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高速度淹没空化射流行为和空蚀过程的联系
Ezddin Hutlia，b，Milos S. Nedeljkovicc，Nenad A. Radovicd，Attila Bonyaacute;re
- 匈牙利布达佩斯大学理工学院核技术和经济学
b. 匈牙利的布达佩斯热工水力部、匈牙利科学院研究能源中心
- 塞尔维亚贝尔格莱德大学机械工程学院
- 塞尔维亚贝尔格莱德大学冶金技术学院
- 匈牙利布达佩斯科技大学，经济学，电子系技术
文章信息
文章历史
接收日期：2015,5,21
修订日期：2012,12,14
接受日期：2016,3,5
可在线浏览：2016,3,11
摘要
为了更准确，可靠地评估使用腔内旋转射流发生器材料的抗空蚀性能，来研究水动力参数和喷管几何形状对侵蚀过程的影响。由于高速度淹没空化射流行为也依赖于工作环境：工作环境的讨论也基于对空蚀环境的评价。侵蚀率被用作空化射流行为的指标。工业纯铜标本受到不同初始条件下高速淹没空化射流，对于某些时段，射流空化产生的力被用于开始表面侵蚀。用数字光学显微镜和轮廓仪研究了试样，研究表明，伴随着出口射流速度的增加，随着空化数的减小，腐蚀变得更加明显。喷嘴结构和水动力参数对侵蚀率，侵蚀面积和侵蚀深度有很大影响，所获得的结果之间的比较，解释了一些在气蚀和侵蚀过程中所涉及的机制和测试参数的关系，结合这些参数与侵蚀速率的数学表达式这些参数为控制空化作为一种现象和控制的空化射流发生器的性能是很重要的。
关键词：空化，空化射流，空化腐蚀，涡流，剪切力
引言
空化会造成许多能够避免或至少控制在任何液压设施不利影响，另一方面，空化是用在许多不同的科学和工业应用（切割、水下清洗等）通过空化射流发生器产生的空化云。一个空化射流导致液压阀和设备腐蚀严重的冲击，为了减少阀门和液压设备的气蚀和提高射流切割的性能或在水下清洗等，有必要对侵蚀引起的空化射流冲击机制足够的知识，利用空化射流使用测试侵蚀的巨大优势是，空化射流装置可以模拟不同空化条件，如果正是在调查空化射流和材料的侵蚀速率的空化强度之间的关系，预测的气蚀率的关键参数可以被阐明，并可以增加空化发生器的性能。空腔的坍塌是靶面上的高压尖峰的起源，崩溃应力脉冲的振幅是不同的和随机的，但它可以达到1500兆帕，这是一个大多数工业合金水平的应力足够高的变形或破裂的表面，此外，空化泡的崩溃不仅产生机械的影响，这通常会导致流体机械的气蚀侵蚀，但也有显着的热效应的高温点，经常被引用的研究发现会聚冲击波重新体现在气泡的中心，产生的压力峰值高于10mbar，气泡小中心区域的温度10 7 K，因此，需要注意的是，在空蚀破坏的调查，所产生的温度对目标表面温度应考虑可能产生的影响。
了解这些机械和热效应及其应用可提高材料的耐腐蚀性，喷嘴孔的流量可以由不同的因素控制，可根据以下三个类别进行分类：操作条件，孔的几何形状和流动特性，这些参数的重要性，从许多作者已经调查的性能的喷气机的结果可以理解。
图1.（a）对空化射流机示意图。（1–柱塞泵，2–滤波器，3–调节阀，4–温度传感器，5–高压变频器，6–试验室，7–低压变频器，8–安全阀，9–坦克，10–循环泵，11–热交换器，12–分心的能量，13–压力表，14–流量指示器）。（b）试验箱示意图。
本研究的目的是研究水动力条件的影响，如空化数，出口射流速度，和喷嘴结构（收敛或发散）对产生的空化射流的行为，在商业铜气蚀作为空化性能指标这样的空化射流发生器的性能分析。
实验装置和测量程序
对空化射流性能研究实验装置的闭式液压回路如图1所示（一）。高速淹没空化射流是由适当的水动力条件和最终流出的试验室通过喷嘴的调整在试验室制作的，标本安装在室同轴喷嘴，该室充满水，然后由一个柱塞泵加压水，只有一个室是功能性的，而另一个是外汇储备，一个压力表作为系统中的压力调节器的快捷线，用换热器冷却电路实现了对腐蚀试验中的水温度为1°C的调节。如图所示，该室的详细情况如图1（b）所示。
图2。（一）喷嘴的几何参数。（乙）喷嘴的安装方式（毫米）。
水动力条件如下：采用不同直径的喷嘴（0.4、0.45、0.55、0.6,1，1.1毫米和2毫米）；射流的最高速度为250米/秒的上游压力设置为450bar（与喷嘴直径为0.45毫米）；下游压力可以从大气压力调整到6bar。试验室容积为0.87升。
一个旋转支架被用来连接6个样本，在距离为25.67毫米的距离，从喷嘴（在该室的另一边）（图1）），允许从一个样品在测试期间切换到另一个目标。它还允许快速启动和/或停止而不需要转动/关掉试验台，用于数据采集和控制的机器的软件是 LABVIEW 7.1。
通常的无量纲standoffdistance（XD），D为喷嘴出口直径代替standoffdistance（x（mm））。
在试验前，试样进行了金相抛光，以提供一个完美的平滑的表面进行检查的任何损坏所施加的空化射流。
标本先称重，然后装在支架上。选择合适的空化射流产生的水动力条件。然后在其90°表面的空化射流中冲击试样，该设施被关闭，取出的腔室和试样被移除了，标本进行干燥和称重，然后重复与其他标本的程序，空化射流强度通过上游和下游的压力控制，压力来自于测量精确的传感器和控制使用的针形阀（调节阀），过滤器被用来去除杂质的循环水。温度调节器和温度传感器被用来控制水温，图2显示了喷嘴安装的几何特性，喷嘴以2种方式安装在支架中，与入口和出口直径有关：发散性和收敛的锥形喷嘴。
空泡腐蚀参数和侵蚀定量
空化数由公式，它代表了对空化发生的流动阻力的测量，它越低，空化越密集，此参数的值是通过测量的上游和下游的压力，并从测得的流速中计算参考速度，是参考压力，是蒸气压力，是密度，是参考速度，在规则的时间间隔，试样被小心地从腔室中取出，充分干燥后，然后提交进一步分析，通常情况下，质量损失率，体积损失率或渗透的平均深度的速度被用作计算衡量侵蚀强度的指标。在该论文中，侵蚀率E.R.=被用来作为量化指标的侵蚀，W是试样的质量，除此之外，一个轮廓仪用来量化切割侵蚀面积和深度。
测量量的误差分析（实验不确定度）
工厂内所有设备（空化射流发生器）为了获得高精度的结果都要进行校准，用一个参考压力传感器（胡贝尔）测量了上游和下游的压力，并测量了不同喷嘴直径和不同方向的流量，以便在不同情况下得到恒定的出口射流速度计算，用诺玛型数字温度计标定过程中，可以参考完美校准试验台温度传感器。在实验室的进、出口处分别测量了上游压力（1）和下游压力（2），压力传感器由制造商校准，精度证书提供了一个最大误差为 0.2/ minus;0.21 %FS，作为流动速率的测定使用的P1和P2的值从先前的喷嘴校准，测定的不确定度也为0.3% FS，为了评估的重现性和减少损失的侵蚀损失，三个试样暴露于每一步的空化，损失的平均值被用于进一步的计算，采用灵敏度0.1毫克天平测定质量损失。
利用空化射流发生器产生的空化现象的基本机制
当射流穿透试验箱的积水时，它们之间产生剪切力（剪切力取决于速度梯度），从而产生涡旋，存在的涡流可以验证和测试的许多参数，如循环参数（Tau;），涡度（omega;）、离心力（F C）和涡流的能量。一个径向变化的涡度使一个湍流涡环更清晰，在一个动荡的领域，附加涡流在附近随机循环的存在会干扰周围任何封闭流线涡模式（soyama等人，1998年b）。然而，在一般情况下，在湍流（单相），流体的部分的水平和垂直移动，并有一个连续的“混合粒子”。根据一个随机过程，一些向上，一些向下。流体运动的部分不规则导致从流体的一部分的连续的动量交换，这种动量交换是湍流剪切应力的原因，这也被称为雷诺兹应力。空化射流的案例（两相流）的动量交换，部分是由相位的变化建立（密度变化），而且，由于普朗特混合长度理论，这是基于假设流体包裹旅行前的动量转移长度Im。基本上，对于单相流，它是容易理解的概念的混合长度：由于湍流应力引起的动量传递，它是有用的有一个物理长度，定义时的势头已被转移（Agrawal和Prasad，2003）。两阶段，高度湍流，在空化射流，这是更复杂的。可能，它可以假定的混合长度是等于在一个给定的点，它可以用作喷射扩散的指示器喷射。在空化射流由圆形喷嘴产生的情况下，射流的初始涡产生一个几乎对称的低气压。这种低压导致在近场的射流形成环形空化气泡。在喷射开发过程的早期阶段，产生了空化气泡，这是产生内的起始涡，有时彼此以一个环的形式连接。汽泡环与初始涡旋下游的旅行，并经常存在一定的距离（2013 hutli等人）。在喷射发展的后期阶段，分离出的气泡形成的最初的旋涡，其中一些是在组中，而其他的随机分布在射流的剪切层。涡流空化环的稳定性取决于湍流的强度（喷射压力和速度分布），试验室的压力和气泡的阶段寿命（反弹和崩溃）。随着出口速度的增加（假设其他参数是恒定的），涡流产生率的增加，这意味着空化气泡数量的增加。此外，由于下游压力（试验室的压力）减小，涡流产生的速度增加，因为射流可以容易地旋转的停滞的液体，并产生一个涡流（2013 hutli等人。）在高速的情况下，不断淹没空化射流，它是描述旋涡的产生机制的复杂的任务，因为有另外的篮板和空化气泡崩溃一二相流，这经常发生在射流轨迹非常快的微纳米射流和冲击波中。这些液体射流产生许多新的漩涡；事实上，从而湍流涡亲链生产存在（hutli et al.，2013；katepalli，1999）。图3显示了前在几种不同情况下的涡环样品：在模拟喷气式飞机的PLE案例（脉冲射流）（一），在液体的相同类型的液体喷射（不空）（C），淹没空化射流（脉冲）（流体动力，公司，2016）（C）和淹没空化射流（连续）（D）。在喷气式飞机，它可以清楚地看到如何在它们的运动过程中的涡环位移位置。
一个空化射流的流动特性（空化云）
射流和射流中近场的流场结构是复杂的。众所周知，空泡流被视为两相流，由连续的液相和气泡在腔云形式分散的气相组成。在这种流动中，气泡和周围流体之间存在相对运动。在许多情况下，传质和/或热是很重要的。腔流的行为非常不同的单相流，具有显着不同密度，粘度和弹性的第二相的存在，大大改变了这样的混合物的有效性能。液相和气相之间的界面是可变形的，不稳定的。气泡之间的接触可能导致反弹或聚结。泡沫可能会加速，变形，执行形状或体积的振荡甚至分手（崩溃）（斯里达尔和卡茨，1995）。因为在我们的例子使用了连续喷射，空化特性可以被视为一种快速的现象 （在几微秒的顺序不同）、 涡环并不清楚，也不能看到的振荡和个别泡沫破裂。有注意到，脱落模式有一个周期性的字符，虽然它不停留云扩展几乎到中间的轨迹，这距离取决于工作条件。脱落的模式具有定期性质，虽然它不留定期为很长时间，可能与工作条件的变化改变有关，如图 4 所示。不完全脱落方式可以测试设备之间的不相容性的结果（喷嘴、给水泵、试验室、记录系统）（hutli和nedeljkovic，2008）。在一般的情况下，云的扩展几乎到中间的轨迹，这距离取决于工作条件。主要的空化射流主导逐渐移向目标然后喷气显示收缩的运动在直径接近喷嘴出口，可以在图4中看到的情况下收敛喷管。
图3.涡环（一）喷气，（b）水下空化射流（脉冲）（流体动力，Inc.，2016），（c）湍流射流的水从一个圆形孔成罐的水（一期）（katepalli新兴，1999），和（d）一个淹没空化射流（hutli et al.，2013）。
这种收缩运动在云中直径没有出现明显的发散喷嘴,而对于这种现象渐缩喷嘴通常可以观察到。这个云收缩运动走向上游方向。同时一些下游的云,这已经缩小,改变到一个增长阶段,向下游方向转化。这凹角运动到达喷嘴出口然后改变一个新的流空化云的运动，使其向着相反的方向。出现了一些图像，有空泡云不连续的部分，这是由喷嘴出口处的折返运动的到来引起的（图四）。新空泡云定义的主要部分,在这一点上的不连续, 根据工作条件下游以一定的速度移动，长时间录音（用20mu;s的快门时间）获得的几百帧的分析显示，出现的空化现象有一个链反应行。因此，新的空化射流与已有的云以一个凝聚的方式成长和发展，然后从喷管出口处移向下游。也可以从图4中发现，这种空洞的云不保持自己的形状，它们随时间和位置的变化而变化，这些变化与云的作用力有关。一般来说,泡沫或腔上的力云是由单独的和非耦合的从压力梯度,阻力,由于涡度提升,虚拟质量,水动力相互作用力量(水动力相邻气泡之间的相互作用)和重力(bloom和卡茨,1995)贡献的。因此，由于云的静态和动态的力量，它们的体积和面积是变化的，因此，计算速度（体积）并不完全代表喷气速度（体积）。
图4。高速摄像机的图像（24,0 0 0 F / S，512lowast;128）脱落的轻拍，燕鸥。（一）收敛喷管（P 1 = 105杆，P 2 = 2.06条，V = 96.5米/秒，sigma;= 0.044，T = 18.5°C）。（b）喷管（P 1 = 90.5条P 2 = 1.89条，V = 23.4米/秒，sigma;= 0.69，T = 20°C）。（C）收敛喷管（P 1 = 177杆，P 2 = 2.06条，V = 125.7米/秒，sigma;= 0.026，T = 18.5°C）。（d）喷管（P 1 = 267杆，P 2 = 1.89条，V = 40.5米/秒，sigma;= 0.23，T = 20°C）。流动的方向是从左到右（hutli和nedeljkovic，2008）。
几何和水动力参数的影响理解可以基于图4。对于不同的喷嘴喷射压力较低(图4(b))的脱落云状物，腔可能根据形成的
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