,PTFE@SiO₂润滑剂具有最佳的摩擦学性能;相比于纯水和添加了PTFE/SiO₂的润滑剂,其摩擦系数降低了近80%,磨损体积减小了1~2个数量级. 分析表明:PTFE@SiO₂复合粒子优异的水润滑性能主要与核壳结构的存在以及在摩擦过程中形成的高质量转移膜密切相关.      

超声波作用下气泡的非线性振动

Flynn方程在引入泡内气体的压缩性修正后能够更好地描述超声波作用下液体内气泡的非线性振动。我们以此为基础通过数值分析得到了不同初始半径的气泡在同一声场中的振动位移时间图像和相轨迹,发现气泡的运动行为对其初始状态有很强的依赖关系,在频率为26.5 kHz,幅度为1.35 atm的声波作用下,初始半径小于1 μm的气泡作小幅受迫振动,大于200 μm的气泡作小幅准本征振动,不具备空化气泡特征。声场中的小气泡对声波强度变化的反应更为激烈,当增加声强度时,可将一定范围内的小幅受迫振动气泡转化为空化气泡,并且,当驱动声波压力幅值增加时,初始半径越小的气泡的最大位移增加幅度越大。驱动声波频率同样影响气泡的振动。随着声波频率的升高,空化气泡的初始半径取值区间越来越小,空化振荡也越来越弱。本文还通过高速摄影系统对换能器作用于未除气的自来水所引起的变化进行了实验研究,结果表明,超声波作用下液体内的气泡场是一个混合场,场内气泡尺寸呈一定的分布状态,不仅有空化气泡,还有毫米级的大气泡。气泡的运动行为直接影响空化效果。超声空化场是一个复杂的物理场,场内除了有气泡的振动外,还有气泡间的相互吸引、碰撞和结合。      

Flow regime transitions due to cavitation in the flow through an orifice

This paper presents both experimental and theoretical aspects of the flow regime transitions caused by cavitation when water is passing through an orifice. Cavitation inception marks the transition from single-phase to two-phase bubbly flow; choked cavitation marks the transition from two-phase bubbly flow to two-phase annular jet flow.

It has been found that the inception of cavitation does not necessarily require that the minimum static pressure at the vena contracta downstream of the orifice, be equal to the vapour pressure liquid. In fact, it is well above the vapour pressure at the point of inception. The cavitation number [σ = (P₃ − P_v)/(0.5 pV²); here P₃ is the downstream pressure, P_v is the vapour pressure of the liquid, ρ is the density of the liquid and V is the average liquid velocity at the orifice] at inception is independent of the liquid velocity but strongly dependent on the size of the geometry. Choked cavitation occurs when this minimum pressure approaches the vapour pressure. The cavitation number at the choked condition is a function of the ratio of the orifice diameter (d) to the pipe diameter (D) only. When super cavitation occurs, the dimensionless jet length [L/(D - d); where L is the dimensional length of the jet] can be correlated by using the cavitation number. The vaporization rate of the surface of the liquid jet in super cavitation has been evaluated based on the experiments.

Experiments have also been conducted in which air was deliberately introduced at the vena contracta to simulate the flow regime transition at choked cavitation. Correlations have been obtained to calculate the critical air flow rate required to cause the flow regime transition. By drawing an analogy with choked cavitation, where the air flow rate required to cause the transition is zero, the vapour and released gas flow rate can be predicted.