疏水近壁面激光诱导空泡脉动特性实验与仿真研究
发布时间：2022-01-26 13:07
空化是特定发生在流体中的一种物理现象,由空化引发的空蚀会降低水力机械的工作效率并缩短其使用寿命。疏水性表面由于自身拒水特性具有出色的抗腐蚀能力,因此在解决空化空蚀问题方面具备潜在的应用价值。本文采用实验与仿真相结合的研究方法对疏水近壁面空泡脉动特性进行研究,实验通过激光空化技术在疏水表面诱导产生可控的单空泡,研究空泡在水平和竖直疏水涂层壁面附近的脉动特性及其影响因素;建立疏水表面激光空泡脉动的仿真模型,研究疏水近壁面空泡脉动特性、计算域压力场及射流速度分布等。主要的研究内容与结果如下:（1）理论分析了激光诱导空泡的产生机理,并基于空泡动力学探究了液体介质参数对空泡脉动特性的影响,研究了近壁面空泡的脉动规律及其产生的微射流和冲击波效应,为疏水近壁面激光诱导空泡脉动特性及其作用机制的实验和模拟研究提供理论基础。（2）搭建激光诱导空泡实验平台,采用高速摄影技术获得了水平和竖直壁面附近的空泡脉动序列图,以此分析不同壁面位置下空泡的脉动特点及壁面有无疏水涂层对空泡脉动规律的影响。结果表明,无论水平壁面还是竖直壁面,疏水涂层壁面附近空泡的最大直径与无疏水涂层的普通壁面附近的空泡相比都有所减小,且脉...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光技术的应用Fig.1.1Applicationsoflasertechnology
疏水近壁面激光诱导空泡脉动特性实验与仿真研究2当脉冲激光的非线性能量达到液体介质所定义的击穿阈值，瞬间在击穿点形成高温高压的环境，等离子体形成并快速向外膨胀，周围液体受到挤压从而形成空泡，此后等离子体熄灭，液体介质中的空泡继续进行其脉动过程直至溃灭[4]，这就是激光诱导的空化现象。目前仍未对空化形成一个明确且完整的定义，空化是特定发生在液体中的一种流体动力学现象[5]，对其的认知和研究都源于水力空化，即当液体内部局部压强降低至该温度下液体的饱和蒸汽压强及以下时，该处或固液交界面便会产生内含水蒸气或气体的空穴，其因内外压力差经历膨胀收缩的脉动及溃灭过程，同时伴随一系列的物理及化学发应，学术界将整个变化过程称之为空化[6]。空化在水力机械中是一种负面且难避免的现象，产生的空泡使水力机械附近流体的压力和速度分布发生改变，导致设备在运行过程中产生振荡和噪声，进而降低其水力性能及工作效率[7]；此外，在完全空化阶段的空泡溃灭会对材料表面释放高达几百甚至几千个标准大气压的压强，而且水力空化由于大面积的局部压力骤减形成的空泡一般以空泡群的形式出现，大量空泡反复形成、溃灭并冲击在水力机械部件的表面，从而导致材料发生形变、剥蚀和破坏等空蚀现象[8]，如图1.2所示为水力机械中常见的空蚀破坏。因此，要想实现水力机械设备的安全、稳定和高效运作，对空化现象进行全面且深入的研究就显得十分重要。图1.2水力机械中的空蚀破坏[9]Fig.1.2Cavitationerosioninhydraulicmachinery[9]
江苏大学硕士学位论文3作为一种常见的物理现象，空化可以由多种方式诱导产生，主要分为压降诱导空化和能量沉积诱导空化，前者包括超声空化、水射流空化和上述的水力空化等，激光诱导空化、电火花诱导空化则属于后者。经过对各种空化诱导方式的研究发现，通过降低液体内部局部压强的空化方式通常产生大量空泡群，其空化程度无法精确控制，而能量沉积诱导空化的方式克服了上述不足，尤其是通过激光方式不仅可诱导单个空泡，且其具有球对称性好、容易控制、没有变形和定位精准等优点，对于空泡动力学的研究更加有利，因此激光诱导空泡的方法被引进空化领域的研究，成为该领域中崭新且有效的实验手段[10]。在水力机械中，空化是一种希望避免的负面现象，但也正是由于空化过程中产生的这种额外的力学效应和化学反应，使其在某些领域具备了一定的应用潜能。不少学者将空化应用于材料的表面改性领域，即激光空化强化技术[11]，其原理如图1.3所示，激光束聚焦于液体中产生的空泡在趋壁效应下逐渐靠近壁面，并在脉动过程中产生微射流和冲击波，作用于材料表面形成残余压应力，从而起到表面硬化的效果。图1.3激光空化强化材料表面原理图[12]Fig.1.3Schematicdiagramoflaser-inducedcavitationreinforcingmaterials[12]随着对空化机理的深入研究和激光技术的发展，空化因其过程中的两种力学效应在机械微制造、生物医学、表面处理等方面广泛应用，如图1.4所示。其中图(a)为利用激光湿式刻蚀法在石英玻璃表面加工出的微沟槽，空化作用对加工区域起到排屑作用[13]；图(b)为将激光空泡脉动过程中产生的压力用于红细胞变形能力的研究[14]；图(c)为利用激光诱导空化产生的微射流装配亚毫米级的微细元
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳秒激光诱导空化空泡的作用特性及影响[J]. 佟艳群,黄建宇,吴笑漪,袁寿其,任旭东. 排灌机械工程学报. 2017(12)
[2]涂层对空化流动特性影响的实验研究[J]. 黄旭,张敏弟,付细能. 船舶力学. 2015(Z1)
[3]样品的激光诱导击穿光谱及谱线的自吸收现象[J]. 张贵银,季慧,靳一东. 光谱学与光谱分析. 2014(12)
[4]空化特性研究进展[J]. 管金发,邓松圣,张攀锋,华卫星. 科学技术与工程. 2011(27)
[5]壁面附近激光空泡溃灭的空蚀特性[J]. 宗思光,王江安,马治国,王雨虹. 光学学报. 2010(03)
[6]水力机械空化空蚀问题的研究进展[J]. 袁丹青,陈向阳,白滨,丛小青. 排灌机械. 2009(04)
[7]固壁面附近空泡溃灭研究[J]. 赵瑞,梁忠诚,徐荣青,陆建,倪晓武. 南京邮电大学学报(自然科学版). 2009(01)
[8]脉冲激光击穿水介质特性的实验研究[J]. 宗思光,王江安,王雨虹. 光电工程. 2008(11)
[9]Fluent环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算[J]. 李疆,陈皓生. 摩擦学学报. 2008(04)
[10]激光空蚀机理的实验研究[J]. 赵瑞,徐荣青,沈中华,陆建,倪晓武. 光电子.激光. 2007(09)
博士论文
[1]近壁面空泡的可视化实验研究[D]. 徐明.浙江大学 2013
[2]激光等离子体冲击波传输及空泡动力学特性研究[D]. 赵瑞.南京理工大学 2007
硕士论文
[1]固体颗粒对激光诱导空泡特性及空化作用的影响研究[D]. 吴笑漪.江苏大学 2018
[2]基于激光空化强化提升铸铁材料抗空蚀性能研究[D]. 何浩.江苏大学 2017
[3]2A70铝合金激光诱导空化强化机理及其抗空蚀性能研究[D]. 周睿.江苏大学 2017
本文编号：3610546
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光技术的应用Fig.1.1Applicationsoflasertechnology
疏水近壁面激光诱导空泡脉动特性实验与仿真研究2当脉冲激光的非线性能量达到液体介质所定义的击穿阈值，瞬间在击穿点形成高温高压的环境，等离子体形成并快速向外膨胀，周围液体受到挤压从而形成空泡，此后等离子体熄灭，液体介质中的空泡继续进行其脉动过程直至溃灭[4]，这就是激光诱导的空化现象。目前仍未对空化形成一个明确且完整的定义，空化是特定发生在液体中的一种流体动力学现象[5]，对其的认知和研究都源于水力空化，即当液体内部局部压强降低至该温度下液体的饱和蒸汽压强及以下时，该处或固液交界面便会产生内含水蒸气或气体的空穴，其因内外压力差经历膨胀收缩的脉动及溃灭过程，同时伴随一系列的物理及化学发应，学术界将整个变化过程称之为空化[6]。空化在水力机械中是一种负面且难避免的现象，产生的空泡使水力机械附近流体的压力和速度分布发生改变，导致设备在运行过程中产生振荡和噪声，进而降低其水力性能及工作效率[7]；此外，在完全空化阶段的空泡溃灭会对材料表面释放高达几百甚至几千个标准大气压的压强，而且水力空化由于大面积的局部压力骤减形成的空泡一般以空泡群的形式出现，大量空泡反复形成、溃灭并冲击在水力机械部件的表面，从而导致材料发生形变、剥蚀和破坏等空蚀现象[8]，如图1.2所示为水力机械中常见的空蚀破坏。因此，要想实现水力机械设备的安全、稳定和高效运作，对空化现象进行全面且深入的研究就显得十分重要。图1.2水力机械中的空蚀破坏[9]Fig.1.2Cavitationerosioninhydraulicmachinery[9]
江苏大学硕士学位论文3作为一种常见的物理现象，空化可以由多种方式诱导产生，主要分为压降诱导空化和能量沉积诱导空化，前者包括超声空化、水射流空化和上述的水力空化等，激光诱导空化、电火花诱导空化则属于后者。经过对各种空化诱导方式的研究发现，通过降低液体内部局部压强的空化方式通常产生大量空泡群，其空化程度无法精确控制，而能量沉积诱导空化的方式克服了上述不足，尤其是通过激光方式不仅可诱导单个空泡，且其具有球对称性好、容易控制、没有变形和定位精准等优点，对于空泡动力学的研究更加有利，因此激光诱导空泡的方法被引进空化领域的研究，成为该领域中崭新且有效的实验手段[10]。在水力机械中，空化是一种希望避免的负面现象，但也正是由于空化过程中产生的这种额外的力学效应和化学反应，使其在某些领域具备了一定的应用潜能。不少学者将空化应用于材料的表面改性领域，即激光空化强化技术[11]，其原理如图1.3所示，激光束聚焦于液体中产生的空泡在趋壁效应下逐渐靠近壁面，并在脉动过程中产生微射流和冲击波，作用于材料表面形成残余压应力，从而起到表面硬化的效果。图1.3激光空化强化材料表面原理图[12]Fig.1.3Schematicdiagramoflaser-inducedcavitationreinforcingmaterials[12]随着对空化机理的深入研究和激光技术的发展，空化因其过程中的两种力学效应在机械微制造、生物医学、表面处理等方面广泛应用，如图1.4所示。其中图(a)为利用激光湿式刻蚀法在石英玻璃表面加工出的微沟槽，空化作用对加工区域起到排屑作用[13]；图(b)为将激光空泡脉动过程中产生的压力用于红细胞变形能力的研究[14]；图(c)为利用激光诱导空化产生的微射流装配亚毫米级的微细元
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳秒激光诱导空化空泡的作用特性及影响[J]. 佟艳群,黄建宇,吴笑漪,袁寿其,任旭东. 排灌机械工程学报. 2017(12)
[2]涂层对空化流动特性影响的实验研究[J]. 黄旭,张敏弟,付细能. 船舶力学. 2015(Z1)
[3]样品的激光诱导击穿光谱及谱线的自吸收现象[J]. 张贵银,季慧,靳一东. 光谱学与光谱分析. 2014(12)
[4]空化特性研究进展[J]. 管金发,邓松圣,张攀锋,华卫星. 科学技术与工程. 2011(27)
[5]壁面附近激光空泡溃灭的空蚀特性[J]. 宗思光,王江安,马治国,王雨虹. 光学学报. 2010(03)
[6]水力机械空化空蚀问题的研究进展[J]. 袁丹青,陈向阳,白滨,丛小青. 排灌机械. 2009(04)
[7]固壁面附近空泡溃灭研究[J]. 赵瑞,梁忠诚,徐荣青,陆建,倪晓武. 南京邮电大学学报(自然科学版). 2009(01)
[8]脉冲激光击穿水介质特性的实验研究[J]. 宗思光,王江安,王雨虹. 光电工程. 2008(11)
[9]Fluent环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算[J]. 李疆,陈皓生. 摩擦学学报. 2008(04)
[10]激光空蚀机理的实验研究[J]. 赵瑞,徐荣青,沈中华,陆建,倪晓武. 光电子.激光. 2007(09)
博士论文
[1]近壁面空泡的可视化实验研究[D]. 徐明.浙江大学 2013
[2]激光等离子体冲击波传输及空泡动力学特性研究[D]. 赵瑞.南京理工大学 2007
硕士论文
[1]固体颗粒对激光诱导空泡特性及空化作用的影响研究[D]. 吴笑漪.江苏大学 2018
[2]基于激光空化强化提升铸铁材料抗空蚀性能研究[D]. 何浩.江苏大学 2017
[3]2A70铝合金激光诱导空化强化机理及其抗空蚀性能研究[D]. 周睿.江苏大学 2017
本文编号：3610546
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