预测水机材料空蚀速率的计算模型研究.doc

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1、预测水机材料空蚀速率的计算模型研究王曬,王宇栋打张自华打叶献国I（1.昆明理工大学机电学院，云南昆明650051）摘要:采用半数学分析与半图解的方法，导出一个在稳态流条件下预测水机材料质址损失速率的计算公式，它是空化流体条件（如强度人于材料破断强度的压力脉冲速率比f和脉冲应力□,受冲击的平均面积S等）和材料性能（如屈服应力6,破断强度6,做化层深度L,应力应变关系指数门等）的函数。因气泡破裂产生了作用于材料上的压•力脉冲，因此，空化流体对材料的侵蚀特性可用包含应力脉冲高度和受冲击面积大小两个变量的二维直方图来描述，而建立直方图盂完成点蚀速率和脉冲高度测量两种试验。计算质

2、量损失速率所需的S和O等参数，可在二维宜方图的帮助下求出。对于316L不锈钢而言，模型预测计算结果与文丘里管空蚀实测结果棊本一致。关键词：预测；空蚀速率；计算模型中图分类号：TB37文献标识码：A至今为止，世界各国对材料的抗空蚀性能研究仍以实验室内的模拟试验和生产现场的T业应用结果作为评判标准，这不仅需要很长时间才能获得可信的结果，而且这类实验需具有专门的试验设备并耗用较大的资金。这些都是材料的空蚀研究难度大，进展慢的主要原因。为克服这些困难，国内外水机研究丁作者和水机材料研究T作者，不仅早已提出建立预测材料空蚀速率计算模型的设想，而且还提出多种方法来预测空化流体对固体

3、器壁的空蚀损坏，例如：由IlaminitF.C提出的声发射功率相依关系法叫由F.J.Ileymann提出的曲线拟合法叫由A.Thiruvengadam提出的能量吸收法⑵；由J.Noskievic提出的不同力学性能相依关系法⑵和A.Karimi的唯像理论法旦。然而上述各种方法所得出的空蚀速率计算公式儿乎都是建立在经验规律的基础上，而且计算式屮的某些参数仍需通过材料空蚀试验的测定才能获得，加Z计算结果与实验结果尚不能较好地吻合,例如文献［3］的结果为:在空蚀的初期（60h内），计算与实测相差5〜10%。60h到140h小时之间,两者相差达25〜35%⑶，这样的结果依然是不理

4、想的。因此，预测材料空蚀速率计算模型仍有必耍进一步研究。木文在总结前述多种研究方法的基础上，采用半数学分析加半图解的方法求解材料在空蚀环境下质量损失速率的数学表达式。图解是采用从实验测岀的材料应力与应变，流体的脉冲密度与脉冲强度等二维关系的直方图方法，可从直方图中获得某些参数之间的子关系，不仅简化了数学处理程序，也增加了计算结果的准确度。1方法和原理1・1概述作用于材料表面的每一个压力脉冲幅值达到足够大时，就会导致材料被局步地破化，随后，表面受到连续不断的脉冲轰击就会引起材料曝露表面的随机均匀锁化。而且便化层的深度随着曝露时间的增长而不断地增加，直到材料表面的应变达到断

5、裂M变值5时刻为止。在经过包含孕育期和空蚀加速期在内的这一阶段后，就达到了空蚀的稳定状态，这一阶段的特点可用恒定的质量损失速度十来描述。在这一・阶段，作用于材料表面的压力脉冲的效果，在理论上是引起进一步的表面应变。因为材料不能支持大于断裂应变5的具他M变，从而再加入能量就引起材料的破断，破断的形成引起材料的损失。在空蚀的稳态期，表面积虽然缩小了，但破化层的深度和应变的断面儿乎保持不变，因此相应的汽蚀速率也是恒定的。在实践中,绝大多数试验均表现出,经过一定的曝露时间后，材料的空蚀速率就下降。下述的两种影响因索是形成这种倾向的原因:（1）表面空蚀的结果引起了器壁儿何形状的变

6、化，这种变化的结果会引起流体侵蚀的下降；（2）随着空蚀的进行，表面粗糙度增加和表面皱折的出现也会引起局部区域的空化，这两种作用均会导致起始汽泡破裂作用的衰减（缓冲作用）［415但木文的主要内容是预测空蚀稳态条件下的材料空蚀速率，因此上述两种效应均不加考虑。1.2流体侵蚀不管点蚀起源的物理机制是什么（液体的喷射或者是冲击波），在器壁的附近蒸汽泡的破裂就会产生集屮在表面小面积上的压丿J脉冲。于是，在器壁的给定点，空化流体的侵蚀就可以用直方图来描述其特性，此立方图考虑了气泡溃灭的统计分布。根据我们所感兴趣的变量（能量、压力……）和所考虑的变量数的不同可使用不同的方式来确定直

7、方图。在木项研究中，考虑压力脉冲的幅值。和受载荷表面积的特征直径D两个变量，从而流体的侵蚀可用压力脉冲的二维直方图y（C,D）来描述其特征，英中帀是脉冲强度大于受载表面积尺寸大于D的压力脉冲的密度，压力脉冲密度以器壁的单位表面积和单位曝露时间的压力脉冲数來计量。木文第5节屮的图6就是压力脉冲巴方图的典型例子。1・3材料特性曲线为估价稳定条件下材料的空蚀速度，需要分析材料对给定直方图的特性曲线。如图1屮所指出的，材料变形的积累，便会引起表面层的局部破化。当材料表面的应变达到破断应变5时（时间t2）,空蚀就处在稳态情况下。此时应变的断面保持常