（机械电子工程专业论文）一种基于空化数的液压元件空蚀评价方法.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 空化和空蚀对液压系统中的液压泵、液压阀等元件影响严重，是一个长期难以解 决的问题。当系统的压力低于饱和蒸汽压时，低压处会产生空泡；空泡能改变流动系 统的流场特性，减小流道有效面积，增加流道阻力。在空泡的初生、发育、溃灭过程 中系统将产生高频噪声和压力脉动，空泡溃灭产生的微射流冲击会造成固体边壁的剥 蚀破坏空蚀。空蚀的破坏作用巨大，能严重缩短液压元件的使用寿命。 论文主要利用c f d 软件对y a 吸l a g u c l l i 的空蚀实验进行建模仿真，结合仿真和实验 结果，找出参数评价空蚀。论文主要包括四部分内容：( 1 ) 对实验模型的结构尺寸进行 参数化，利用s t a r c d 的建模命令建立参数化六面体网格模型。通过网格数误差测试， 确定出最适合本文仿真计算的网格数及其建模参数。( 2 ) 分析仿真计算的结果，提出发 生空蚀的假设：速度保护：试件表面压力低，流体速度快，气泡从试件表面快速通 过，气泡在试件表面破裂的数量少，腐蚀轻。压力保护：试件表面压力高，流体速 度低，大量气泡在离试件表面较远处破裂，气泡冲不进试件表面，气泡在试件表面破 裂数量少，腐蚀轻。空蚀破坏：试件表面压力不够高，压力保护不足，速度不够快， 速度保护不足；大量气泡在试件表面破裂，腐蚀严重。( 3 ) 根据假设找到用空化数a 评 价空蚀。对比。分布图和实验中空蚀量的关系，得出a 的分布图能比较准确的预测空 蚀的位置和程度。对比。分布图和实验中试件空蚀图片的关系，发现。分布图预测的 试件上空蚀的位置和严重程度与实验给出的试件空蚀图片一致。( 4 ) 对n a g u c l l i 的另 一个空蚀实验进行建模仿真。按同样的方法得到发生空蚀时对应的。值。作出。在流 场中的分布，对比实验发现。的分布图能比较准确的反映空蚀的位置和严重程度。 关键词：空化数；空泡；空蚀；c f d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t c a v i t a t i o na i l de r o s i o ni sal o n gd i 伍c t l l tp r o b l e mt os o l v e ，a n dh a v es e r i o u si i n p a c to n h y d r a u l i cc o m p o n e n ts u c ha sh y d r a u l i cp 啪p ，h y d r a l j l i cv a l v e c a v i t a t i o ni sg e n e m t e da tl o w p r e s s u r es i t ei i lh y d i m l l i cs y s t e mw h e ns y s t e m sp r e s s u r ei sb e l o wt 1 1 es a _ t u r a t e dv a p o r p r e s s u r e ；b u b b l e sp r o d u c e db yc a v i t a t i o nc a i lc h a n g et h ef l o wc h a 瑚【c t e r i s t i c so fh y d r a u l i c s y s t e m s ，a i l dc a na l s or e d u c et l l ee f f e c t i v en o wa r e ao ff l o wc h a n n e l 锄di n c r e a s et l l en o w r e s i s t a i l c e d u r i n gt l l ep r o c e s so fb l l b b l e sg e n e r a t i o 玛d e v e l o p m e n t 烈l dc o l l a p s e ，h y d r a u l i c s y s t 锄w i l lp f o d u c e1 1 i 曲- f k q u e n c yn o i s ea n dp r e s s u r en u c t u a t i o n b u b b l ec o l l a p s e g e n e r a t e sm i c r 0 - j e tw t l i c hi m p a c to ns o l i db o u n d a l yc a l lr e s u l ti l ld e n u d a t i o n c a v i t a t i o n e r o s i o n c a v i t a t i o ne r o s i o nh a s 伊e a td e s t m c t i v ee 能c t so nh y d r a u l i cs y s t e mw h i c hc a l l s e r i o u s l ys h o r t e nt h es e n ，i c el i f eo fh y d r a u l i cc o m p o n e n t s 1 1 1 廿l i sp 印e r ，t l l em 旬o rw o r ki s u s i n gc f ds o 小a r et om o d e l m ga n ds i m u l a t i n g y 锄a g u c l l i sc a v i t a t i o ne x p e r i m e n t s ，a n da l s oc o m b i i l e ds i n l u l a t i o na i l de x p e r i m e n t a lr e s u l t s t 0f i n do u tt 1 1 ep 黝e t e rt oe v a l u a t ec a v i t a t i o ne r o s i o n t m sm e s i sc o n s i s t so f u e ep a r t s ： ( 1 ) d e s i 伊l i l l gt h es 伽j c t u r a ld i m e n s i o l l so fm ee x p e r i m e n t a lm o d e lt ob ep 猢e t e r ；u s i n g s 1 a r - c d sm o d e l i n gc o m m a l l dt 0e s t a b l i s hp a r a m e t r i ch e x a l l e d r a lm e s h ；t e s t i n gt h e s i m m a t i o ne 玎o ro fd i 虢r e n t 伽m b e r 面d st od e c i d ew k c h 嘶d 肌m b e rs h o u l db eu s e d ( 2 ) a n a l y z i n gs i m l l l a t i o nr e s u l t s ，p r o p o s e d 恤h y p o 龇s i sw h e nc a v i t a t i o ne r o s i o nh a p p e i l s ： v - e l o c i t ) rp r o t e c t i o n ：o ns p e c i m e ns u r f - a c e ，t h ev e l o c i 够i sq u i c k l y ，t l l ep r e s s u r ei sl o w ， b u b b l e sp a s s e ss p e c i m e ns u 疏c eq u i c k l ya i l dl i t t l eb u b b l ee x p l o d eo ns p e c i i n e ns u 血c e ， c a v i t a t i o ne r o s i o ni sl i g h t p r e s s u r ep r o t e c t i o n ：o ns p e c i i i l e ns u r f a c e ，m ev e l o c i t ) ri ss l o w ， t h ep r e s s u r ei sl l i 曲，al a 略em l i n b e ro fb u b b l e se x p l o d eo nd i s t a n c ea 、v a y 舶ms p e c i n l e n s 删雠ea n db u b b l e sc a l l tn o wt os p e c i i i l e ns 耐沁e ，c a v i 枷o ne r o s i o ni sl i g h t c a v i t a t i o n d a l i l a g e ：o ns p e c i m e ns u 疵c e ，p r e s s u r ei sn o t1 1 i g he n o u g h ，p r e s s u r ep r o t e c t e di sn o te n o u g h ， 舭v e l o c 时i sn o tq u i c k l ye n o u g 也t l l ev e l o c 时p r o t e c t i o ni sn o te n o u 如al a r g en u m b e ro f b u b b l e se x p i o d eo ns p e c i m e ns u r ：f a c e ，c a v i t a t i o ne r o s i o ni s s e r i o u s ( 3 ) a c c o r d i l l gm e h y p o 也e s i so fc a v i t a t i o ne r o s i o i l ，f i n dt l l a tc a v i t a t i o ni i l c e p t i o nn u m b e roc a nb el l s e dt o e v a l u a t ec a v i 切t i o ne r o s i o n 洲n g l eod i s t r i b u t i o nc o 吼t e ro v e rt t l ee m i r ef l o wf i e l d ； c o m p a r i n g 廿l el o c a t i o no fo d i s t r i b u t i o nc l o u d 趾dt h em a s sl o s so fc a v i t a t i o ne r o s i o ng o t 丘o me x p e r i m e n t ；f m dm 吐od i s t r i b u t i o nc l o u dc a nb el l s e dt op r e d i c tt h el o c a t i o na 1 1 de x t e m o fc a v i t a t i o ne r o s i o n c o m p a r i n gt l l eod i s t r i b u t i o nc l o u d 晰mt h es p e c i m e n sc a v i t a t i o n e r o s i o np i c t u r e l a tg e tf 如me x p e r i m e m s ，矗n dm a t ，m e1 0 c a t i o na n de x t e n to fc a v i t a t i o n e r o s i o nw e r em es a m eb e t 、) ，e e ne x p e 曲e n t 锄dt l l e p r e d i c t i o no fod i s t r i b u t i o nc l o u d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 ( 4 ) m o d e l i n ga n ds i i n u l a t i n gy 锄a g u c l l i s 觚0 t 1 1 e rc a v i t a t i o ne r o s i o ne x p e r i m e n t ，u s i i l gt h e s 锄em e t l l o dt oo b t a i nm eov a l u ew h e nc a v i t a t i o ne r o s i o nh a p p e n s d r a 、析n gt 1 1 e o d i s t r i b u t i o nc o u n t e ro v e rt h ee n t i r en o wf i e l d ，c o m p a r i n gt h eod i s t r i b m i o nc l o u d 、析t 1 1 e x p e r i m e n tr e s u l t s ，f o m l dt l l a t ，od i s t r i b u t i o nc l o u dc a l lb eu s e dt oe v a l u a t et h ee x t e n ta n d l o c a t i o no fc a v i t a t i o ne i o s i o n k e y w o r d s ：c a v i t a t i o ni i l c e p t i o nn u m b e r ；b u b b l e ；c a v i t a t i o ne r o s i o n ；c f d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第l 章绪论 本章概括了课题研究的学术背景和实际意义，详述了空蚀的危害，概述了空蚀的 研究现状，概括了计算流体动力学软件在空蚀研究中的应用，介绍了课题的来源和主 要研究内容以及本文的创新点。 1 1 论文研究的学术背景和实际意义 液压技术利用液体压力能进行能量传递，具有动作迅速、功率密度大、运动平稳、 元件布置灵活、控制方便、机械特性好、效率高、易于实现过载保护等优点，在工业 中取得了广泛的应用【l - 3 】。在大驱动功率场合，如工程机械，建筑机械，压力机和各种 机械加工设备中液压技术具有显著优势。在重载荷、大功率驱动的工程机械、建筑机 械和重型机械中，液压技术几乎处于垄断地位。 当今社会对节能和环保要求越来越高，特别是2 1 世纪各个国家要实现节能减排任 务，需要对各个行业技术进行更深入研究，提高效率，减少污染。当前液压技术往高 压、高速、小型化，大功率方向发展，漏油问题和空蚀问题变得越来越严重。漏油问 题，比如工程机械漏油，不仅会对周围环境造成较大污染，还会降低系统的功率利用 率，这个和节能减排的目标不符。针对目前油压技术中存在的问题，水压技术近年来 又重新受到重视，并成为液压技术研究的热点方向之一。水压技术使用水作为介质， 由于其无污染，方便获取，在工业中应用越来越广。经过1 0 0 多年的发展，国外的水 压技术已近比较成熟，包含海洋开发、液压、钢铁工业等诸多领域，并且有成熟产品 问世。但是纯水的粘度很低，极易发生泄露，这对元件的配合要求很高，需要很高的 加工精度；另外，水压系统中更容易产生气泡，其噪声和空蚀比油压系统严重的多， 这两个问题是水压系统中急需得到解决的问题。液压系统往高压、高速的发展，能提 高系统的功率密度并减小液压装备的尺寸，这对液压装备的小型化非常有利；但是， 压力的提高一方面是震动和噪声问题更加突出，另一方面液压元件的腐蚀破坏也更加 厉害【4 】。空蚀不仅造成液压元件的破坏，还产生严重的噪声，这会对液压系统的发展产 生很大的限制。虽然在1 0 0 多年前就发现了空蚀现象，但是由于空蚀形成机理复杂， 现在还有很多问题未研究透，因而降低噪声和减少空蚀是液压技术继续发展的基础性 研究课题之一。目前流体技术的一个主要发展方向是利用流体软件进行建模仿真，得 到模型的仿真流场，通过分析流场改进模型结构以优化流体运动，减小噪声和空蚀， 从而提高工作性能1 5 j 。 液压系统中影响空蚀的原因很多并且大多情况复杂，目前液压系统的空蚀控制大 多根据以往经验，系统性的并且考虑完整的公式还有待提出。虽然液压元件和系统在 设计方面经过长久的发展积累了很多经典的公式，不过这些公式对于液压元件内部流 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 场变化对其性能的影响考虑不足。要延长液压元件寿命，提高可靠性并降低噪声和防 止空蚀，必须深入研究元件内部流动现象。产生空蚀和噪声的根本原因是流场中流体 介质出现的多种流态如空化、旋涡、脉动流等。要降低空蚀减少噪音需要从流场的微 观角度研究流场流态和空蚀之间的关系，进而通过改变模型结构以改变流场中流道形 状，消除流场中的负压，漩涡，脉动等，以控制空蚀和噪声。c f d 技术在近年内得到 了很大的发展，模型的处理能力得到了很大的提高，特别是多面体网格技术的发展能 够快速的自动划分多面体网格模型，新算法的提出使得求解的精度更高、速度更快， 加上计算机技术的快速发展，内存容量更大，c p u 速度更快，显卡图形处理能力越来 越强，c f d 分析成为越来越多研究者的选择。 工程中在设计液压元件时，往往要简化仿真模型，但是由于空蚀现象的复杂性， 现有的仿真模型还不能有效的直接准确判断空化的发生和发展，以及由于空化所产生 的空蚀。另外，由于空蚀的物理现象比较复杂，即使省略了很多次要因数，考虑空化 的仿真计算依然需要大量的计算资源，求解时间很长。虽然可以用c f d 软件进行空化 的仿真模拟，但是目前理论上还没有完全弄明白空泡群的相互作用，其生长，发展， 溃灭的理论研究都还不是十分完善，故直接进行空化的模拟并不能得到真实的物理现 象。目前，工程中还没有能够利用数值解析方法直接评价液压元件空蚀的方法。 针对以上问题，本文通过理论、实验和仿真相结合的方法，利用n a g u c l l i 【4 】等的 空蚀实验为基础，建立参数化六面体网格模型进行仿真。在深入分析流场的基础上， 提出气泡破灭的假设，根据假设找到了以空化数。评价空蚀的方法，将。值和实验结 果对比，确定试件上发生空蚀位置处的。值。将。值和实验测得的腐蚀量结合起来， 得出发生空蚀的。范围，按照此。范围作出。在流场内的分布图，对比。在流场内的 分布图和实验试中试件上的腐蚀量得出。分布图可以比较准确的反映实验中空蚀的位 置和程度。用y 抽a g u c h i 【6 】等的另一个空蚀实验进行了以。分布图判断试件上空蚀位置 和程度的验证，作出的。分布图比较准确的反映了空蚀发生的位置和程度。此研究成 果将对用c f d 方法评价空蚀有很积极地意义，对液压元件的空蚀研究提供了一个新的 思路。 1 2 空蚀的危害 空化是指流体压力降低到流体在该温度的气体分离压以下，流体内部产生蒸汽或 气体空泡的现象( 如图1 1 所示) 。空化通常分为两种：一种是瞬态空化，此时空泡迅速 破裂并产生冲击波( 如图1 2 所示) ，这种空化多产生于液压阀口、泵和螺旋桨中；一种 是稳态空化，此时流体中的空泡在外力的作用下发生尺寸和形状上的震荡变化，此种 空化多产生于超声清洗，有时泵和螺旋桨中也会产生。空泡破裂产生的冲击波非常强 烈并会对元件造成破坏，即空蚀( 如图1 3 所示) ，故在设计泵和阀或者螺旋桨等的过程 中应该减少或避免空化的产生。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图1 1 由螺旋桨产生的空泡群 流体压力增加 ( 1 )( 2 ) ( 3 ) ( a ) 图1 3 空泡在固体边界破裂产生一个压力冲击波 图1 3 空蚀破坏示例 当流体通过节流口、阀口或窄缝时，流体速度快速升高，局部压力迅速下降，当 流体压力低于流体在此温度下的气化压力时，原本溶解于流体中的空气将会析出变成 流体中的气泡，从而产生空化现象。空化对液压元件或系统的性能有很大影响，并分 为两个方面：( 1 ) 由于流场中空化现象而产生的空泡改变了流场的特性。空泡发育到一 定程度时，会减小流体流道面积，增加流体阻力；空泡的产生、压缩和膨胀，将导致 噪声和压力脉动。( 2 ) 当空泡发育成熟并在固体边壁溃灭时，空泡破灭产生的高速射流 和压力冲击将造成固体边壁的剥蚀破坏。 液压系统中空化和空蚀现象是有很大害处的，它会恶化液压系统性能，并产生振 动和噪音。气泡会破坏流体的连续性并且降低液压泵的吸油能力和油管的通油能力。 空泡对固体便壁的反复作用会使零部件表面形成麻点或凹坑，从而缩短元件的使用寿 命，并对系统的工作性能产生严重破坏。液流中未溶解的空气，将增加液压油的弹性 并降低液压机构刚度，从而使液压系统失稳，并破坏液压缸的运动平稳性；空化与空 器噶誉“一 蕊 一 霉 蕊 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 蚀还会使顺序系统动作失调，不能正常计时，严重的甚至会使顺序系统不能正常工作 【7 】【8 】o 1 3 空蚀的研究现状 对于空化发生机理及空化流场理论，国内外研究者针对不同的对象进行了研究。 y - 锄a g u c m 【4 】【6 】等人利用喷嘴节流装置测定了空蚀量同喷嘴直径大小，长度，喷嘴支撑 开口形状，喷嘴到试件距离，出口压力、流体介质之间的关系。w a n g 【9 】等人利用高速 摄像机观察喷射阀内的空化现象，研究了高剪切层旋涡空化的产生机理。薛伟【l q 等人 研究了空蚀破坏的微观过程，通过空蚀试验和扫描电镜分析了空蚀破坏的过程并得出： 首先在金属表面出现空蚀针孔，随后有大量气泡在针孔壁破灭，孔壁在高压、高速射 流的作用下产生空蚀；随着空蚀的加深，原来离散的蚀坑相互连接从而使原来的金属 表面全部脱落，最后又在新的表面形成蚀坑，然后对金属表面进行层层剥离。确定了 金属表面形成针孔的原因是单个气泡溃灭产生的微射流，空蚀坑形成的原因是微射流 冲击形成疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展产生金属剥落。d u p o m j 用流体解析软件模拟了两 个液压泵内的气穴流场，比较了耦合和非耦合两种算法的结果。陈昭运【l2 j 研究了空蚀 破坏的微观氧化过程，利用旋转圆盘空蚀模拟试验机、扫描电子显微镜，对圆盘试样 空蚀破坏部位的微观破坏形貌进行了研究发现：空蚀破坏形貌为一个多彩斑点，并且 该斑点是由于一个大的气泡溃灭所产生的高速微射流对金属表面作用的结果。由于微 射流的能量很高，其与金属表面接触的瞬间可形成局部的烧损和严重的高温氧化。 f r o b e n i u s 【l3 j 等人用c f d 软件对离心泵叶轮片上的空化区域成功进行预测，并计算了空 化发生时叶轮片附近的气体分布，与实验拍到的气穴照片进行比较并验证了c f d 软件 分析的结果。吴先梅【1 4 】等对瞬态单一声空化气泡的动力学过程及空化发光进行试验研 究得出：气泡大概在1 8 4 m s 时开始生长，随着时间越长越大，在3 0 6 m s 时收缩至崩 溃，并在崩溃时产生强烈的冲击波。空化泡会向外界发光，不同液体的发光强弱不同， 从弱到强的顺序为：丙酮 酒精 蒸馏水 o 流体沿正x 方向移动；当 0 ，材。 0 ( e 0 ，e o ) 时，有： 丸= 屯，唬= 办( 2 2 6 ) 离散方程( 2 2 5 ) 变为： ， c 诈一e 屯= 砬( 办一办) 一矾( 办一九) ( 2 2 7 ) 离散方程可重写为： 或者： ( 仇+ 砬+ 只) 纬= ( 见+ e ) 屯+ 4 屯 ( 仇+ e ) + 见+ ( c e ) 九= ( 仇+ e ) 九+ 见九 当流动为负方向时，即 0 ，心 0 ( c o仇一ed ： l 0c o 4 0 2 0 8 6 爹4 2 0 1 52 02 53 03 54 04 55 01 52 02 53 03 54 04 55 0 函格数术1 0 0 0 0 网格数木1 0 0 0 0 ( a ) 速度的绝对误差( b ) 速度的相对误差 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 a l 0 0 0 0 5 0 0 0 o 1 52 02 53 03 54 04 55 0 网格数，i c l 0 0 0 0 ( c ) 压力的绝对误差 8 6 晶4 一 2 o 1 52 02 53 03 54 04 55 0 网格数水1 0 0 0 0 ( e ) 1 4 1 2 寥 娄8 萎6 4 2 o 仃的绝对误差 5 4 签i l 0 1 5 蓬l o 蛊5 o 1 5 2 02 53 0 3 54 04 55 0 网格数木1 0 0 0 0 ( d ) 压力的相对误差 1 5 2 0 2 5 3 0 3 54 04 5 5 0 网格数术1 0 0 0 0 ( f ) 盯的相对误差 1 52 02 53 03 54 04 5 网格数木1 0 0 0 0 ( f ) 相对误差汇总 图2 - 1 4 差分格式为q u i c k 时的误差分析 由图2 - 1 4 可以看出，对于q u i c k 的差分格式，当网格数大于等于2 8 万时，p ，v 和仃的绝对误差和相对误差都趋于稳定，而且误差都比较小。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 孚 j = 】j 账 霞 翼 1 8 1 6 1 4 4 2 o 1 21 72 22 73 23 74 24 7 网格数术1 0 0 0 0 图2 1 5 差分格式为u d 时的误差分析 由图2 1 4 可以看出，对于u d 的差分格式，当网格数大于等于2 8 万时，p ，v 和仃 的绝对误差和相对误差都趋于稳定，而且误差都比较小。 由图2 1 4 和图2 1 5 可以得出，网格数2 8 万是比较适合的网格数。后面的分析都 将以网格数2 8 万所确定的网格建模参数建立网格模型。 2 4 小结 本章介绍了c f d 的基本理论基础：包括流动控制方程，湍流模型以及方程的 离散和求解；接着介绍了本次实验的模型结构以及怎样用s 吖瓜c d 命令建立网格模 型；然后介绍了c f d 解析的计算模型选择以及边界条件设定；最后进行了网格测试并 得出适合本次实验模拟的最佳网格数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 第3 章空化数评价空蚀的方法研究 第二章详细的介绍了y a i i i l a g u c h i 等【4 】实验模型，以及网格模型的建立方法，最后通 过网格误差测试计算，找到最适合本次c f d 仿真计算的网格数。本章主要分析第二章 进行的流场仿真计算的结果，提出流场产生空蚀破坏的假设，根据假设条件提出用空 化数。评价空蚀。将试件上空蚀最严重处的。值和实验测得的试件腐蚀量对比得出发 生空蚀时的。值。在整个流场内作出。的分布图；然后对比6 分布图和实验中空蚀的 位置和程度。 3 1 空化数评价空蚀的理论基础 3 1 1 假设：空蚀与流场特征的关系 考虑实验中发生空蚀的原因是：高压流体从入口进入流场，通过喷嘴节流后，压 力降到油液空气分离压以下( 如图3 1 所示) ，溶于液体中的气体逸出，形成液流中的气 泡，流体速度达到最大值1 8 0 1 1 1 1 s ( 如图3 2 所示) ，而且喷嘴支撑孔内低压处有2 2 0 i n s 的回流( 如图3 3 所示) ，加速气泡群的产生。流体在经过喷嘴后，在喷嘴支撑孔内产生 大量的气泡( 如图3 4 所示，实验拍摄图) 。气泡被高速流体带到试件表面压力较高的区 域受挤压溃灭。气泡溃灭的内部压强非常高，如果在试件表面破裂，将造成试件表面 的空蚀破坏。 n 图3 1 流场压力图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 图3 2 流场速度图 图3 3 流体过喷嘴后形成的速度回流 图3 4 流体过喷嘴后形成气泡图( 黑色为气泡群) 试件空蚀破坏的严重程度取决于在试件表面破裂的气泡数量和气泡溃灭产生的压 力。实验中无法从微观上统计气泡破裂的数量，也无法测出气泡群破灭后对试件表面 匿目目日目目 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 的作用力，但是通过实验可以得到不同的模型装置和不同的实验条件下的试件的腐蚀 量和腐蚀中心。论文以c f d 为基础，分析流场的压力和速度，从宏观上提出试件表面 气泡不发生破裂的条件为压力保护和速度保护。气泡破灭数量少了，自然试件的腐蚀 程度就比较轻，这样就可以通过某种方法把实验和流体仿真结合起来，然后找出独立 的参数，通过该参数用c f d 的方法评价流场内可能发生空蚀的位置和空蚀的严重程度。 图3 5 所示为石油基液压油作为介质时实验装置内流场的分布，压力用等压线表示， 速度用颜色云图表示。 速度保护：试件表面压力低，流体速度快，气泡从试件表面快速通过，气泡在试 件表面破裂的数量少，腐蚀轻，对应图3 5 ( a ) 。 压力保护：试件表面压力高，流体速度低，大量气泡在离试件表面较远处破裂， 气泡冲不进试件表面，气泡在试件表面破裂数量少，腐蚀轻，对应图3 5 ( c ) 。 空蚀破坏：试件表面压力不够高，压力保护不足，速度不够快，速度保护不足； 大量气泡在试件表面破裂，腐蚀严重，对应图3 5 ( b ) 。 1 0 m m ， 一一日 仓2 5l 翼， 筵 ( b ) l = 2 5 m m ，腐蚀量= 1 01 52 02 53 03 5 距离l ( i t i i n ) ( c ) l = 3 5 m m ，腐蚀量= ( d ) 实验测得腐蚀和距离的关系 图3 - 5 流场内压力速度分布图( 油，巾l ，中3 s ，平面) 3 1 2 评价空蚀的参数空化数 结合压力保护，速度保护和空蚀破坏的假设可以知道，如果能够找到一个参数同 蠹一 灞蜃盛舅磐黪戮攀爹筘。_ 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 时反映压力和速度之间的关系就可以确定试件腐蚀的程度。通过多次试验找到空化数 o 【4 列满足要求。( p 为试件表面压力，只为空气分离压，p 为密度，y 为试件表面速度， o 为一个无量纲数) 。压力保护时试件表面压力高、速度低，因此。大。速度保护时压 力低、速度高，因此a 小。发生空蚀破坏时，压力位于中间，速度位于中间，因此。 处于中间。故可以根据。判断是否发生空蚀破坏，以及发生空蚀的位置和空蚀破坏的 严重程度。 p p 仃= ( 3 - 1 ) 主 3 1 3 空化数与空蚀特征的关系 根据实验数据可以知道腐蚀量和距离之间的关系( 如图3 6 ( a ) 所示) ，根据仿真结果 可以得到腐蚀中心对应的。和距离之间的关系( 如图3 6 ( b ) 所示) 。 2 0 0 警1 5 0 型1 0 0 诞5 0 0 1 01 52 02 53 03 5 距离l ( 衄) 图3 - 6 ( a ) 实验得到的腐蚀量和距离的关系( 油，巾1 ，由3 s ，平面) 7 6 5 皇 等4 c 力 3 2 l l o1 5 2 02 53 03 5 距离l ( 衄) 图3 6 ( b ) c f d 计算得到的。和距离的关系( 油，由l ，由3 s ，平面) 根据假设可以知道( 1 ) 距离l 比较近时，试件表面速度快、压力低，处于速度保护， 腐蚀破坏较轻。由图3 6 ( a ) 可以知道在l = 1 0 1 7 5 m m 时试件处于速度保护，由3 6 ( b ) 知道速度保护时仃 4 4 ；( 3 ) 在距离l 中间时，试件表面速度处于中间，速度保护不足， 压力处于中间，压力保护不足，试件处于腐蚀破坏，腐蚀严重。由图3 6 ( a ) 可以知道在 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 l _ 2 0 3 0 m m 时试件处于腐蚀破坏，由3 6 ( b ) 知道试件处于腐蚀破坏时1 7 盯 4 4 。试 件发生腐蚀时仃= 1 3 6 。 将仿真结果和实验结果对应起来可以得到腐蚀量和。的关系，如图3 6 ( c ) 所示。由 图知道，在仃 4 4 试件腐 蚀量也比较小，试件处于压力保护；在1 7 仃 4 4 时，试件腐蚀严重，这时试件处于 腐蚀破坏。试件发生腐蚀时仃= 1 3 6 。 2 0 0 誉1 5 0 趔1 0 0 毫| ! 龌5 0 o 123456 s i g 舱 3 - 6 ( c ) 腐蚀量和。的关系( 油，由1 ，由3 s ，平面) 根据同样的方法可以作出其他实验模型系列所对应的。和腐蚀量的关系。流体介 质石油基液压油( i s ov g 3 2 ) 对应的腐蚀量和。的关系如图3 7 所示；流体介质水对应 的腐蚀量和。的关系如图3 8 所示，由于流体介质水的一些模型系列腐蚀量很小，若 全部放在一起作出的图很混乱，故在后面单独分析每个系列实验模型流场的时候再给 出。和腐蚀量的关系。 图3 7 ( a ) 是流体介质为石油基液压油对应的不同结构实验模型的腐蚀量和距离的 关系。由图可知，腐蚀量随着距离的增大先增大后减小。图3 7 ( b ) 为。和距离的关系， 由图可知，随着距离的增大，o 逐渐变大，呈一定的线性关系。结合图3 7 ( a ) 和图3 7 ( b ) 可以得出不同结构对应的。和腐蚀量的关系。对于结构o i l 1 3 t ，在距离l = 1 0 1 7 5 m m 时腐蚀量比较小，对应的。为0 8 仃 4 ，试件处于压力保护；在距离l = 2 0 3 0 m m 时，对应 的。为1 4 仃 4 ，试件腐蚀严重，处于腐蚀破坏。对于结构o i l o 7 5 3 s ，在距离 l = 1 0 1 5 m m 时腐蚀量比较小，对应的。为o 8 盯 1 6 ，试件处于速度保护；在距离 l _ 2 7 5 3 0 m m 时腐蚀量也比较小，对应的a 为5 仃 7 1 ，试件处于压力保护；在距 离l = 1 7 5 2 5 m m 时，对应的。为1 6 盯 3 7 ，试件处于腐蚀破坏。结合结构o i l 1 3 s ， o i l 1 3 t ，o i l o 7 5 3 s 可知。和腐蚀关系的大概范围，在仃 1 5 时试件表面腐蚀量比较 小，试件处于速度保护；在1 5 仃 4 时，试件表面腐蚀比较轻，试件处于压力 保护。试件表面产生腐蚀的大概a 范围为l 仃 6 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 3 0 0 2 5 0 国2 0 0 皇 蚓1 5 0 基 超1 0 0 5 0 o 1 一l 一3 s l 一1 3 t l o 7 5 3 s l 一0 5 3 s 1 01 52 0 2 5 3 03 54 0 距离l ( 姗) 图3 7 ( a ) 实验测得的流体介质为油对应的腐蚀量和距离的关系 8 7 6 5 墨4 3 2 1 o 2 0 o il 一1 3 s o i1 1 3 t o i1 一o 7 5 3 s o i l o 5 3 s 2 53 03 54 0 距离l ( 衄) 图3 7 ( b ) c f d 计算得到的流体介质为油对应的。和距离的关系 将仿真结果和实验结果对应起来可以得到腐蚀量和。的关系，如图3 7 ( c ) 所示。由 图知道，在仃 4 试件腐蚀 量也比较小，试件处于压力保护；在1 5 仃 4 时，试件腐蚀严重，这时试件处于腐蚀 破坏。试件发生腐蚀时仃= 1 6 。 3 0 0 2 5 0 q2 0 0 g 捌1 5 0 爱 婆1 0 0 5 0 0 o12345678 s 1 9 眦 图3 7 ( c ) 流体介质为油对应的。和腐蚀量的关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 图3 8 给出的是流体介质为自来水对应的腐蚀量和。的关系。由图可知，介质为 液压油和介质为自来水所对应的腐蚀和。的关系相似，只是发生腐蚀的范围不同。流 体介质为水的情况下，0 5 仃 1 时，试件表面腐蚀比较轻，试件处于速度保护； 1 叮 2 5 时，试件表面腐蚀严重，试件处于腐蚀破坏；2 5 仃 6 或者仃 3 或者盯 o 5 用黑色云图表示，代表不发生腐蚀的区域，仃= 0 5 3 用渐变色表示， 代表发生腐蚀的区域。按照表3 3 所给出的实验系列顺序分析空蚀。 ( 1 ) 实验系列a 所对应的空蚀分析 实验系列a 的流体介质为石油基液压油，喷嘴直径巾1 ，喷嘴支撑形状为巾3 s ， 试件表面为平面，对应的。分布图为图3 9 ，对比图可以看出：在l = 1 0 1 5 1 1 1 m 时试件 处于速度保护，只有少量气泡在试件表面破裂，故试件腐蚀程度较轻。在l = 17 5 3 0 m m 时试件处于空蚀破坏，有大量气泡在试件表面破裂，故试件腐蚀严重。其中 l = 2 2 5 2 7 5 m m 时，气泡在试件上破灭的区域范围最广，故此时对应的腐蚀也最严重。 在l = 3 5 m m 时试件处于压力保护，大量气泡在远离试件表面处破裂，只有少量气泡在 试件表面破裂，故腐蚀较轻。图3 9 ( k ) 为此实验对应的腐蚀和距离l 的关系。对比图 3 9 ( 州) 和图3 - 9 ( k ) 可以发现，对于不同的距离l ，图3 9 ( 州) 中。在试件表面的分布图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 基本反映了图3 9 ( k ) 每个距离所表示的空蚀量。 ( a ) l = 1 0 m m f c ) l = 15 m m f e ) l = 2 0 m m ( g ) l = 2 5 m m f i ) l = 3 0 m m ( b ) l = 12 5 m m ( d ) l = 17 5 m m ( 介l = 2 2 ，5 m m ( h ) l = 2 7 5 m m 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 2 0 0 q1 5 0 疋 1 0 0 蟊 龌5 0 0 1 01 52 02 53 03 5 距离l ( 蚴) ( k ) 实验测得腐蚀和距离的关系 图3 9o 分布图对比( 油，中1 ，巾3 s ，平面) ( 2 ) 实验系列b 所对应的空蚀分析 实验系列b 的流体介质为石油基液压油，喷嘴直径由1 ，喷嘴支撑形状为中3 t ， 试件表面为平面，对应的。分布图为图3 1 0 ，对比图可以看出：在l = 1 0 1 5 m m 时试 件处于速度保护，只有少量气泡在试件表面破裂，故试件腐蚀程度较轻。在 l = 1 7 5 3 5 m m 时试件处于空蚀破坏，有大量气泡在试件表面破裂，故试件腐蚀严重。 其中l = 2 0 3 2 5 m m 时，气泡在试件上破灭的区域范围最广，故此时对应的腐蚀也最严 重。在l = 3 5 m m 时有大量的气泡在远离试件表面处破裂，但是仍然有一些气泡在试件 表面破裂，故腐蚀较轻。和实验系列a 对比可以看出，喷嘴支撑开孔的改变影响的