空化是特定發(fā)生在流體中的一種物理現(xiàn)象,由空化引發(fā)的空蝕會降低水力機械的工作效率并縮短其使用壽命。疏水性表面由于自身拒水特性具有出色的抗腐蝕能力,因此在解決空化空蝕問題方面具備潛在的應用價值。本文采用實驗與仿真相結(jié)合的研究方法對疏水近壁面空泡脈動特性進行研究,實驗通過激光空化技術(shù)在疏水表面誘導產(chǎn)生可控的單空泡,研究空泡在水平和豎直疏水涂層壁面附近的脈動特性及其影響因素;建立疏水表面激光空泡脈動的仿真模型,研究疏水近壁面空泡脈動特性、計算域壓力場及射流速度分布等。主要的研究內(nèi)容與結(jié)果如下:（1）理論分析了激光誘導空泡的產(chǎn)生機理,并基于空泡動力學探究了液體介質(zhì)參數(shù)對空泡脈動特性的影響,研究了近壁面空泡的脈動規(guī)律及其產(chǎn)生的微射流和沖擊波效應,為疏水近壁面激光誘導空泡脈動特性及其作用機制的實驗和模擬研究提供理論基礎(chǔ)。（2）搭建激光誘導空泡實驗平臺,采用高速攝影技術(shù)獲得了水平和豎直壁面附近的空泡脈動序列圖,以此分析不同壁面位置下空泡的脈動特點及壁面有無疏水涂層對空泡脈動規(guī)律的影響。結(jié)果表明,無論水平壁面還是豎直壁面,疏水涂層壁面附近空泡的最大直徑與無疏水涂層的普通壁面附近的空泡相比都有所減小,且脈... 

【文章來源】：江蘇大學江蘇省

【文章頁數(shù)】：79 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

激光技術(shù)的應用Fig.1.1Applicationsoflasertechnology

疏水近壁面激光誘導空泡脈動特性實驗與仿真研究2當脈沖激光的非線性能量達到液體介質(zhì)所定義的擊穿閾值，瞬間在擊穿點形成高溫高壓的環(huán)境，等離子體形成并快速向外膨脹，周圍液體受到擠壓從而形成空泡，此后等離子體熄滅，液體介質(zhì)中的空泡繼續(xù)進行其脈動過程直至潰滅[4]，這就是激光誘導的空化現(xiàn)象。目前仍未對空化形成一個明確且完整的定義，空化是特定發(fā)生在液體中的一種流體動力學現(xiàn)象[5]，對其的認知和研究都源于水力空化，即當液體內(nèi)部局部壓強降低至該溫度下液體的飽和蒸汽壓強及以下時，該處或固液交界面便會產(chǎn)生內(nèi)含水蒸氣或氣體的空穴，其因內(nèi)外壓力差經(jīng)歷膨脹收縮的脈動及潰滅過程，同時伴隨一系列的物理及化學發(fā)應，學術(shù)界將整個變化過程稱之為空化[6]�？栈谒C械中是一種負面且難避免的現(xiàn)象，產(chǎn)生的空泡使水力機械附近流體的壓力和速度分布發(fā)生改變，導致設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生振蕩和噪聲，進而降低其水力性能及工作效率[7]；此外，在完全空化階段的空泡潰滅會對材料表面釋放高達幾百甚至幾千個標準大氣壓的壓強，而且水力空化由于大面積的局部壓力驟減形成的空泡一般以空泡群的形式出現(xiàn)，大量空泡反復形成、潰滅并沖擊在水力機械部件的表面，從而導致材料發(fā)生形變、剝蝕和破壞等空蝕現(xiàn)象[8]，如圖1.2所示為水力機械中常見的空蝕破壞。因此，要想實現(xiàn)水力機械設(shè)備的安全、穩(wěn)定和高效運作，對空化現(xiàn)象進行全面且深入的研究就顯得十分重要。圖1.2水力機械中的空蝕破壞[9]Fig.1.2Cavitationerosioninhydraulicmachinery[9]

江蘇大學碩士學位論文3作為一種常見的物理現(xiàn)象，空化可以由多種方式誘導產(chǎn)生，主要分為壓降誘導空化和能量沉積誘導空化，前者包括超聲空化、水射流空化和上述的水力空化等，激光誘導空化、電火花誘導空化則屬于后者。經(jīng)過對各種空化誘導方式的研究發(fā)現(xiàn)，通過降低液體內(nèi)部局部壓強的空化方式通常產(chǎn)生大量空泡群，其空化程度無法精確控制，而能量沉積誘導空化的方式克服了上述不足，尤其是通過激光方式不僅可誘導單個空泡，且其具有球?qū)ΨQ性好、容易控制、沒有變形和定位精準等優(yōu)點，對于空泡動力學的研究更加有利，因此激光誘導空泡的方法被引進空化領(lǐng)域的研究，成為該領(lǐng)域中嶄新且有效的實驗手段[10]。在水力機械中，空化是一種希望避免的負面現(xiàn)象，但也正是由于空化過程中產(chǎn)生的這種額外的力學效應和化學反應，使其在某些領(lǐng)域具備了一定的應用潛能。不少學者將空化應用于材料的表面改性領(lǐng)域，即激光空化強化技術(shù)[11]，其原理如圖1.3所示，激光束聚焦于液體中產(chǎn)生的空泡在趨壁效應下逐漸靠近壁面，并在脈動過程中產(chǎn)生微射流和沖擊波，作用于材料表面形成殘余壓應力，從而起到表面硬化的效果。圖1.3激光空化強化材料表面原理圖[12]Fig.1.3Schematicdiagramoflaser-inducedcavitationreinforcingmaterials[12]隨著對空化機理的深入研究和激光技術(shù)的發(fā)展，空化因其過程中的兩種力學效應在機械微制造、生物醫(yī)學、表面處理等方面廣泛應用，如圖1.4所示。其中圖(a)為利用激光濕式刻蝕法在石英玻璃表面加工出的微溝槽，空化作用對加工區(qū)域起到排屑作用[13]；圖(b)為將激光空泡脈動過程中產(chǎn)生的壓力用于紅細胞變形能力的研究[14]；圖(c)為利用激光誘導空化產(chǎn)生的微射流裝配亞毫米級的微細元

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]近壁面空泡的可視化實驗研究[D]. 徐明.浙江大學 2013
[2]激光等離子體沖擊波傳輸及空泡動力學特性研究[D]. 趙瑞.南京理工大學 2007

碩士論文
[1]固體顆粒對激光誘導空泡特性及空化作用的影響研究[D]. 吳笑漪.江蘇大學 2018
[2]基于激光空化強化提升鑄鐵材料抗空蝕性能研究[D]. 何浩.江蘇大學 2017
[3]2A70鋁合金激光誘導空化強化機理及其抗空蝕性能研究[D]. 周睿.江蘇大學 2017



本文編號：3610546