含沙水流中翼型空蚀磨损试验

模拟水力机械内部流动环境,在收缩－扩散型试验段中对翼型进行了空蚀、磨损及两者联合作用破坏试验,观测表面破坏微观形貌并测量破坏深度分布规律。空蚀形貌呈较为规则的近圆独立蚀坑,其分布较为随机。根据颗粒对表面作用的不同,磨损形貌表现为冲击、铲削、犁耕及切削等类型。在较高固相质量浓度下,联合作用破坏形貌大多在极端的角度(90°或0°)以颗粒磨损形式出现,其尺度特征在翼型表面随位置后移远大于磨损形貌,宏观破坏深度明显比单纯磨损大;而在低固相质量浓度下,微观形貌为空蚀磨损共存。     

含沙水流中空化促进磨损破坏机理

在对翼型试件进行空蚀、磨损及联合作用破坏研究的基础上,结合空化流场的测试及处理,研究含沙水流中水力机械过流表面空化行为促进磨损破坏的机理.对翼型表面不同位置空蚀、磨损及联合作用破坏微观形貌进行对比分析,得到了3种试验条件下微观形貌的破坏模式,确定了造成破坏模式的流场作用因素.对空化场图像进行了分析和处理,获得了翼型表面空化行为变化规律及特征.结合翼型表面破坏方式和空化场的分析,提出了在空化过程的空穴结构生长和空泡云溃灭两个阶段中,空化行为促进泥沙颗粒磨损破坏翼型试件的不同机理.在空穴结构生长阶段中,空穴结构推动颗粒加速;而在空泡云溃灭阶段,压力波或微射流则显著增大泥沙颗粒的运动速度.在两个阶段各自对颗粒速度的影响增大了联合作用的破坏能力.对翼型表面磨损及联合作用时破坏深度测量的试验结果验证了该观点.     

翼型表面磨损破坏试验和流场PIV测试

在收缩-扩散形试验段中对铝制翼型进行了沙粒磨损破坏试验。采用扫描电镜观测翼型上表面各位置磨损破坏的微观形貌,采用PIV对无固相流场进行了测试。根据磨损破坏微观形貌,将破坏模式分为楔入、犁耕及切削3类,结合PIV测试结果分析不同位置所产生破坏形貌的流场原因。研究认为,微观破坏形貌取决于作用在该位置处沙粒的运动特征,而破坏总体分布及程度依赖于流场中沙粒随流体运动的规律,无固相流场PIV能为沙粒破坏模式的分析提供支持。研究结论对开展水力机械过流表面磨损研究有积极意义。     

空蚀、磨损及其联合作用研究进展

空蚀、磨损及两者联合作用是目前流体机械破坏的重要原因，通过实验及数值模拟研究得到空蚀、磨损及两者联合作用的机理是发展流体机械优化设计方法、提高流体机械抵抗空蚀磨损破坏能力的基础．由于影响空蚀、磨损及两者联合作用行为的因素既有速度、压力等流场参数，又有沙粒和材料特性等，近年来此领域的研究在空蚀磨损及联合作用机理、各因素间的相互影响及高抗破坏材料等方面展开．基于此，本文选择性的分析了相关的报道文献，为进一步开展流体机械过流表面快速破坏机理的研究提供理论支持．     

数字图像处理在SEM空蚀图像定量分析中的应用

针对收缩-扩散型水洞中进行铝制翼型空蚀破坏试验时,传统度量不能准确量化翼型表面不同位置的空蚀程度,提出了数字图像检测的方法.获取试验翼型表面SEM空蚀图像,然后对图像进行模糊增强,并进行类间方差最大阈值分割,用二值形态学方法处理边缘,最后由统计特性计算出空蚀破坏表面积、蚀坑数量等.图像测量可得到空蚀对翼型表面破坏数值的定量结果.     

数字图像处理在SEM空蚀图像定量分析中的应

针对收缩－扩散型水洞中进行铝制翼型空蚀破坏试验时,传统度量不能准确量化翼型表面不 同位置的空蚀程度,提出了数字图像检测的方法。获取试验翼型表面SEM空蚀图像,然后对图像进行模糊增强,并进行类间方差最大阈值分割,用二值形态学方法处理边缘,最后由统计特性计算出空蚀破坏表面积、蚀坑数量等。图像测量可得到空蚀对翼型表面破坏数值的定量结果。     

三峡水电站过机泥沙粒径对水轮机叶片空化空蚀的影响

由于紊流中布满的涡体,利用涡成因说分析涡体对脉动、空化的影响和脉动与空蚀的关系。从涡与泥沙粒径的影响关系和空化及空蚀的两种机械破坏模式、空蚀和磨损的形态特征等方面入手,分析空蚀破坏机理,探讨了泥沙粒径对空化空蚀的影响。结合三峡水电站水轮机的磨蚀情况,得出不同颗粒粒径的磨蚀破坏机理之间的差异。此外,对于三峡水电站,空泡在水轮机含沙水流中溃灭时,空蚀与磨损具有存在性与普遍性,且耦合共同作用导致叶片破坏。     

低比转速离心泵叶轮内固液两相流的数值分析

为了分析离心叶轮内固液流动特性,采用M ixture多相流模型,扩展的标准κε湍流方程与SIMPLEC算法,应用流体动力学软件Fluent对低比转速离心泵叶轮内固液两相湍流进行了数值模拟.分析了多种粒径及浓度条件下的固相体积浓度分布规律.当颗粒直径较小和泥沙浓度较低时,固粒在叶轮出口附近会出现向叶轮背面迁移的趋势;但在离心泵叶轮固液两相流动中,固体颗粒还是主要集中于叶轮工作面,因而会加剧叶轮工作面磨损破坏速度.数值结果表明,在相同的泥沙颗粒直径条件下,水泵扬程随着含沙水流中泥沙浓度的增大而下降.     

脱硫泵固液两相流动的数值模拟与磨损特性

采用k-ε-Ap模型模拟了脱硫泵内固液两相流动,并对3种直径的颗粒浓度分布、速度分布及磨损特性进行了研究.结果表明,不同直径的固体颗粒在叶片压力面上的体积浓度均比吸力面上高,其浓度随颗粒直径增加而增加;在蜗壳中,颗粒主要分布在蜗壳近壁处,并随颗粒直径增大而浓度增加.其相对速度矢量方向基本沿叶片表面,与叶片相切,因此在叶片上主要发生滑动磨损;固体颗粒以较小角度与蜗壳壁面相碰撞,随颗粒直径增大,角度略有增加,在离心力的作用下,固体颗粒以较大径向速度挤压蜗壳壁面,并沿蜗壳周壁向出口运动,导致蜗壳发生严重滑动磨损;颗粒在蜗壳隔舌附近的运动比较紊乱,导致在隔舌部位主要发生冲击磨损.数值模拟结果与实际磨损情况比较吻合,表明所采用的计算方法是可行的.     

后掠式双叶片污水泵固液两相流动规律的数值模拟

基于Particle模型,采用SIMPLEC算法、多重参考坐标系法对后掠式双叶片污水泵固液两相流场进行数值模拟.液相采用标准k-ε双方程湍流模型,固体颗粒采用离散相零方程模型,分析了固相颗粒体积浓度分别为5%,10%,15%,20%,颗粒粒径分别为0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 mm时,固相颗粒在泵内的分布情况及其滑移速度的大小,从而进一步研究泵内过流部件的磨损情况,并探讨了颗粒浓度及大小对泵水力性能的影响规律.结果表明,颗粒直径一定时,随固相体积浓度的增大,颗粒运动轨迹偏向叶片吸力面;叶片压力面及吸力面尾部的后盖板处固体颗粒滑移速度增加明显,该处壁面产生磨损,因此设计时后盖板处应加厚;固体颗粒的粒径及固相体积浓度对泵水力外特性有着不同程度的影响,粒径增加,泵扬程、效率均下降;固相体积浓度增加,泵扬程增加、效率下降.样机试验表明:额定工况下效率为80%,扬程为11 m,设计合理,达到国内污水泵设计的领先水平.