固体颗粒对激光诱导空泡特性及空化作用的影响研究

发布时间：2020-05-10 21:03

【摘要】：空化空蚀是导致水力机械磨损破坏的重要原因,对于空化现象的研究引起了人们的广泛关注。激光诱导空化技术已成为空化研究技术的核心内容,相较于传统的研究方法,具有可控性强、操作简单、准确性高等特点,可应用于水力机械、生物医学、电子信息等多个领域。在现实情况中,固体颗粒是影响空化空泡的一个重要因素,研究固体颗粒对激光诱导空泡及空化的作用机制,有助于进一步揭开空化机理,有效解决空蚀危害,对水力机械领域有重大意义。本文采用纳秒激光作为激发光源,研究固体颗粒对激光诱导空泡特性及空化作用的影响。借助高速摄像技术,实现激光诱导空泡瞬态特性的探测,结合固液两相流中激光能量对空泡脉动的影响,研究固体颗粒对激光诱导空化的影响,发现固液两相流中激光诱导空泡对靶材表面形貌的作用规律。具体研究内容如下:(1)从空化理论以及空泡动力学理论出发,研究液体介质以及固体颗粒等因素对空化的作用机制,结合激光击穿液体介质的作用机理,研究固体颗粒对激光诱导空化的影响,为后续实验提供理论支持。(2)实验研究固体颗粒对激光诱导空化的作用影响。测试固液两相流中激光能量对激光空泡瞬态特性的影响,发现空泡运动与激光能量密切相关。分析比较不同颗粒浓度以及颗粒粒径条件下的空泡尺寸、脉动周期的变化,进一步研究固体颗粒对激光诱导空化的作用,发现适量的固体颗粒对激光诱导空化有促进效果。研究近壁面空泡在固液两相流中的脉动过程,发现高速射流与冲击波现象,以及空泡的趋壁运动。(3)实验研究激光诱导空化对靶材表面形貌的作用。借助三维形貌探测技术与表面微观形貌检测技术,研究离焦量、激光能量、固体颗粒对靶材表面形貌的影响,分析激光诱导空化的作用效果,发现固体颗粒可促进激光诱导空化效果。
【图文】：

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图 1.1 水下激光诱导空泡过程[20]Fig.1.1 The process of laser-induced cavitation[20]通常，自然界的水流中都存在着微小的固体颗粒，河流中还会带有沙子等颗粒杂质，这种含有固体颗粒的水流具有更为复杂的流动特性，固体颗粒会增加液体中的气核数量，从而进一步提高空化发生的可能性[22,23]。固液流动中的空蚀是在自然界和许多工业领域中普遍存在的，如机械、化学和冶金工程中，这种空蚀作用涉及到液体空化与固体颗粒的作用，是一种复杂而又令人着迷的现象，并且在水力机械领域中尤为突出。在高泥沙河流中，水力机械由于受到空化空蚀的影响，零部件磨损严重，导致无法正常工作，会造成重大的经济损失[24,25]。因此，基于激光诱导空化方式研究固体颗粒对于空化的影响作用是一个非常有吸引力的研究课题。这种方法能够更准确直观地研究水流中的固体颗粒对空化空泡的作用。在本章中，我们首先对空化进行概述，包括空化机理、空蚀现象以及空泡产生方式，着重介绍了激光诱导空化空泡的研究方法；简述了固体颗粒对

自由液面,冲击波,液体,空泡

单空泡理论研究的发展和完善，渐渐引起了学者对空化空泡的兴趣，进一步了对空化空泡的实验研究。为了能更直观地观察分析单空泡的运动过程，人单空泡的产生入手开展实验。1966 年，国内学者张德俊等人成功制备出了的动力泡，并记录下了单空泡运动的全过程[33]。接着，黄继汤等人提出了利火花方式产生单空泡，具体分析了单空泡在不同液体中的运动过程[34]，但是法所制备出的单空泡容易受到液体流场中电极的干扰[35-37]。然而，上述方式制备出的空泡球对称性差，且不易控制，，不能合理的解释单的运动过程，直到激光诱导单空泡方式的出现。1968 年，Barnes 等人观察激光击穿水介质的现象，这为激光诱导单空泡方式的研究奠定了基础[38]。随Vogel[39]和 Philip[40]等人成功地利用激光方式制备出了单空泡，并且发现利用方式所产生的单空泡球对称性好，容易控制，可以保证空泡运动的可对比性，大量学者对激光诱导单空泡展开了研究。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249

【参考文献】