动力学参数对叶轮冲蚀与空蚀交互磨损影响研究

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1、动力学参数对叶轮冲蚀与空蚀交互磨损影响研究第一章绪论1.1引言流体机械的磨损形式与其工作的环境密切相关。我国河流多泥沙，尤其是汛期更甚，在浑水中工作的机械设备不可避免的存在着泥沙冲蚀与空蚀磨损。这导致流体机械叶轮破坏加剧，机组效率下降、使用率和可靠性降低，危及安全运行或是引起频繁检修，造成重大的经济损失。所以运用科学技术来避免或是减弱流体机械过流部件磨蚀问题，对减少检修费用以及停机带来的损失，提高设备运行效率等都具有重大的经济意义和社会意义。根据流体机械的工况条件，其磨损形式主要包括三种：冲蚀磨损、空蚀磨损以及冲蚀与空蚀交互磨损。冲蚀磨损（

2、Erosion）是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时，表面出现破坏的一类磨损现象[1]。冲蚀磨损一般涉及到多相流，占主导地位的连续相起着承载多相流动作用，称为主相；夹杂在主相中引起冲蚀磨损的连续流体或是颗粒称为辅相。根据主相中携带介质的不同（即辅相的成分）及携带颗粒的组合，冲蚀磨损可按表1.1分类[2]。空蚀磨损（Cavitation）是空化引起的结果。当液体内局部压力降低时，液体内部或液固交界面上空穴的形成和发展的过程就是空化。空蚀磨损主要是指空化泡破裂产生的冲击破坏材料表层结构的现象。在慢速流体机械中这种现象并非严重问题，但在高速旋转类

3、机械中这会导致机械磨损破坏，产生振动、噪音，从而大幅度降低机械的工作效率。冲蚀与空蚀交互磨损（InteractiveErosionandCavitationagnus升力、热泳力、布朗力以及表面张力。Magnus升力由颗粒自身旋转产生；一般在有辐射或热迁移过程中才考虑热涌力；表面张力对空泡有重要影响。当颗粒为亚微观粒子时才考虑布朗力、basset力、magnus升力和saffman升力的影响[11,56-58]。在交互磨损中采用的沙粒是经过筛选出来的湘江沙，直径为0.2mm。沙粒的浮力跟重力相比可以忽略。综合考虑：在此种环境对沙粒运动起主导

4、作用的力包括重力、粘性阻力和压强梯度力；空泡从产生到溃灭是一个时刻变化的过程，对此变化过程起主导作用的力包括粘性阻力、压强梯度力和表面张力。图2.1为沙粒和空泡在边界层的受力分析。2.2冲蚀与空蚀交互磨损流场的数值分析通过数值分析来模拟汽液固三相流场冲蚀与空蚀交互磨损过程，能够最大限度的减少实验成本、缩短实验周期以及解决实际实验中不能实现的科学问题。这已经成为研究流体运动的主流手段。本文的数值分析工作由流体动力学主流软件ANSYS-FLUENT完成。流体运动过程中遵循物理守恒定律，其基本守恒方程包括：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程

5、以及组分守恒方程。在冲蚀与空蚀交互磨损计算过程中，不考虑热效应的影响，关闭了能量守恒方程和组分守恒方程；同时加入了沙粒受力力平衡方程和完整空化模型。以转盘式磨损实验台为原型利用PROE软件建立了交互磨损计算模型。从喷嘴出流的高速含沙水流对磨损转盘有冲蚀作用；同时由于磨损转盘的高速旋转，水流的流线被空化源孔扰乱，在流场中形成压力梯度，从而析出空泡；而空泡溃灭的冲击又会对转盘产生空蚀磨损；冲蚀与空蚀共同作用，在空化源孔后方产生交互磨损。交互磨损数值分析模型如图2.2所示。.第三章冲蚀与空蚀交互磨损实验....253.1流体机械磨损的常用实验设备

6、......253.2转盘式磨损实验装置与实验方案..........253.3实验数据分析........313.4实验结果........323.4.1材料的交互磨损失重量......323.4.2交互磨损实验结果正交分析.......333.4.3试件交互磨损形貌......34.5本章小结........36第四章流场动力学参数对冲蚀与空蚀交互磨损的影响..........394.1流场压力对交互磨损的影响..........394.2冲蚀角对交互磨损的影响.....474.3冲蚀速度对交互磨损的影响..........544.4本

7、章小结........60第五章结论与展望...........615.1结论........615.2展望........62第四章流场动力学参数对冲蚀与空蚀交互磨损的影响4.1流场压力对交互磨损的影响通过分析交互磨损流场的总压等值线、汽相体积比等值线和沙粒的浓度分布研究交互磨损的破坏程度。图4.1是流场压力从0MPa上升到0.1MPa过程中流场的总压等值线分布，不同颜色代表不同压力数值，且等值线越密集，流场压力梯度越大。当流场压力为0MPa时，三相流场中难以形成压力梯度，空化发展的条件不足，总压等值线分布紧贴着空蚀源孔，磨损破坏程度及区

8、域有限，如图4.1a。流场压力从0.025MPa增大到0.05MPa过程中，流场的最大冲击压力从6.54105Pa上升到5.63106Pa；并且等值线从稀疏到密集，压力梯度持续增