Stress waves propagation in solids under high-speed liquid impact

An experiment of impact between 450 m/s water jets and polymethylme- thacrylate (PMMA) materials with complex surface geometry was conducted. The testing surfaces were a corner, step change, surface-breaking notch, inclined surface, etc. Stress waves propagation in the solid such as reflection, interference and diffraction was observed using polarized optics and an Imacon high speed camera (operating at both of 106 and 5×105 framing rates per second, fps). A damage test by the impact of the side jetting of an 850 m/s water jet was also carried out. It was found that stress waves propagation in solids depends not only on the surface geometry but also on the contact situation between liquid and solid. It was shown that the side jetting has sufficient damage potential although its head may consist of finer droplets. The results of this paper are useful to further analyze the dynamic stress state of solids under high-speed liquid impact.

EXPERIMENTAL INVESTIGATION AND COMPUTER SIMULATION ON DYNAMIC BUCKLING BEHAVIOR OF LIQUID-FILLED CYLINDRICAL SHELLS UNDER AXIAL IMPACT

This article reports an experimental investigation on the axial impact buckling of thin metallic cylindrical shells fully filled with water. Low velocity impact tests are carried out by DHR-9401 drop hammer rig. The whole process of dynamic buckling is simulated using LS-DYNA computer code. The consistency between experimental observation and numerical simulation is quite satisfactory. The investigation indicates that quite high internal hydrodynamic pressure occurs inside the shell during the impact process. Under the combined action of the high internal pressure and axial compression plastic buckling occurs easily in the thin-walled shells and buckling modes take on regular and axisymmetric wrinkles.

Study on Nonlinear Coupling Wave Model for Liquid Droplet-Solid Impact

In order to investigate the material corrosion by liquid droplet solid impact, a nonlinear coupling wave model adopted to analyze the impact between the spherical liquid droplet and an elastic solid plane has been developed. Many usable results such as the dimensionless pressure in the contact plane of liquid solid and inside the liquid droplet, the equivalent stress distribution inside the solid, the effect of solid elasticity on the impact, and the locations of the maximum equivalent stress in different...

新型液阻式泵阀冲击特性研究

为了降低阀芯与阀座冲击应力减小二者间冲击磨损,提出一种液阻式新型泵阀。采用数值仿真方法对泵阀液阻结构参数进行了优化,并仿真计算了阀芯与阀座的冲击速度和泵阀碰撞冲击的压力接触情况。对比分析了液阻泵阀和传统泵阀的运动特征及冲击应力结果,并搭建试验台架对仿真模型结果进行验证。结果表明,在阀芯下落阶段,带液阻结构的泵阀的回落速度明显小于传统泵阀,传统泵阀阀芯与阀座相接触的速度达到了0.118 m/s,而带液阻结构泵阀的阀芯与阀座相接触的速度仅为传统泵阀的1/6左右,约为0.02 m/s;带液阻结构的泵阀只发生了1次碰撞,而传统泵阀发生了2次碰撞,在碰撞时,带液阻结构的泵阀阀芯与阀座上的最大接触应力约为260 MPa,而传统泵阀第1次碰撞为190 MPa,第2次为270 MPa;液阻式泵阀能明显降低阀芯与阀座相接触的速度,降低冲击应力,从而减小泵阀的冲击磨损。研究结果可为液阻式泵阀的设计和应用提供参考。

滨海核电厂液态流出物间歇排放数值模拟分析

应用非结构化网格MIKE 21水动力模型及对流扩散模块,针对某滨海核电厂工程海域建立液态流出物排放数学模型,对核电厂运营期间液态流出物中核素在等浓度排放条件下4种不同典型潮时(涨憩、落急、落憩、涨急)起始的间歇排放进行数值模拟,并与连续排放进行比较,给出了不同工况下液态流出物在环境水域中全潮平均相对浓度分布及影响范围、不同半径海域内核素的平均相对浓度以及取水相对浓度特征值。对比分析显示,滨海核电液态流出物在受纳水体中的输移、扩散主要受潮流影响。落急时刻起始的间歇排放方式总体上在环境影响和取水浓度方面均具有显著优势。计算结果可为核电厂液态流出物排放方式的优化及海洋环境影响评价提供了依据。

冲击式水轮机转轮水斗汛期泥沙磨损特性分析

泥沙磨损是冲击式水轮机水力部件失效的主要原因之一,特别是在汛期时,过机泥沙含量会大幅增加,而转轮水斗表面的挟沙三相流动过程复杂,其磨损问题会更为严重。本文以规划建设的西藏紫霞电站冲击式水轮机为研究对象,根据设计院提供的电站实测泥沙特性数据,采用Mansouri磨损模型和欧拉-拉格朗日方法对泥沙颗粒在转轮水斗表面的流动过程进行了三相流动数值模拟,分析了电站在汛期高泥沙浓度下颗粒的流动特性以及水斗表面的磨损分布。预测的水斗表面磨损分布与文献中实测的较为一致,预测结果表明水斗主要磨损区分布在靠近水斗根部的出水边附近以及缺口边附近;磨损分布和冲击次数的分布相似度最高,冲击次数对泥沙磨损的影响很大。

Marangoni流动对液滴撞击过热液池影响的数值模拟

对液滴撞击过热液池的动态过程进行数值模拟,着重关注由液池表面不均匀温度引起的马兰戈尼效应(Marangoni effect)对液池内的流场和温度场演化过程的影响。当乙醇液滴落入过热油池后,液池表面温度随着液滴的靠近而迅速下降,从而在径向上产生很大的温度梯度。由此引发的沿径向向内的Marangoni力会与沿径向向外的蒸汽剪切应力相抗衡,进而在蒸汽层最薄的位置形成一个“热射流”结构。随着时间的推进,占据主导地位的Marangoni力逐渐将“热射流”向内推动,直至在液滴下方形成下沉羽流。此外,随着液池黏度的增加,液池内由表面蒸汽应力引起的流动将被抑制,进而导致界面附近的换热效率大幅下降。

冲击载荷下蓄液结构动响应及防护机理的研究进展

工程实际中,飞机油箱、船舶液舱、油液储罐等各类蓄液结构可能面临炸药爆炸冲击波、弹丸侵彻等冲击载荷的威胁。在冲击载荷作用下,蓄液结构的动响应受载荷特性、结构形式、充液方式等多种因素影响,相应的结构防护机理涉及多相介质的流固耦合、波在不同介质中的传播、液体介质的空化、结构动态力学特性等多个科学问题。针对冲击载荷下蓄液结构的动响应及防护机理,总结了工程领域中典型的蓄液结构形式,分析了各类蓄液结构在爆炸冲击波、弹体侵彻及其联合作用等载荷下的结构动响应过程、结构破坏模式、载荷耗散过程、能量转化与吸收过程,总结了蓄液结构的冲击动响应特性,归纳了蓄液结构对各类冲击载荷的防护机理,从结构构型、结构动响应、理论研究方法、抗冲击防护技术等方面对蓄液结构抗冲击防护研究进行了展望。

管路液体冲击效应对压力传感器的影响研究

压力传感器作为管路压力测试的主要手段,应用在军用、民用各个领域,硅压阻压力传感器是目前应用最广泛的一种压力传感器,其特点是精度高、稳定性好、价格低、适于批量生产。在一些特定的环境下,被测管路内的液体工质会由于外部的振动、冲击、噪声等力学环境,使管路内部产生一个动态的异常冲击压力,这种冲击压力的幅频特性与管路的长短粗细、工质的特性、外部的激发量级、工质的温度等都相关,很难用理论公式准确地计算出结果。这种动态冲击信号往往会对压力传感器产生一定的机械损伤,本文介绍了特定条件下的管路内液体冲击压力的形成以及其对于传感器的影响,并经过试验进行了验证,为后续的工程应用提供一定的借鉴作用。

活性破片撞击液箱毁伤行为仿真研究

显著不同于传统惰性金属破片,活性破片在撞击液箱时,能够利用动能撞击和爆燃反应等双重机理实现侵、爆耦合作用液箱毁伤模式。文章利用AUTODYN有限元分析软件,研究了活性破片撞击液箱的结构毁伤增强行为。研究结果表明,在撞击液箱过程中,活性破片进入液体后将在化学能释放作用下形成类椭圆形空穴,且对液箱侧壁面造成的冲击更为严重;随着液箱前板厚度增加,空穴体积和前板最大隆起呈现先增大后减小趋势,前板侵孔直径则呈现逐渐增大趋势;随着撞击速度加快,活性破片激活率增加且动能增大,空穴体积和前板最大隆起逐渐增大,前板侵孔直径逐渐减小;随着注水率逐渐下降,箱体受到的冲击强度逐渐减小,前板最大隆起减小,且前板变形逐渐集中在一侧,但前板侵孔直径变化不明显。

磷酸镁水泥掺合料的研究进展

考虑添加掺合料能使磷酸镁水泥有更强的可操作性及更好的性能,结合国内外对磷酸镁水泥掺合料的研究现状,论述了可与磷酸镁水泥混合以形成复合磷酸镁水泥的掺合料种类,总结阐述了流动性、初凝时间、抗压强度、水化热、冲击韧性等性能要求,指出了复合磷酸镁水泥在实际工程应用中存在的问题以及未来磷酸镁水泥掺合料种类尚待深入的研究方向。

Mechanism of drilling rate improvement using high-pressure liquid nitrogen jet

To address the high rock strength and low drilling rate issues in deep oil/gas and geothermal exploitation, we performed mechanical property tests on three kinds of rock samples(granite, shale and sandstone) subjected to liquid nitrogen(LN2) cooling and conducted rock-breaking experiments using LN2 jet. Rock-breaking characteristics and mechanisms of LN2 jet, heat transfer features between LN2 and rock and thermal stress evolution in rock were analyzed. A novel high-pressure LN2 jet assisted drilling method was proposed accordingly. The study results show that LN2 thermal shock can significantly reduce uniaxial compression strength and elastic modulus of rock. Rock damage and corresponding mechanical deterioration become more pronounced with increasing rock temperature. The LN2 jet has merits of high rock-breaking efficiency and low threshold rock-breaking pressure. Rock failure under LN2 jet impact is characterized by large volume breakage and the rock-breaking performance becomes more significant with increase of rock temperature. Under the impact of LN2 jet, the damage of granite is the most remarkable among the three rock samples. Thus, this method works better for high temperature granite formations. It has a good application prospect in speeding up drilling rate in deep hot dry rock geothermal reservoirs.

Spray Atomization and Structure of Supersonic Liquid Jet with Various Viscosities of Non-Newtonian Fluids

These experimental investigations are designed to study shock wave characteristics and spray structure. Supersonic liq- uid jets injected into ambient fields are empirically studied using projectile impacts in a two-stage light gas gun. This study looks primarily at the design of the nozzle assembly, the tip velocity of the high speed jet, the structure of the spray jet and the shock wave generation process. The supersonic liquid jets were visualized using an ultra high-speed camera and the schlieren system for visualization to quantitatively analyze the shock wave angle. The experimental re- sults with straight cone nozzle types and various non-Newtonian fluid viscosities are presented in this paper. The effects of nozzle geometry on the jet behavior are described. The characteristics of the shock wave generation and spray jet structure were found to be significantly related to the nozzle geometry. The expansion gases accelerated the projectile, which had a mass of 6 grams, from 250 m/s. As a result, it was found that the maximum jet velocity appeared in the liquid jet with high viscosity properties. Supersonic liquid jets, which occurred at the leading edge the shock waves and the compression waves in front of the jets, were observed. Also, the shock waves significantly affected the atomization process for each spray droplet.

轴向补料对双金属薄壁管冲击液压成形影响的研究

双金属薄壁管冲击液压胀形技术是在液压胀形与冲压成形基础上发展起来的一种复合成形技术。为了获取更好的成形质量,在液压预成形与冲击液压成形相结合的基础上,通过改变液压预成形的加载路径实现双金属薄壁管成形。介绍双金属薄壁管冲击液压成形原理及内管轴向补料方案;利用Dynaform有限元分析内管轴向补料距离对双金属薄壁管壁厚分布的影响,获得轴向补料距离对双金属薄壁管成形规律;同时,分析内管轴向补料距离对管材中截面的对角线长度变化影响规律,从而获得内管轴向补料距离对双金属薄壁管填充性的影响。通过液压预成形阶段加载路径的研究,探明了轴向补料对双金属薄壁管成形规律的影响,为冲击液压载荷作用下的双金属薄壁管成形提供理论与应用支撑。

气爆危害对深隧竖井折板荷载的影响分析

深层隧道排水系统中的气爆危害将使竖井折板承受巨大的反向冲击荷载,严重威胁结构安全。为研究其荷载变化趋势,开展了长度比尺为1∶50的气爆模型水力试验,分析进气压、进气量、初始水深和联络管接入方式等关键因素的取值变化对冲击荷载的影响。结果表明:气爆对折板的反向冲击荷载可达正向水动力荷载的20倍以上且与进气压和进气量均呈正相关;当竖井内自由液面“紧邻”折板且联络管接入干区时,折板将大概率承受较大的冲击荷载。在试验研究基础上,分别拟合出了联络管接入湿区和干区时的最大冲击荷载预测式。研究成果可为折板型竖井正常安全运行以及结构设计优化提供技术支撑和理论指导。

防波板对罐车模型内液体晃荡影响的试验研究

罐车属于典型的移动式压力容器,在危险化学品运输中占有重要的地位。研究防波板对罐车液体晃荡产生冲击载荷的影响对于罐车的设计、防翻滚等具有重要意义。本文针对典型罐车模型进行试验,研究了载液高度、激励频率、激励幅值对液体晃荡引起的冲击载荷的影响,对比分析了有无防波板时自由液面的形状、罐车端面和防波板位置的冲击载荷峰值。试验结果发现:防波板会改变自由液面的固有频率,自由液面剧烈晃动的激励频率较无防波板时增大;防波板能有效降低相同激励频率和激励幅值下的冲击载荷峰值。在试验的激励频率范围内,中等载液高度时,防波板自由液面处的冲击载荷峰值大于同高度的罐车端面;高载液工况下,在自由液面以下的位置,罐车端面受冲击载荷峰值变化比防波板明显。在本研究基础上,通过实际罐车参数和液体晃动数值模拟,可对罐车和防波板的结构设计和优化提供指导。

液环泵叶片形状对叶轮进口回流及其外特性的影响

为减小液环泵叶片进口回流及冲击,基于非稳态气液两相流数值模拟方法,分别从叶片进口扭曲设计及叶片型线2个方面分析叶片形状对液环泵进口回流结构及其外特性的影响规律.研究结果表明:液环泵进口扭曲叶片设计能够有效抑制进口冲击引起的脱流,但叶片进口扭曲引起叶轮流道位置相对后移,吸气口始端叶轮流道内气液界面运动引起的相对体积扩充率降低,叶轮进口回流现象加剧;由于流道周向不对称,吸气区叶轮流道在进口产生真空的能力各不相同,由气液分界面运动引起的相对体积扩充率能够清楚地解释叶轮进口压力分布特性及回流结构;在叶片进口扭曲的基础上,控制叶片非吸入侧前弯能够有效提升吸气口始端流道的相对体积扩充率,θ=6°的进口扭曲叶型非吸入侧前弯设计叶片使得液环泵进口回流强度得到进一步的抑制,泵效率从15.46%提升至16.20%;叶型包角对进口真空度及进口回流强度的影响显著大于叶片出口安放角,增大叶型包角能够使吸气口始端叶轮流道沿旋转方向前移,增大流道内相对体积扩充率,降低回流强度,进而提高液环泵的真空度以及效率.

液池深度对水滴撞击水面后形态特征影响的实验研究

用实验方法对液滴撞击液面后的形态特征及其机理进行了研究。用高速摄像机记录了不同液池深度下的液滴撞击液面过程,总结出了在不同阶段出现的液坑、液冠、中心射流和次生液滴等特征现象。基于计算机视觉算法开发了图像处理程序,实现了特征几何参数的自动提取。讨论了液池深度、韦伯数、初始液滴直径和液滴下落高度等因素对特征运动形态的影响。结果表明:在韦伯数一定的情况下,当液池深度跨越某个临界值时,液坑、液冠、中心射流和次生液滴等特征现象发生显著变化;液冠–液坑高度比随韦伯数的增大在一定范围内增大;中心射流能否分离出次生液滴与液池深度和初始液滴直径有密切的关系。

液滴撞击倾斜表面铺展研究

液滴碰撞固体表面后铺展的现象广泛存在于航空航天领域和工农业生产中。在工程中,被撞击表面多不与液滴速度方向垂直,而前人对于液滴碰撞铺展的研究多基于垂直碰撞,其研究成果无法直接解决工程斜碰撞问题。通过实验研究液滴碰撞倾斜固体表面铺展形成液膜的演化过程,获得了不同表面倾斜角度和不同韦伯数条件下液膜形状的瞬态数据;基于新建立的液滴碰撞倾斜表面铺展理论,分析了液膜形状的瞬态变化过程,发现该理论可以合理预测小倾角下液滴的铺展,而对于大倾角下液膜在倾斜方向最大铺展宽度的预测,由于推导过程中将液膜上沿长度近似为常数,导致误差较大。为解决该问题,通过加入液膜上沿长度的细致理论分析,建立了一个预测液膜最大形状的解析模型,预测结果相对实验结果的误差可从前人61.8%的误差降至3.2%。

烷基化装置凝结水管道水击及腐蚀原因分析与对策

某石化公司烷基化装置开工后蒸汽凝结水回收工段存在水击、高压凝结水管道腐蚀穿孔的现象,影响了装置运行。分析凝结水管道水击以及腐蚀原因为气泡溃灭冲击与两相流冲刷腐蚀叠加。通过操作调整与技术改造,消除了水击与腐蚀,并提出了蒸汽凝结水回收工段的改进措施:在进闪蒸罐前设置贴壁阀与压力表;脱芳烃塔再沸器敷设单独凝结水管道,两股2.2 MPa凝结水由管廊汇合改为闪蒸罐前汇合,并在末端各自设置了阀门与压力表;脱轻烃塔再沸器敷设单独凝结水管道,两股0.45 MPa凝结水由管廊汇合改为排放罐前汇合,并在末端各自设置阀门与压力表。