表面微结构对液固两相流冲蚀性能的影响

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本文区别于传统新材料和新涂料的研发,通过转盘式冲蚀实验法和计算流体力学法,借助质量损失测试、表面微观形貌观察技术、粗糙度测量技术和残余应力检测技术,探究了沟槽型表面微结构类型、尺寸和形式对液固两相流冲刷磨损的行为和机制。实验主体在自制转盘式冲蚀装置上进行,样品材料为常用耐蚀304不锈钢(UNS 30400),溶液为含砂粒径70-150目的泥浆,样品与溶液的相对速度约8 m/s。三种类型沟槽表面结构(V型、U型和环型)对冲蚀的对比研究表明,在液固冲蚀条件下,微结构的抗冲刷磨损性能由强到弱依次为V型、环型和U型凹槽结构。V型凹槽结构的ER(磨损程度)值为U型凹槽的69%,是环型凹槽结构的93%。凹槽的顶面和凹槽内分别受到不同程度的液固冲蚀。其中,V型凹槽和U型凹槽的迎流面、环型凹槽的底面受到的液固冲蚀最为严重。凹槽内的涡流类似圆柱形的滚子轴承,可以减小壁面阻力,此外,涡流不仅对凹槽内部有冲刷作用,而且对凹槽顶部也有一定程度的冲蚀作用,综合来看,V型凹槽具有最好的液固冲蚀性能。基于上述研究结果,以V型沟槽为基础,进一步研究了五种沟槽深度(1 mm-V1、2 mm-V2、3 mm-V3、4 mm-V4、5 mm-V5)对材料冲刷磨损性能的影响。结果表明,在浓度为3%wt,样品与溶液相对速度为8.29m/s的条件下,最佳的抗冲刷磨损性能发生在临界深度V3的表面微结构。部分原因是由于流动方向的低速分量和垂直于流动方向的向上的速度分量。这种速度分布可以抑制颗粒在凹槽内的冲蚀,同时又使避免砂粒重新进入凹槽以进行冲蚀。V型槽结构的对称性对微结构的抗冲刷磨损性能也有一定的影响。研究结果表明,与光滑表面相比,并不是所有的非对称表面设计都能缓解液固冲蚀。研究了五种非对称的微结构(R1-R5)对磨损性能的影响,向左倾斜的微结构(R4、R5)的抗冲刷磨损性能明显优于向右倾斜的微结构(R1、R2)。凹槽内IS(迎流面)的磨损占主导地位。粒子大部分以大角度撞击I4(R4的迎流面)表面,导致材料去除率较低,并且凹槽上方的低速层最厚,导致粒子撞击的能量被大量消耗。这两个因素都是R4具有最佳抗冲刷磨损性能的主要原因。而且可以发现R4和对称的R3都具有Y方向的向上速度分量,这可以改变粒子轨迹并减少对TS(顶面)的冲蚀。本文主要阐述表面微结构的液固冲蚀机制,为微结构的设计和优化提供理论指导,为抗冲蚀方法探索了新的可能和思路。
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