白立新超声场中硬壁凹坑空化空蚀特性研究

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1、中国科学E辑:技术科学2009年第39卷第6期:1122~1128《中国科学》杂志社www.scichina.comtech.scichina.comSCIENCEINCHINAPRESS超声场中硬壁凹坑空化空蚀特性研究*白立新,许唯临,张法星,李乃稳,张毅弛,黄德法四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都610065*E-mail:xu_wl@sina.com收稿日期:2008-04-29;接受日期:2008-10-05国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(批准号：2007CB714105)和国

2、家自然科学基金(批准号:50539060)资助项目摘要利用高速摄影技术对超声场中硬壁凹坑的空化空蚀特性进行了实验研究,重点研究关键词了凹坑的驻气特性,微泡散逸特性以及空泡对蚀坑发展过程的影响.对直径为1mm的玻璃凹超声空化坑进行了空化实验,分别对金属铝和金属铜试件进行了为期60min和240min的空蚀实验,发空蚀现硬壁凹坑开始驻留游移空泡是凹坑进入空蚀加速阶段的标志.凹坑倾向于会聚较大的游移蚀坑壁面特性空泡并从驻留空泡顶端散逸微泡,这使凹坑成为一个空化核的发生源.在确定的实验条件下,高速摄影蚀坑直径存在一个确定的

3、稳定值,达到这个稳定值之后蚀坑直径不再增加.空化是指当液体的压强下降到足够低时液体中生向外的流动和溃灭时向内的流动碰撞的溅射[4]空泡的生成及其后续的动力学行为.空化现象广泛机理.存在于许多工业领域,损益并存.比如,空化可以应空蚀是空化破坏能力和边壁材料抗空蚀强度的用于超声碎石,声化学,超声清洗,废水处理,射流综合结果,前人对空蚀机理的研究多以水平壁面的切割等领域,但是空化也可能造成大坝和泄洪洞的空蚀为基础,而边壁表面的几何特性也是影响壁面空蚀,影响水泵和水轮机效率,造成大脑的损伤和空蚀的一个重要因素.前人利用震荡

4、型空化实验,对人工心脏瓣膜的失效等等.不管是空化的利用还是空蚀导致试件质量损失随时间的变化特性进行了研空化的危害,空化现象往往和边壁联系在一起,因究,发现由于材料的剥蚀改变了试件表面特性,在空[5~9]此近壁面空泡的生成与溃灭一直是空化空蚀研究的蚀酝酿阶段后有一个明显的空蚀加速阶段.Ah-重点.med,Chiu和Jiang分别对超声空化造成的壁面粗糙度[10~12]Rayleigh提出了静止液体中孤立球形空泡的溃的变化进行了研究.Philipp利用激光诱发100个灭机理,他认为壁面的空蚀破坏是由于近壁空泡溃相同的空

5、泡在壁面附近同一位置溃灭,发现由于空[1]灭的最后阶段产生的压力冲击波造成的.Kornfeld蚀使壁面几何特性发生改变,后期空泡溃灭过程与[3]和Suvorov提出了空泡可能非对称溃灭,溃灭时产生前期空泡溃灭过程相比有明显变化.Dear等人指出一个穿过空泡的液体射流,如果溃灭发生在硬壁附在锥形坑或内凹的曲面附近空泡溃灭产生的激波经[2]近,那么射流冲击可能造成壁面的空蚀破坏.除了过凹面的反射,可能在壁面附近会聚,产生更大的压[13]上述的冲击波理论和微射流理论,Philipp认为空泡在力,这个压力可能诱发附近的空泡

6、猛烈地溃灭.溃灭时被吸向边壁的效应是空蚀破坏的第三种机理Tomita利用激光诱发空泡,对空泡在不同曲率壁面附[3].此外Tomita和Shima还提出了在射流冲击之后产近的溃灭过程进行了研究,发现当空泡在硬壁附近1122中国科学E辑:技术科学2009年第39卷第6期溃灭时,空泡的运动显著地受壁面曲率的影响,就凸[14~16]面而言,其微射流的速度比平壁更高.Farhat和Guennoun讨论了水力空化中壁面罅隙的自动成核机[17,18]理,指出罅隙附近流动结构对空化显著影响.Chen对超声场中碳钢表面空蚀蚀坑的表观

7、特性进行[19]了研究.Wu对一种常用的水轮机材料的抗空蚀性[20]能进行了研究.综上所述,关于壁面凹坑的空化空蚀特性,自从[6]Thiruvengadam对空蚀阶段进行划分以来较少受到关注,大多是在各自的研究方向上零散的对其进行[14~16]研究.Tomita是个例外,他利用激光诱发空泡技图1超声空化空蚀实验装置与布设图术就壁面曲率特性对空泡溃灭的影响进行了比较系统的研究,但他关注的是固壁曲率对空泡溃灭的影凹坑的玻璃试件水平地,竖直地放入超声场中,调整响,而未关注空泡对凹坑形成,发展所起的作用,也氙气闪光灯和高速

8、摄影机的角度以达到最佳的拍摄未对空泡和蚀坑相互作用的长期过程进行研究.本效果.空蚀实验时,把金属铝板(或铜板)水平置于超文利用高速摄影技术对超声场中硬壁凹坑的空化空声场中持续空蚀60min(或240min),每隔2min(或蚀特性及其发展过程进行了观测,重点研究了凹坑5min)用高速摄影机以10,000frame/s的频率记录下的驻气特性,微泡散逸特性以及空