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.     

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.     

液固两相流冲洗油管道的冲蚀磨损特性数值模拟及分析

以液固两相流冲洗油管道为研究对象,采用Realizableκ-ε湍流模型、随机轨道模型,结合液固两相流冲蚀磨损试验,建立修正的冲蚀磨损数理模型,数值预测典型工况下冲洗油管道内速度、压力、冲蚀磨损率等流动参数分布情况,分析了冲蚀磨损的形成机制.研究结果表明:受曲率半径影响,冲洗油管道冲蚀磨损速率随曲率半径的增加而减小;由于颗粒惯性及管内二次流影响,弯头中间区域外侧壁面和出口直管段内侧面磨损较为严重,三通管件的最大冲蚀磨损率位于孔口处,数值预测结果与失效解剖案例吻合.本文建立的冲蚀磨损定量预测方法,适用于压力管道的风险评定及寿命预测.     

固-液两相流黑水管道冲蚀磨损的数值模拟研究

煤气化黑水处理系统管道由于其流体介质高含固体颗粒和腐蚀性介质,且工作在高温、高压差环境中,极易受到冲蚀磨损和腐蚀的耦合作用而失效,影响其服役寿命. 采用计算流体力学(CFD)方法数值模拟研究了煤气化黑水处理系统固-液两相流管道的冲蚀磨损行为和机理,以及流体介质速度和固体颗粒粒径对管道冲蚀磨损的影响规律,并分析了盲通管和涡室结构对弯管冲蚀磨损行为的优化改善效果. 研究结果显示,煤气化黑水处理系统管线的冲蚀高危区主要分布在弯管外拱和变径管等结构突变区域;管道冲蚀磨损行为与其内部流体的运动和颗粒冲击特性有关;管道的冲蚀率均随着流体速度的增加而加剧,而粒径对弯管和变径管冲蚀率的影响并非单调关系,这与颗粒受力作用有关;弯管优化分析显示,涡室结构可以降低弯管的最大冲蚀率,减缓弯管的冲蚀磨损.      

石油防砂割缝筛管的冲蚀磨损性能研究

以直径为0.1～0.6 mm的石英砂为磨料,黏度为10 mPa·s的原油为携砂液,在自制的冲蚀磨损试验装置上研究了含砂原油对石油防砂割缝筛管的冲蚀磨损性能,采用LW200-4CS数码倒置金相显微镜观测了筛管缝口表面的冲蚀磨损形貌;利用曲线拟合方法建立了割缝筛管冲蚀磨损率与原油流速、砂粒直径、砂粒浓度、冲蚀角之间关系的数学模型.结果表明:筛管的冲蚀磨损率随含砂原油流速的增加而成指数关系增加;开始时随着原油中所携带砂粒直径和浓度的增加,筛管的冲蚀磨损率增加,达到一定数值后砂粒直径和浓度再增加,割缝筛管的冲蚀磨损率反而降低;随着冲蚀角的增大,割缝筛管的冲蚀磨损率增加,在冲蚀角为90°时达到最大,这种现象不同于塑性材料的冲蚀磨损机理;所建立的数学模型与试验结果较吻合.     

聚脲涂层的冲蚀磨损机理研究

采用高速含沙水射流冲蚀磨损试验机测试了聚脲涂层的冲蚀磨损性能,试验结果表明所制备聚脲涂层具有优异的耐冲蚀性能.根据Bitter的塑性材料冲蚀模型,应用Matlab程序进行拟合计算,探讨聚脲涂层在不同冲蚀角度和速度下的冲蚀规律,研究表明聚脲涂层在冲蚀角度30°时切削磨损量最大,而接近90°时变形磨损量最大.     

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.     

一种激波驱动的新型固粒冲蚀试验系统

针对目前大部分固体颗粒冲蚀试验系统存在反弹颗粒干扰、颗粒质量计算误差大等问题,采用激波驱动气固两相流的方式,并结合动态压力传感器、高速摄影仪对激波及颗粒测速的方法,设计了1种新型冲蚀磨损试验系统,具有结构简单、操作方便、颗粒质量计算准确等优点.该装置最大激波马赫数可达2.3,能将颗粒加速到200 m/s以上,适用不同颗粒、材料及表面处理试件进行15～90°冲击角下的磨损特性试验.通过SiO2颗粒对低碳钢的冲蚀试验,证实了该装置测得数据与经典试验数据规律一致.因此,本试验系统有望作为1种新的冲蚀磨损试验方法,应用于耐固粒冲蚀的优化设计和寿命预测等领域.     

几种水机常用金属材料的冲蚀磨损性能研究

研究了在水力机械中普遍应用的铸铁(HT200)、中碳结构铸钢(40#)、不锈钢(1Cr18Ni9Ti)和高铬铸铁(KmTBCr26)4种材料的冲蚀磨损规律,得出了材料的冲蚀磨损率随磨损时间、冲蚀速度、磨粒浓度和粒径变化的规律,同时根据观察材料冲蚀磨损表面形貌探讨了其冲蚀磨损机理.结果表明:材料的冲蚀磨损性能受到材料基本机械性能的控制,其中高硬度材料的抗冲蚀性能较好,在相同试验条件下其磨损率由大到小排列顺序为HT200＞40#＞1Cr18Ni9Ti＞KmTBCr26;4种材料的冲蚀磨损率随磨粒粒径、浆料浓度和磨粒冲击速度的变化规律基本一致,当磨粒粒径小于425 μm时,磨粒粒径对KmTBCr26和1Cr18Ni9Ti的磨损率影响很小;金属材料的组织结构对材料的冲蚀磨损性能和机理影响较大,其中KmTBCr26和1Cr18Ni9Ti的冲蚀磨损机理以脆性断裂、破裂及颗粒脱落为主,而HT200和40#的冲蚀磨损机理以选择性切削式冲蚀磨损为主.     

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.     

氯化橡胶涂层冲蚀磨损行为的研究

针对含有海砂的海水环境,研究了氯化橡胶涂层在不同冲击角度、不同海砂浓度的环境中的冲蚀磨损行为及机理.结果表明:在含砂的海水环境中,氯化橡胶涂层的最大冲蚀磨损量发生在冲蚀角度为67.5°,最小冲蚀磨损量发生在冲蚀角度为22.5°;在不同冲蚀角度下,冲蚀磨损量均随着海砂浓度的增加而增加;低角度冲蚀磨损时,涂层的破坏形式主要以切削和犁削为主,高角度下,涂层的破坏形式则以变形与凿击为主.     

Erosion in conical diffusers in particulate-laden cavitating flow

This paper highlights the serious damage that can occur in diffusing sections of pipework in which a cavitating particulate-laden fluid is flowing. The combined effects of particle erosion and cavitation are shown to remove considerably more material than would be expected from summing the effects of the individual mechanisms. It is demonstrated that, to be sure of avoiding this accelerated surface erosion, the transition from a smaller flow section to a larger one needs to be an abrupt expansion. If pressure recovery is important, a possible design solution is proposed. In the case of swirling flow, the expansion again needs to be abrupt. Evidence was also obtained which showed that, by allowing air to be entrained into the low pressure region in the flow, the cavitation and the erosion can be substantially reduced.     

Sand Erosion in Axial Flow Conditions

A mathematical model of sand erosion in axial flow conditions is presented. The basic mass balance equations and sand erosion constitutive equation were given in Vardoulakis et al. (1996). As opposed to reference Vardoulakis et al. (1996), we consider here the extreme case where convection is null and hydrodynamic dispersion dominates. In addition, Brinkman's extension of Darcy's law is adopted to account for a smooth transition between channel flow and Darcian flow. The set of governing PDE's is presented in dimensionless form and is solved numerically. In concordance with the basic constitutive equation for erosion kinetics, the analysis shows that erosion progresses in time as a front of high transport concentration. This result is justified by the highly non-linear character of the erosion source term which dominates in the diffusion-like governing equation.     

聚氨酯(脲)涂层冲蚀磨损性能研究

选用不同比例的低聚合物多元醇、多元胺、扩链剂、催化剂和异氰酸酯制备聚氨酯(脲)弹性涂料,采用喷涂技术在玻璃试片上制备聚氨酯(脲)涂层,用Taber摩擦磨损试验机和高速含沙水射冲蚀磨损试验机评价聚氨酯(脲)涂层的耐磨性能,用扫描电子显微镜观察涂层的磨损表面形貌,分析涂层组分与其冲蚀磨损性能的关系.结果表明:聚氨酯(脲)涂层体系中主要成膜物质的组分对耐冲蚀磨损性能影响较大,随着活性氢组分中端胺基聚醚和胺类扩链剂含量增加,聚氨酯(脲)涂层的耐冲蚀磨损性能提高;由于聚氨酯/聚脲混合体系和聚氨酯涂层中大量气孔的存在,从而导致涂层冲蚀磨损量增加;纯聚脲涂层具有比聚氨酯/聚脲混合体系涂层优越的磨损性能,不仅在干摩擦条件下,在高速含水砂流冲蚀条件下也体现出优异的抗冲蚀性能,而且对冲蚀角的敏感性有所改善.     

人牙釉质的酸蚀行为研究

通过体外原位酸蚀试验,采用显微硬度仪、台阶仪、SEM和EDX等考察了在pH=3.20的柠檬酸溶液作用下,人牙釉质表面硬度、组织结构、化学组成等性能随酸蚀时间的变化关系,初步分析了牙釉质在柠檬酸溶液中的酸蚀过程和机制.结果表明,在柠檬酸溶液中腐蚀1 min后,牙釉质无明显酸蚀损伤;腐蚀3 min后,牙釉质表面硬度及Ca、P含量均明显降低,釉质表面旱现酸蚀损伤,腐蚀深度为0.236 μm;随酸蚀时间继续延长,牙釉质表面损伤进一步加剧.形貌分析显示:在腐蚀初期,人牙釉质内的釉柱先于相邻釉间质发生酸蚀剥落,而釉柱丧失会进一步加剧釉间质的酸蚀,两者互相促进,最终导致牙釉质表面发生实质性的硬组织丧失.     

水煤浆喷嘴热冲蚀磨损机理研究

采用1Crl8Ni9Ti不锈钢、YG8硬质合金和Al2O3／(W，Ti)C陶瓷3种材料制备了水煤浆喷嘴，考察了其在水煤浆雾化和燃烧过程中的热冲蚀磨损机理．结果表明：喷嘴材料的硬度对水煤浆喷嘴的热冲蚀磨损行为具有重要影响；在相同条件下，高硬度的Al2O3／(W，Ti)C陶瓷喷嘴的冲蚀率最低，YG8硬质合金次之，硬度较低的1Crl8Ni9Ti不锈钢喷嘴的冲蚀率最高；在热冲蚀磨损工况下，1Crl8Ni9Ti不锈钢水煤浆喷嘴主要呈现微切削特征，YG8硬质合金水煤浆喷嘴主要呈现晶粒剥落特征，而Al2O3／(W，Ti)C陶瓷水煤浆喷嘴主要呈现研磨损伤和热崩特征．     

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.