三相磨粒流文丘里管结构空化辅助抛光机理与试验

为解决传统流体抛光效率低等问题,该文提出三相磨粒流文丘里管结构空化辅助抛光方法,进行了理论分析和试验研究。利用计算流体力学对三相磨粒流有无文丘里管结构空化2种情况分别进行数值模拟,分析和对比流场内的速度矢量、动压力和湍动能等参数。为了验证数值模拟的正确性和所提出方法的有效性,一方面进行了PIV(Particle image velocimetry)观测试验,观察和分析流场内空化云团的演化,进一步分析空化辅助抛光机理;另一方面进行了三相磨粒流空化抛光试验,对工件的表面粗糙度和表面形貌进行测量和分析。理论和试验结果表明:空化辅助下的流场速度、动压力、湍动能和有效加工区域明显增大,数值分析与PIV观测试验、抛光试验结果具有很好的一致性,三相磨粒流文丘里管结构空化辅助抛光方法显著提高了抛光效率。加工对比试验显示,空化辅助磨粒流抛光相比同参数的传统流体抛光效率大幅提高,经12 h抛光后工件表面粗糙度Ra从160 nm最低下降到4.95 nm。     

基于CFD-DEM耦合的磨粒流微小孔加工数值分析与试验

由于当前具有微小孔的结构等零部件加工难度大,精度要求高,传统加工方法无法满足现有的加工精度要求,该文采用一种软性加工方法—磨粒流加工技术,实现微小孔结构精密加工。采用CFD(computational fluid dynamics)和DEM(discrete element method)相结合的方法对磨粒流加工过程进行数值分析。在数值分析过程中,考虑颗粒对壁面的碰撞作用,对不同入口速度条件下的流体和颗粒的分布状态进行对比分析,揭示磨粒流微切削作用行为,通过对材料去除机理的分析揭示颗粒对壁面的作用规律。数值模拟结果表明:随着入口速度的增大,颗粒与零件表面的摩擦与碰撞作用更为剧烈,颗粒动能转化为切削能,提高了材料的去除率;当颗粒碰撞应力小于材料极限应力时,材料只发生塑性变形,当碰撞应力大于材料极限应力时,才会发生材料去除。试验结果表明:经磨粒流加工的表面粗糙度Ra值由2.03μm降低到0.65μm,研究结果可为后续研究颗粒碰撞和颗粒微切削提供一定借鉴价值。     

多种约束流道环境下的软性磨粒流流场特性

为了解决软性磨粒流加工中工件表面特定加工区域材料去除的难题,提出了一种通过改变约束模块结构控制约束流道内流场的方法。基于标准k-ε湍流模型和Mixture两相流模型,建立了面向液-固两相软性磨粒流湍流流型分析的动力学模型。以波浪形和矩形2种约束流道为具体模拟仿真对象,研究软性磨粒流流经2种约束流道过程中压力、速度等工艺参数。研究结果表明：简单流道内的湍流动能小于复杂流道内的湍动能,因此在流道内加入约束模块可提高湍流的紊乱程度;流道加工表面的静压力、动压力在波浪形约束模块作用下比在矩形约束模块的作用下流道性能有所提高,同时在波浪形流道内可根据约束形状形成明显的压力差值;加入不同形状的约束模块改变流道横截面积,可以改变加工表面压力、速度、磨粒入射角等工艺参数,并且能够获得更加明显的小涡流以提高加工精度。数值模拟结果为软性磨粒流加工工艺参数的选择提供了依据并部分通过试验得到验证。     

图像粒子测速技术测量软性磨粒流流场

软性磨粒流超精密加工方法已被应用于模具细微结构化表面的光整加工中,湍流形态下的软性磨粒流具有最佳加工效果,所以需要对软性磨粒流的流场形态进行判断。以汽车模具中的结构化表面为研究对象,采用可实现k-ε模型对软性磨粒流进行数学描述,对软性磨粒流流场内的压力、速度、湍流耗散率以及不同阶段的运动轨迹进行数值模拟研究;基于粒子图像测速(particles image velocimetry,PIV)技术,搭建软性磨粒流流场测量试验平台,得到了流场内的颗粒分布、速度矢量以及流场涡量,并将观测结果与数值模拟结果进行对比分析。结果表明,数值模拟与流场观测结果一致,软性磨粒流流场符合湍流特征,利用该状态下的软性磨粒流对模具结构化表面进行超精密光整加工,加工后模具工件表面粗糙度达到27μm。     

结构化流道环境下不同颗粒浓度的磨粒群分布及其动力学特性

结构化表面流道内,由于流体相的驱动作用,磨粒与磨粒之间、磨粒与壁面之间产生相互碰撞,从而壁面不断受到冲击力和摩擦力而发生磨损。该文基于液-固两相流体耦合理论,利用欧拉-欧拉多相流模型中的mixture模型和Realizablek-ε湍流模型对V型纹理半环形截面流道内液-固两相流在不同颗粒浓度下运行时的壁面湍流效应进行了数值模拟,计算了流场中湍流速度及湍动性能等参数。模拟结果表明:V型纹理的流道有利于涡流的产生,因此可以通过配置V型纹理的约束模块来提高湍流的紊乱程度;随着颗粒浓度的增大,在一定范围内磨粒流的速度逐渐增大,磨粒流的湍动能逐渐减小,磨粒体积分数的波动振幅越来越小;颗粒浓度的选择应适当,不同的颗粒浓度可以产生不同的磨粒流综合性能和颗粒分布效果。     

碳化钨颗粒-高铬铸铁表面耐磨复合材料的试验研究

为提高农机具的耐磨性,采用铸造表面合金化工艺在铸铁表面获得一层碳化钨颗粒－高铬铸铁复合材料,并研究了影响复合材料质量的因素及其耐磨粒磨损性能。结果表明,对表面复合材料质量最有影响的是铁水的浇注温度;与淬火６５Ｍｎ钢相比,复合材料的耐磨粒磨损性能提高了１．８－５．３倍。     

碳化钨颗粒─高铬铸铁表面耐磨复合材料的试验研究

为提高农机具的耐磨性,采用铸造表面合金化工艺在铸铁表面获得一层碳化钨颗粒－高铬铸铁复合材料,并研究了影响复合材料质量的因素及其耐磨粒磨损性能。结果表明,对表面复合材料质量最有影响的是铁水的浇注温度;与淬火６５Ｍｎ钢相比,复合材料的耐磨粒磨损性能提高了１．８～５．３倍。田间试验也表明,在灰铸铁表面铸造耐磨复合材料工艺能明显提高农机具的使用寿命。     

基于座头鲸"结节效应"的仿生离心泵空化特性

为了研究离心泵空化抑制策略，改善离心泵的空化特性，该研究基于仿生学中的座头鲸鲸鳍"结节效应"提出了一种仿生离心泵模型。对原型泵和仿生模型的瞬态空化流进行了数值模拟，并使用水力性能和空化性能试验对算法进行验证，分析了原型泵和仿生模型的外特性和空化特性，以及叶轮流道内空泡发展、压力脉动、涡量场、压力分布、湍动能分布情况。结果表明：数值模拟结果与试验结果吻合较好，仿生结构对原型泵水力性能影响较小，扬程变化范围为：-0.73%～0.77%，效率变化范围为：-1.74%～2.52%；仿生模型有效抑制了空泡发展，减少了空泡体积，在空化初生阶段抑制效果最好，平均空泡体积分数减少99.72%，仿生模型较原型泵的空化特性得到改善，提高了原型泵的水力性能；仿生模型降低了离心泵内多个位置的压力脉动主频幅值；仿生结构处产生的对漩涡会改变叶轮涡量场，使叶轮进口低压区减少的同时降低了叶轮流道内的湍动能，达到抑制空化发生和限制空化发展的作用。仿生模型可以有效的抑制离心泵空化的发生，改善离心泵的空化性能。     

硼铬稀土共渗对提高钢的耐磨粒磨损性能的试验研究

研究了采用固体硼铬稀土共渗工艺（一种新的金属表面硬化工艺）,得到硬化层硼铬稀土共渗层的组织,脆性和耐磨粒磨损特性均得到改善。并进行了应用试验。结果表明,硼铬稀土共渗层在保留了渗硼层高硬度的同时,明显降低了脆性,可使共渗层的耐磨粒磨损性能比渗硼层提高０．３１～０．６８倍,且应用效果显著。研究结果对农业机械零件表面硬化工艺的选择具有指导作用。     

半开式叶轮离心泵气液两相条件下内部流动特性分析

半开式叶轮离心泵输送气液两相流时,其性能经常随入流含气率（α）的增加而下降,主要由内部的气液两相不稳定流动造成。为解决传统欧拉双流体模型不能考虑气泡直径变化及气泡形变的问题,采用一种群体平衡模型（Musig模型）数值计算了某设计比转速为88.6的半开式叶轮离心泵在不同入流含气率下的内部流场,并进行了试验验证。研究结果表明：模型泵在1 000 r/min可输送液体的最大入流含气率为4.6%;α>3%以后,Musig模型由于能表征气泡形态及破碎与聚合过程等气液两相流演化规律,其外特性计算结果比欧拉-欧拉双流体模型准确,且与可视化试验流型测试结果较为吻合;α=4%时扬程系数和效率与试验结果的最大误差分别为1.6%和5%;随着入流含气率的增加,叶轮和蜗壳流道内逐步出现均匀泡状流、聚合泡状流、气穴流和分离流等流型分布,设计流量下α≤1%时以均匀泡状流为主,α=3%时以聚合泡状流为主,α=4%时以气穴流为主,α≥4.2%时出现分离流并逐渐堵塞流道;叶顶间隙是影响泵内气液两相流型分布的重要原因,叶轮流道中存在大尺度漩涡和出口回流现象,且随着含气率的增大越发明显,进而在高含气率区域引发较大的湍动能分布,加剧了泵内部的不稳定流动,最终导致α≥4.6%后的泵空转。该研究可为综合分析离心泵内部不稳定流动规律提供一定参考。     

小麦磨粉机磨辊材料抗磨损热处理工艺优化

植物磨料磨损是辊式制粉工业中磨辊磨损失效的主要原因,热处理工艺是磨辊材料(低铬白口铁)表面硬度强化的一般手段。该文选用与辊式制粉工况相似的磨损试验机进行试验,利用正交试验考察了不同工艺参数热加工对低铬白口铁抗小麦粉料磨损性能的影响,并择选出最优工艺组合。基于最优工艺组合,以低铬白口铁原始件为参照,综合质量损失、磨痕特征及扫描电镜形貌等手段提取磨损特征,考察最优热处理工艺对低铬白口铁抗小麦粉料磨损性能的强化效果。试验推荐最优热处理工艺组合为:960℃(1 h)空淬+250℃(2 h)回火,实际生产推荐最优热处理工艺组合为:基于960℃淬火+250℃回火的表面热加工;经最优热加工工艺处理的低铬白口铁的磨损质量损失约为原始试样质量损失的42%,铸态组织内共晶碳化物断网现象明显,以半连续网状或孤立块状分布于基体;被磨面沟槽宽深度与棱脊峰谷值等磨痕特征及金属元素含量有所降低,试样硬度显著增加;磨损形式主要为微观切削、多次塑性变形与低周期疲劳磨损。该研究可为磨辊耐磨性能的提升以及降低加工过程对面粉的金属污染提供参考。     

泥石流防治工程混凝土材料的抗冲磨性能

[目的] 开展在混凝土中复掺纳米二氧化硅、微硅粉、聚丙烯纤维等材料,增强工程耐磨性的试验研究,探讨复掺材料掺量变化影响抗冲磨强度的规律,旨在为泥石流防护工程建设中抗冲磨混凝土的配合比设计提供科学参考。[方法] 采用正交试验设计的水下钢球法对混凝土试件进行水下冲磨试验,得出了复掺纳米二氧化硅、微硅粉、聚丙烯纤维的混凝土试件的抗冲磨强度。[结果] 在选定的掺量范围内,混凝土试件的抗冲磨强度随纳米二氧化硅的增加先增大再减小,在掺量为1.5%时达到最大值;随微硅粉的增加而增大,在掺量为12%时达到最大值;随聚丙烯纤维的增加先减小再增大,在掺量为1.8 kg/m³时达到最大值;随着引气剂的增加先减小再增大,在掺量为0.005%时达到最大值。[结论] 影响混凝土抗冲磨性能最为显著的因素是纳米二氧化硅掺量,其次是聚丙烯纤维,再次是微硅粉,最后是引气剂。     

Effects of Vegetation Stems on Hydraulics of Overland Flow Under Varying Water Discharges

Vegetation plays an important role in soil erosion control, but few studies have been performed to quantify the effects of vegetation stems on hydraulics of overland flow. Laboratory flume experiments were conducted to investigate the potential effects of vegetation stems on Reynolds number, Froude number, flow velocity and hydraulic resistance of silt‐laden overland flow. Cylinders with diameter D of 2·0, 3·2 and 4·0 × 10⁻² m were glued onto the flume bed to simulate the vegetation stems, and a bare slope was used as control. The flow discharge varied from 0·5 to 1·5 × 10⁻³ m³ s⁻¹ and slope gradient was 9°. Results showed that Reynolds number on vegetated slope was significantly higher than that on bare slope because of the effect of vegetation stems on effective flow width. All the flows were supercritical flow, but Froude number decreased as D increased, implying a decrease in runoff ability to carry sediment. The mean flow velocity also decreased with D, while the velocity profile became steeper, and no significant differences were found in surface flow velocities among longitudinal sections on all slopes. Darcy–Weisbach friction coefficient increased with D, implying that the energy consumption of overland flow on hydraulic resistance increased. Reynolds number was not a unique predictor of hydraulic roughness on vegetated slopes. The total resistance on vegetated slopes was partitioned into grain resistance and vegetation resistance, and vegetation resistance accounted for almost 80% of the total resistance and was the dominant roughness element. Further studies are needed to extend and apply the insights obtained under controlled conditions to actual overland flow conditions. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

牟托沟流域高含沙水流与泥石流相互演化特征及其机理

震后环境下单沟高含沙水流与泥石流相互演化规律是泥石流工程防治的关键问题.以茂县牟托沟泥石流为例,探讨了牟托沟泥石流物源补给和微地貌在高含沙水流与泥石流相互演化过程中的重要性.首先分析了牟托沟地形地貌特点;其次利用容重分析了牟托沟高含沙水流与泥石流相互演化特征;最后采用一次泥石流固体物质总量的形态调查法和阶梯-深潭微地貌效应分析方法分析了高含沙水流与泥石流相互演化机理.研究表明:(1)牟托沟泥石流起动模式为冲蚀→冲沟→堵塞→溃决→泥石流的模式;(2)在弃渣和崩坡积物的影响下牟托沟易形成阶梯一深潭微地貌;(3)高含沙水流与泥石流的相互演化和一次泥石流固体物质总量关系密切.     

降雨强度和单宽流量与地表粗糙度交互作用下坡面流阻力特征

为探明降雨和地表颗粒共同影响下的坡面流阻力变化特征及形成机理,在15?定床条件下,分别研究了4个粗糙度(0.009,0.18,0.25,0.425 mm)和4个降雨强度(0,60,90,120 mm/h)在9个单宽流量(0.397~2.049L/(m·s))冲刷下的坡面流流速、流态指数、阻力系数、雷诺数等水动力学参数间的关系及变化特征。结果表明:1)坡面流流速与粗糙度呈反比,与降雨强度呈正比。流态指数m的计算结果显示(m0.5),坡面水流能量主要转化为动能形式;2)试验条件下,雷诺数变化范围为300~2 300,达西阻力系数变化范围为0~3.0,颗粒阻力和降雨阻力皆随着雷诺数的增加而减少,随着水深的增加,降雨对坡面流施加的影响逐渐减小。坡面总阻力系数与粗糙度成正比,与雷诺数和雨强成反比,降雨具有"减阻"效果;3)计算降雨阻力与颗粒阻力线性叠加值与坡面流总阻力的差异,结果表明坡面流总阻力大于线性叠加的结果,t检验结果显示差异显著(sig.0.0030.05),表明将坡面流阻力分量线性叠加计算坡面流总阻力的方法具有一定局限性;进一步构建降雨及地表颗粒影响下的坡面流阻力通式,具有良好的模拟效果。研究成果为深入探明坡面流阻力形成机理和构建坡面侵蚀模型提供科学依据。     

苜蓿草粉对45#钢磨损性能的影响

以苜蓿草粉为磨料在磨料磨损试验机上采用二次正交旋转回归试验法分析了磨料粒度、转速和载荷3个条件因素对45#钢磨损量的影响规律,确定了磨损试验的最佳条件。在该条件下考察了苜蓿草粉对2种不同热处理的45#钢的软磨料磨损行为,用扫描电子显微镜对磨损表面形貌进行观察。结果表明,影响45#钢磨损性能的3因素由大到小依次为转速、磨料粒度和载荷;亚温淬火比退火的45#钢的耐磨性好;苜蓿草粉磨料对45#钢表面的磨损是软、硬磨料共同作用的结果。退火45#钢的软磨料磨损以多次塑性变形萌发的低周期疲劳剥落为主要磨损机制,淬火45#钢则以显微切削为主要磨损机制。     

Macropore flow estimations under no-till and till systems

The processes associated with water movement through silt loam soils involve both the flow through macropores as preferential flow or macropore flow and flow through the micropore as matrix flow. Macropore and matrix flow components were separated from total flow by a hydrograph-separation technique which used the assumption of dual porosity and a tracer mass balance. A mixture of potassium bromide was applied through a rain simulator to four plots in northern Mississippi in two rain events at 12.7 mm/h lasting 5 and 3 h separated by 6 h. The plots were either tilled or no-tilled with drains installed by two methods at the surface of the fragipan. The magnitude of water and bromide (Br⁻) transported by macropore flow to a drain line were estimated and the resulting hydrographs provided an indication of the potential significance of macropore flow in transporting water and non-reactive chemicals through macropores to the shallow groundwater system. Matrix flow appears to contribute the majority of the water moving to the drains even during the early stages of the drain flow hydrographs. The no-till plots produced more macropore flow than the tilled plots, independent of how the drains were installed. Macropore flow in the drainage at any time was small as compared to the matrix flow; however it contributed a disproportionate amount of Br⁻ tracer. These data support the concept that models used to predict mass balances using only the matrix (Darcian) flow will underestimate those chemicals that move like bromide into the soil profile.     

植被类型对河岸带坡面流水动力特性的影响

为了研究河岸带植被类型对坡面流水动力学特性的影响,通过野外简易径流小区放水冲刷试验,在3种流量(4,6,8 L/min)和6种不同坡面类型条件下对河岸带坡面流水动力学参数变化进行了分析。结果表明：(1)坡面植被的存在具有明显降低径流流速的作用,裸坡坡面平均流速(0.276±0.065 m/s)显著高于其他植被类型(p<0.05),坡面平均径流流速随着来水流量的增加而增加;(2)雷诺数随着放水流量和放水时间的增加而增加,所有河岸带边坡流型都属于层流;弗劳德数随着放水时间先减小后趋于稳定,各坡面流均属于急流状态(弗劳德数大于1);(3)植被覆盖能够明显减小坡面径流雷诺数和弗雷德数,裸坡的雷诺数(128.53)和弗雷德数(4.0)显著高于其他坡面类型(p<0.05)。狗牙根坡面的Darcy-weisbach阻力系数(3.71)以及曼宁糙率系数(0.062)均最大,表现出对坡面流流速最好的阻滞效果。