动力学参数对叶轮冲蚀与空蚀交互磨损的影响研究

摘要

高速含沙水流对流体机械叶轮产生冲蚀磨损;同时叶轮在高速旋转时，轴向产生的压力梯度将水流中析出的空泡压溃，形成压力冲击，产生空蚀磨损，因此流体机械工况中存在冲蚀与空蚀交互磨损。交互磨损广泛存在于工程中，这造成设备效率降低、振动加剧，也是导致流体机械破坏的主要原因之一;并且交互磨损过程复杂，影响因素众多，已成为国内外学者研究的热点和难点工程问题。
　　本文以流体机械叶轮为研究对象，模拟水轮机实际工况，基于流体动力学、摩擦学、材料学等理论，采用数值分析与实验研究相结合的方法，研究了流场压力、冲蚀角和冲蚀速度三个动力学参数对交互磨损的影响。
　　1、对国内外流体机械的磨蚀理论、冲蚀磨损和空蚀磨损数值模拟方法以及冲蚀与空蚀联合作用的研究现状进行了分析，阐述了本课题研究意义，并确定了研究内容和研究方案。
　　2、基于数值分析方法研究了三个动力学参数对交互磨损机理的影响。以转盘式磨损实验台为原型运用PROE软件建立了交互磨损数值分析几何模型;通过GAMBIT软件划分好网格后，导入到FLUENT软件中对汽液固三相流场进行数值仿真，得到了流场压力、冲蚀角和冲蚀速度三个动力学参数影响下的流场总压等值线、汽相体积比等值线和沙粒浓度的分布规律。
　　3、动力学参数对交互磨损机理影响的实验研究。设计了实验研究方案，并在转盘式磨损实验台上完成了交互磨损实验;通过研究实验结果，分析了流场压力、冲蚀角和冲蚀速度对试件磨损失重率、磨痕分布规律、微观磨损形貌的影响;通过MATLAB拟合实验数据得到了交互磨损特定工况下，40Cr试件失重量随流场压力变化的数学表达式和40Cr试件失重量随冲蚀角变化的关系曲线。
　　4、综合数值分析和实验研究结果，分析了动力学参数对交互磨损机理的影响。流场压力是通过影响流场中空泡的密度及分布来影响交互磨损;冲蚀角关系到含沙水流水平分量和垂直分量的平衡，对交互磨损试件的失效形式有重要影响;冲蚀速度与交互磨损破坏程度成正比例关系。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 流体机械磨蚀研究现状

1．2．1 冲蚀磨损、空蚀磨损理论

1．2．2 冲蚀磨损和空蚀磨损数值分析

1．2．3 冲蚀和空蚀交互磨损

1．3 课题来源及研究意义

1．4 研究工作内容

第二章 冲蚀与空蚀交互磨损流场动力学特性分析

2．1 三相流场中沙粒和空泡的力学模型

2．1．1 沙粒的力学模型

2．1．2 空泡动力学模型

2．2 冲蚀与空蚀交互磨损流场的数值分析

2．2．1 数值分析控制方程

2．2．2 数值分析几何模型与网格划分

2．2．3 数值分析工况设计

2．3 数值分析参数设置

2．3．1 计算模型

2．3．2 边界条件

2．3．3 求解模式

2．3．4 稳定性与收敛判据

2．4 数值分析结果

2．5 本章小结

第三章 冲蚀与空蚀交互磨损实验

3．1 流体机械磨损的常用实验设备

3．2 转盘式磨损实验装置与实验方案

3．2．1 转盘式磨损实验装置结构及原理

3．2．2 转盘式磨损实验装置参数

3．2．3 实验方案

3．3 实验数据分析

3．3．1 材料失重量测量

3．3．2 三维磨损形貌观察

3．3．3 微观磨损形貌观察

3．4 实验结果

3．4．1 材料的交互磨损失重量

3．4．2 交互磨损实验结果正交分析

3．4．3 试件交互磨损形貌

3．5 本章小结

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

4．1．1 流场压力对交互磨损影响的数值分析

4．1．2 流场压力对交互磨损影响的实验研究

4．2 冲蚀角对交互磨损的影响

4．2．1 冲蚀角对交互磨损影响的数值分析

4．2．2 冲蚀角对交互磨损影响的实验研究

4．3 冲蚀速度对交互磨损的影响

4．3．1 冲蚀速度对交互磨损影响的数值分析

4．3．2 冲蚀速度对交互磨损影响的实验研究

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间参研项目和发表论文目录

附录B 试件交互磨损失重量(g)

附录C 交互磨损实验数据正交分析