空化水喷丸表面改性技术研究进展综述

空化水喷丸是一种利用空化现象产生的巨大能量冲击材料表面,对零件进行强化的表面改性技术。因其对诸多金属材料都具有强化作用,而被广泛应用于改善零件的表面状态,形成残余压应力层,延长零件的疲劳寿命。主要从基本原理、试验设备和研究现状3个方面对水射流空化喷丸(WJCP)、超声空化喷丸(UCP)和激光空化喷丸(LCP)进行了介绍,并从理论和试验等方面总结了不同类型金属材料进行空化水喷丸后其残余压应力、粗糙度和疲劳寿命等方面的变化情况。在上述研究内容的基础上,结合空化水喷丸技术的优势,对空化水喷丸今后的发展方向和应用前景进行了展望。研究表明,空化水喷丸技术作为一种新型的表面强化技术,具有独特的优势和广阔的发展前景。

内孔式旋转空化器参数对空化效果的影响

通过控制变量法使用Fluent软件对内孔式旋转空化器进行数值模拟,得到结构参数(盲孔的孔径、孔深,单排盲孔个数)和操作参数(转速、入口压力)对空化效果的影响规律:转子盲孔孔径、孔深、单排盲孔个数增加,转速(2000~3000 r/min)增加,则盲孔中气体体积增加;入口压力(1 MPa~4 MPa)增加,则盲孔中气体体积减小。实验中以纯水水样空化过程中温升和电导率的变化为空化效果检验标准,在3000~9000 r/min随着转速的增加,温升和电导率显著增加,间接验证数值模拟的结果。本文为内孔式旋转空化器的结构参数优化提供参考。

基于Omega涡识别理论的自适应空化流动模型

液体火箭发动机涡轮泵内存在多种空化类型,其发生机理有所不同,现有数值计算方法通常采用同一套模型预测所有类型空化,导致预测精度不足。为提高复杂空化流动的计算精度,提出了自适应空化流动模型。基于先进的Omega涡识别理论和ZGB空化模型建立了相变系数自适应调整方法,以涡轮泵内两种典型空化(附着空化和泄漏涡空化)为对象,利用翼型实验对模型进行了验证。首先对比了几种涡识别方法的差异,发现Omega方法对阈值不敏感且物理意义明确,适合作为相变系数的取值依据;分析了相变系数对附着空化和泄漏涡空化的影响规律及两种典型空化的形成机理。结果表明:自适应模型相比ZGB模型,对泄漏涡空化的预测精度在大间隙下提升了约181%,小间隙提升了约27%,对附着空化的预测更接近实验结果;附着空化是吸力面脱落涡形成的原因,间隙泄漏流场的涡带和剪切层空化是由间隙泄漏涡和分离涡共同作用形成的。

斜螺旋式旋转空化喷嘴性能仿真研究

针对旋转空化喷嘴(Spin Cavitation Nozzle,SCN)开采天然气水合物时能耗高、效率低的问题,设计了一种斜螺旋式旋转空化喷嘴(Oblique Spiral type Spin Cavitation Nozzle,OSSCN)。基于CFD方法,对OSSCN、SCN以及收缩-扩张型喷嘴(Contraction-Dilatation Cavitation Nozzle,CDCN)进行性能对比分析。仿真分析结果表明:与CDCN相比,OSSCN和SCN流场中空化泡的分布更广泛、空化性能更优,且对水合物碎片有着更强的卷吸能力;与SCN相比,OSSCN在水合物壁面处产生的液压冲击能量更大,其径向流速更高,对水合物壁面产生的冲蚀效果更佳;OSSCN的斜螺旋叶轮结构极大地降低了喷嘴液阻、减小了能耗,在与SCN性能相差不大的情况下,OSSCN较SCN降低了约39%的能耗,展现出高效节能的优势。该设计可为空化射流钻水平井+衬管完井技术的商业化应用提供技术支持。

转子-径隙式水力空化反应器的空化诱导噪声脉动特性研究

旋转式水力空化反应器作为一种高效产生空化气泡的设备被广泛应用于工业领域,其空化诱导噪声是其性能评估和目标优化的重中之重。研究了一种转子-径隙水力空化反应器的空化及其诱导噪声特性,对不同转子转速下的非定常空化流场进行了数值模拟;研究了空化与其诱导噪声脉动特性的相互作用机制,分析了空化诱导噪声的时频分布特性。结果表明,转速3300~3900 r/min,转子吸力面涡度由5960 s-1上升至7155 s-1,转子入口圆周涡度由6142 s-1上升至7597 s-1,这种提升表现为高涡度区沿压力面方向和入口圆周方向扩张;转速为3300 r/min下反应器噪声沿反应器内部环形流动方向,其噪声叶频脉动幅值经历了增长—稳定—降低3个阶段,其中,在蜗舌和流体出口位置,P8至P1的噪声叶频及其多阶谐频幅值均有不同程度降低;剧烈的空化致使出口位置空化诱导噪声的幅值不增反降,最终表现为出口位置噪声叶频及其多阶谐频幅值的降低,这是由于强空化状态下超空泡周期性溃灭量小于弱空化状态,空化气泡长期存在而非周期性溃灭。

聚焦超声作用下空化活动演变及其监测方法

高强度聚焦超声是实现肿瘤热消融的有效治疗方式。对超声治疗过程中的空化活动进行实时监测,对于保障治疗的安全性和有效性具有重要意义。该研究搭建了聚焦超声作用下仿生物组织体模和离体牛肝组织的被动空化检测和驱动功率监测系统,并使用显微镜记录了体模在超声作用过程中气泡和损伤的发展过程,分析了气泡发展过程与空化信号变化的相关性。实验表明:体模在电功率150 W的超声辐照过程中,沸腾气泡产生前未见宽带噪声幅值增加;6 s时体模内产生沸腾气泡,气泡破裂后产生大量空化核并形成空化泡群,宽带噪声幅值开始增长,此后泡群逐渐向换能器方向发展;在泡群停止向换能器端发展后,靠近换能器端的微小气泡逐渐融合产生沸腾气泡,惯性空化强度在沸腾气泡屏蔽下逐渐下降;沸腾泡产生和破灭时,驱动功率和回波信号中的谐波幅值同步出现大幅波动;在离体牛肝组织中,随声强的增加沸腾空化发生时刻逐渐提前。实验结果证明了沸腾气泡的产生及破裂,会促进惯性空化的发生。因此在不同强度的聚焦超声辐照下,可以通过调节辐照时间避免剧烈空化活动发生。

基于空化烈度的水轮机转轮叶片空化诊断研究

水电机组运行过程中出现的空化会侵蚀过流部件,加剧振动,降低机组效率并影响机组的稳定性,因此对机组空化进行诊断对安全稳定运行十分重要。空化辐射能量信号是宽频带信号,但常规方法仅监测某一特征频率或频带,难以实现空化准确监测,为此提出基于空化烈度开展水轮机转轮叶片空化监测。首先从监测原理出发,对比分析空化对频域能量分布特性的影响,提出采用空化烈度表征空化强弱的程度;然后基于空化机理和水轮机试验数据,提出判定空化发生与否的数学模型;最后开展水轮机空化台架试验,验证所提监测指标的有效性。结果表明:空化会导致高频带成分占比增加,基于高低频能量面积比构造的空化烈度指标能够有效判别出空化的发生及强弱,台架试验判定准确率达100%。研究结果可为水下机构空化等故障的检测提供理论依据。

旋涡空化水动力学特性研究进展与展望

涡空化作为一种在推进器叶顶涡心处产生的空化现象,在推进器原型上往往最早出现,其一旦发生将会严重影响舰艇的声隐身性能(噪声增加10 dB以上),在很大程度上限制了舰艇临界航速的进一步提升,因而长期以来一直是空化水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先简要介绍了旋涡空化流动相较于其他形式空化流动的特点,并以梢涡空化为主要对象,系统阐述了旋涡空化初生、发展的演变行为与流动机理研究,从空化三要素的角度深入讨论了其影响因素与作用机制.在此基础上,本文分别对旋涡空化流动中尺度效应、流动控制等关键问题的相关研究进展进行了回顾,较为系统地梳理了旋涡空化尺度效应的内在原因以及旋涡空化流动控制方法与控制思路.最后,本文针对目前旋涡空化研究领域关注的重点与难点问题,对旋涡空化流动研究中采用的实验测量及数值模拟技术进行了总结与展望.

叶片隆起对离心泵空化性能的影响

提出一种在叶片工作面布置隆起结构来提高离心泵抗空化性能的方法,基于RNG k-ε湍流模型和Kubota空化模型对离心泵非定常工况下的空化流动进行数值模拟,并对初始叶型和隆起叶型下的空化发展进行对比分析.结果表明:在未发生空化阶段,隆起叶型的泵扬程较初始光滑叶型有小幅度下降;在空化数减小至0.43时,隆起叶型的扬程大于原始叶型,其中隆起直径为2 mm的扬程最高;隆起结构延缓了空化的发生,表现出对空化现象的良好抑制效果;在空化发展阶段,叶片工作面的隆起结构增大了叶片工作面面积和表面粗糙度,改变了叶轮内部流道结构,在近壁面处形成了相对高压和高湍动能区域,增大了压力梯度,减小了叶轮进口低压区面积,有效抑制空化的发生和发展,减小空泡体积;在不同的空化发展阶段,隆起结构在工作面的不同位置未对空化发展产生明显影响.

基于Ansys Fluent的离心空化发生器数值模拟研究

离心空化发生器是水力空化发生器中的一种,现阶段,离心空化发生器的结构特征和工况对空化效率的影响尚不明确,因此,本文对离心空化发生器在多结构多工况下进行数值模拟研究,得到空化效率较高的结构和工况,用以指导离心空化发生器实际应用。利用Solidworks进行多结构建模,并将模型导入Ansys Fluent中进行网格划分和边界条件的设置,控制方程选择雷诺时均ns方程,空化模型选择Schnerr-Sauer,湍流模型选择标准k-ε两方程模型进行有限元仿真分析,建立不同结构和不同工况下空化效率变量分析图。结果表明:空化发生的主要区域在转子内孔底部;转子内孔为75°的离心空化发生器模型的空化效率明显优于70°和80°时的离心空化发生器;不同的转子转速和水流入口速度对空化效率有影响,转子转速越快空化效率越高,空化效率随着水流入口速度的增大先升高后下降,在0.5m/s时达到峰值。

湍流模型对风琴管喷嘴空化射流数值模拟的影响分析

针对不同湍流模型对空化射流流场数值模拟影响问题,基于ZGB(Zwart-Gerber-Belamri)空化模型和WALE(wavelet analysis of Lagrangian errors)亚格子模型,采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)和RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)模型对风琴管喷嘴空化射流流场进行数值模拟研究,分析内外流场的压力分布、速度分布以及空化云演变规律,并将空化云演变规律与实验结果进行对比分析。结果表明,LES模型速度、压力分布更符合实际情况,空化云演变规律与高速摄像拍摄结果基本吻合,LES模型可以更准确地模拟风琴管喷嘴空化射流流场,对风琴管喷嘴结构优化、打击力度与目标靶距的预测更准确。

水力机械空化实时检测技术研究

本文从空化现象的发生机理出发,开发出通过分析水力机械发生空化时辐射出的空化噪声时频特征的变化,判定水力机械空化发生及表征空化发生程度的实时检测技术。该技术已应用在包括贯流式、轴流式、混流式和水泵水轮机等水力机械型式的多个电站,具有安装便捷、安全可靠的特点,可以应用在水力机械优化运行和智慧机组建设等领域。

高速运行齿轮泵的吸油空化与抑制

为揭示齿轮泵高转速运行时的空化发展规律,对装载机用大功率双联齿轮泵的吸油特性展开研究。通过全流域仿真模拟及试验,分析了转速、吸油压力对双联齿轮泵空化现象及输出流量特性的影响。结果表明,双联齿轮泵发生明显吸油空化的临界转速为2400 r/min,当转速大于2400 r/min后,泵内的气体含量骤增,严重影响输出流量的连续性和稳定性;双联齿轮泵的临界吸油压力为0.19 MPa,继续增大吸油口压力会增大泵出口的流量脉动,与入口为0.1 MPa相比,吸油压力为0.19 MPa时齿轮副1和齿轮副2的气体体积分数分别降低0.059和0.067,有效流量分别增大7.96%和9.24%。通过增压装置增加泵的入口压力,对齿轮泵空化的抑制以及有效流量的提升有明显的改善作用,具有工程实际意义。

诱导轮液氧空化流动特性数值仿真

诱导轮是决定涡轮泵抗空化能力的关键部件,为了揭示诱导轮内部液氧空化流动特性,建立了基于能量方程源项修正的低温空化数值计算方法,同时耦合了液氧物性随温度变化关系,利用经典低温空化和诱导轮空化试验数据进行了充分验证,对某三叶片诱导轮内部液氧空化流动进行了仿真分析。结果表明:低温介质空化过程中与周围液体存在剧烈的能量交换,但只有一部分空化溃灭释放的热量被传递至周围流场,通过调节能量方程源项中空化溃灭释热比例可使空化区尾部温度场预测精度提升0.5%。对比等温计算,考虑热效应后,液氧空化区范围和内部汽相体积分数大幅减小,对流道的阻塞程度降低,有效延缓了诱导轮扬程断裂。对3种温度下液氧空化流动进行仿真研究,发现液氧温度越高,空化范围越小,同时空化区温降越大,诱导轮空化性能改善也越显著。

诱导轮对高速液氧泵空化流场影响研究

高抗空化诱导轮可以改善液氧泵的空化特性,提高大推力火箭的可靠性。基于计算流体力学方法,建立了高速液氧泵的流动仿真模型,通过三组试验工况验证了模型准确性,研究了诱导轮叶片数对液氧泵性能和空化特性的影响。结果表明:使用诱导轮可以减小离心轮空化面积,代偿离心轮的汽蚀,提高液氧泵扬程;在入口流量和出口压力不变的条件下,增加诱导轮叶片数,液氧泵的效率增加,扬程降低,离心轮空化面积增加,诱导轮代偿离心轮汽蚀能力削弱。综合考虑液氧泵性能参数和空化特性,三叶片诱导轮能够满足大推力液体火箭的高可靠性要求。

文丘里空化器非定常空化流动能量指标构建及分析

为了研究文丘里空化器内非定常空化流动诱导的能量特性,构建了一种评估空化能量指标的物理模型,并基于Wall-Adapting Local Eddy-Viscosity(WALE)亚格子模型的大涡模拟方法(LES-WALE)和Schnerr-Sauer空化模型,对文丘里空化器内的空化流动特性进行了数值分析,研究了3种空化阶段下(σ为0.76,0.51和0.26)文丘里空化器内空化能量分布规律.研究表明:LES-WALE湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型联合的数值计算方法可以对文丘里空化器内片状空化对称脱落及云空化溃灭的细节进行精确捕捉;随着空化数的降低,文丘里空化器内空化能量呈现范围及对应数值逐渐增大,在不同空化阶段下,计算域内空化能量的极值发生在片状空穴末端位置处;沿着整个文丘里空化器壁面,其喉部与扩散管连接处存在的空化能量最高,表明该处极易受到空化的破坏作用.研究结果为以文丘里空化器为典型代表的水力空化装置空化能量特性研究提供了一种有效的数值计算方法及能量评估指标.

文丘里喷嘴空化流大涡模拟亚格子模型对比研究

针对文丘里喷嘴不同机制下可压缩空化流开展了大涡模拟(LES)研究,并对比讨论了3种常用的亚格子模型的适用性。结果显示,各模型在预测回射流机制和凝结激波机制的流速与空化云脱落周期上表现良好。在空化云演化过程中,WALE模型在两种机制下的模拟吻合度最佳,SL模型预测溃灭过程提前,蒸汽相体积分数偏小;KET模型吻合度最差,溃灭过程以及周期内脱落存在时间延迟。初步发现回射流机制下的喉部压力功率谱密度分析服从-5/3标度律,凝结激波机制服从-7/3标度律。

船体清洗空化喷嘴设计与仿真

为提高空化射流技术在船舶清洗领域的应用范围,设计了一种适用于船体底部海洋附着物清洗的异形中心体空化喷嘴。通过FLUENT流场数值模拟方法,研究了中心体末端形状、中心体末端延伸长度、中心体末端直径、扩散段角度和扩散段长度等参数对空化效果的影响,得到相应参数下喷嘴流场的气相分布云图、中心轴线上的速度和压力分布曲线以及靶面压力曲线等结果。研究表明:空化现象主要产生于中心体末端和扩散段壁面;中心体直柱形末端相较于锥形末端有更好的空化效果;合适的直柱形中心体末端延伸距离会使气相分布范围更广;扩散段角度在60°~70°时空化效果较好,适当增加扩散段长度有利于扩大气相分布范围。

油压锥阀与水压锥阀空化特性的对比分析

油压锥阀与水压锥阀在空化特性方面有较大差异,其流场机制尚未明确。为此,利用VOF空化两相流数值模拟算法在OpenFOAM开源平台上开展流场模拟,研究水压锥阀与油压锥阀空化特性。结果表明,水压锥阀及油压锥阀的空化分布较为一致,集中在自由剪切层、壁面剪切层及阀芯后沿等位置,同时各区域的空化诱发机制相同。油压锥阀的近壁面漩涡空化呈现径向链状特征,而水压锥阀则为分散性的片状结构,不同的空化形态主要源于转捩过程的差异。另外,在高强度空化流动条件下,直角型油压锥阀的整体空化强度相对水压锥阀较大,而倒角型锥阀则相反。水压锥阀比油压锥阀更容易发生空化初生。研究分析了水压锥阀与油压锥阀的空化特性差异及相关机制,可为不同介质的液压阀设计提供理论参考。

表面活性剂流体的空化-冲蚀耦合射流试验研究

为了研究赫姆霍兹空化喷嘴的射流机理,依据空化射流理论,以低黏度黏弹性表面活性剂(VES)溶液为介质,基于Schnerr-Sauer空化模型与DPM模型对赫姆霍兹自激振荡空化喷嘴进行流场仿真,对添加颗粒后的VES空化-冲蚀耦合射流近壁面流场特性与颗粒撞击壁面的运动特性进行了数值模拟,并通过淹没射流试验台开展空化-冲蚀耦合射流试验,探讨了VES溶液空化-冲蚀耦合射流对靶材的冲击特性。结果表明:相比于清水,VES射流能够提供更高的冲蚀速率,为清水冲蚀速率的1.37倍,达到3.29×10^(-3)kg/kg;同等条件下,空化喷嘴的冲蚀速率为7.47×10^(-4) kg/kg,略小于流线型喷嘴,但空化喷嘴对靶材的冲蚀凹坑直径为10.5 mm,大于流线型喷嘴的7.5 mm,并且空化喷嘴对靶材的的冲击形貌为V形,相比于流线型喷嘴的W形,更有利于钻井破岩。通过分析空化作用及流体性质对靶材冲蚀特性的差异,阐述了VES溶液空化-冲蚀耦合的射流机理,研究成果为基于VES的空化-冲蚀耦合射流辅助钻井以及提高井下破岩效率提供了新的思路。