菱形颗粒冲蚀磨损特性试验及仿真研究

本文中针对单个硬质角形颗粒冲击金属材料表面的过程,设计了弹射试验装置,研究菱形颗粒冲击行为及冲蚀机理.采用高速摄像机,捕捉不同冲击速度v_i、冲击角度α_i和方位角度θ_i下颗粒的运动轨迹.建立了基于拉格朗日法的FEM-SPH耦合数值计算模型,借助于模型进一步分析了角形颗粒的运动学行为和变形凹坑形态.结果表明:冲击角α和方位角θ是决定颗粒旋转的关键因素,在某一固定冲击角αi下存在一个临界方位角θcr_i,当θiθ_(cri)时颗粒冲击后发生前旋旋转,当θ_iθ_(cri)时颗粒冲击后发生后旋旋转;冲击诱导的颗粒旋转对冲蚀机理的影响较大,颗粒前旋旋转对金属材料产生"耕犁"作用,后旋旋转对金属材料产生"撬起剔除"作用.颗粒的动能损失受到冲击角α_i和方位角θ_i的影响较大,临界方位角θ_(cri)下颗粒的动能损失最大,凹坑变形最严重.     

砂粒对多相流弯管冲蚀的影响因素分析

冲蚀是一个管壁材料受固相颗粒重复撞击而剥落,又伴随着腐蚀的复杂力学过程。冲蚀严重时可能引起管道失效或泄漏,从而产生经济损失和环境污染。为了研究多相流弯管冲蚀的基本规律和主要影响因素,本文基于自行设计的循环管路进行了水-砂两相流对弯管段碳钢贴片的冲蚀试验。基于弯道流动特征分析、扫描电镜观察和贴片的冲蚀速率估计,得到了弯管段壁面的主要损伤特征。弯管段壁面可分为四个区:外拱璧、内拱璧和左右两颊壁面。外拱璧处试验贴片的主要损伤特征为大量压痕、划痕和近圆形的蚀坑分布,其壁面减薄的主要机制为弯道流动中砂粒的多次高速冲击和切削作用;而内拱璧处的损伤特征主要是蚀坑周围包围着腐蚀产物,流动中的砂粒低速冲击和腐蚀氧化作用更为明显;两颊壁面处冲刷磨损与腐蚀增重作用相当。此外,分析了砂粒粒径、含砂量以及贴片材质对冲蚀速率的影响。大粒径及较高含砂量对冲蚀速率均起到增强作用;壁面的材料属性有差异,表面形貌的损伤特征亦有不同。     

钢结构表面涂层受风沙冲蚀机理和评价方法

内蒙古中西部地区钢结构表面涂层受风沙冲蚀磨损严重.在模拟钢结构涂层受风沙冲蚀磨损试验的基础上,应用扫描电子显微镜(SEM)观测涂层在不同冲蚀条件下的冲蚀磨损部位微观形貌,分析涂层材料受风沙冲蚀磨损的损伤机理,提出了评价涂层冲蚀磨损程度的计算方法.结果表明:低角度冲蚀时微切削作用占主导,硬度起决定作用,高角度冲蚀时挤压变形占主导,柔韧性起决定作用,由于涂层硬度较低,柔韧性好,所以高角度时涂层的耐冲蚀性能较好;最大冲蚀磨损失重量出现在45°左右,是由于该材料具有介于塑性和脆性材料之间的冲蚀磨损特性;速度越大,粒子的动能越大,冲蚀磨损失重量越大;在低浓度时,冲蚀磨损失重量随着浓度的增加而增加,而在高浓度时则出现下降的趋势;评价公式的计算结果与实验结果吻合.研究结果为钢结构涂层的耐久性研究提供了理论依据.     

碳化钨颗粒增强钢基复合材料的冲蚀磨损性能研究

以直径为188～250 μm的石英砂为磨料,在自制颗粒冲蚀磨损试验机上对WC颗粒增强ZG45钢基表层复合材料的气-固两相冲蚀磨损性能进行研究,采用扫描电子显微镜观察其磨损表面形貌.结果表明,在相同冲蚀角条件下,增强相WC颗粒的直径越大,复合材料的耐磨性越差,复合材料在冲蚀角为45°时的冲蚀磨损率最大;而ZG45钢在冲蚀角为15°～30°范围内的冲蚀磨损率达到最大值,此后随着冲蚀角增加而减小;复合材料抗冲蚀磨损性能在较小冲蚀角(15°左右)下优于ZG45钢,在较大冲蚀角(≥30°)时劣于ZG45钢.     

SiC/环氧树脂复合材料冲蚀磨损性能的研究

采用环氧树脂为粘接剂制备了SiC/环氧树脂复合材料,在自制的射流式冲蚀磨损试验机上研究了SiC/环氧树脂的冲蚀磨损性能.结果表明:大尺寸SiC颗粒制备的复合材料较小尺寸SiC颗粒制备的复合材料具有更好的冲蚀磨损性能,且大尺寸SiC颗粒复合材料的冲蚀磨损性能优于Q235钢,而小尺寸SiC颗粒复合材料则低于Q235钢.随着冲蚀角度的变化,其平行材料表面的切削分量和垂直材料表面的冲击分量将会发生变化,低角度冲蚀磨损机理以显微切削和碾压造成环氧树脂及SiC颗粒的层片状脱落为主转变为高角度冲蚀磨损以SiC颗粒碎裂造成环氧树脂疲劳脱落为主.     

风沙环境下钢结构涂层低角度冲蚀特性研究

针对风沙环境中钢结构涂层长期受冲蚀,涂层破坏直接降低钢结构体系耐久性的现状,采用能模拟风沙环境的气流挟沙喷射法对钢结构涂层试件进行了低角度冲蚀试验,用失重测量法测定涂层冲蚀失重量与沙剂量和冲击速度关系,进而评定冲蚀程度,用扫描电镜(SEM)观测分析涂层冲蚀区的微观形貌来分析冲蚀机理,并提出了涂层冲蚀程度评价计算公式.结果表明:涂层冲蚀失重量随沙剂量和冲击速度的增大而增加;低角度冲蚀主要为微切削作用,材料硬度起决定因素,高角度冲蚀主要为冲蚀挤压变形作用,材料韧性起决定作用,由于涂层材料硬度低而韧性高,故在低冲角下其受冲蚀程度严重;验证了评价计算公式用于评价涂层冲蚀程度的可靠性.研究结果将为准确评价风沙区钢结构体系耐久性提供依据.     

大弯径比挠性弯管内气固两相流冲蚀特性研究

以90°大弯径比挠性弯管为研究对象,基于离散相模型和General冲蚀模型,利用Fluent数值仿真软件,开展不同工况下气相进口速度、夹带固体颗粒质量流量、弯管肋条及弯径比等影响因素对弯管内气固两相流冲蚀特性的数值模拟研究。研究结果表明：弯管纵切面气固两相流场速度分布存在分离现象;弯管的最大冲蚀速率随气相进口速度的增长呈指数关系,随颗粒质量流量的增长呈线性关系,随肋条数目的增长先减小后略微增大最后趋于稳定;大弯径比弯管内部流场二次流强度小且肋条的存在使弯管的耐冲蚀性能得到一定的提升;弯管冲蚀最严重区域发生在弯管沿流动方向偏转26°左右夹角的区域且呈现出V型冲蚀形貌,这种现象是由于弯管处独特的颗粒运动轨迹决定的;在弯管沿流动方向60°～80°夹角范围内出现沟槽状冲蚀形貌,它是由于颗粒在弯管内的二次及多次碰撞。     

淹没磨料射流的空泡运动分析

通过对淹没条件下磨料射流的空泡运动分析研究,建立了淹没磨料射流的空泡运动方程,揭示了淹没磨料射流中空泡的溃灭特性,数值模拟了淹没磨料射流的磨料体积浓度以及空泡所处流场压力对空泡运动及溃灭的影响规律.分析表明:淹没磨料射流中磨料的存在增大流体的粘性系数,增大空泡溃灭历时,减弱射流的空蚀破坏能力;流场压力的改变对空泡溃灭过程影响显著,压力越高,空泡溃灭历时越短.     

多相流作用下锡黄铜的空蚀-冲蚀行为

采用空蚀-冲蚀联合作用试验机测试和扫描电镜(SEM)分析相结合研究了锡黄铜的空蚀-冲蚀行为,考察了水流速度和沙粒对铜合金空蚀-冲蚀行为的影响.研究表明:锡黄铜的抗空蚀能力随水流速度增加而降低,当水流速度增加到一定值时,合金的抗空蚀能力降低幅度减缓,这归因于水流的冲击导致的材料表面硬化;通过铜合金质量损失率曲线分析可知:本文试验条件下锡黄铜在不同流速下的空蚀过程主要包含孕育期、上升期和稳定期;固体颗粒(沙粒)对锡黄铜的抗空蚀能力有不利影响,铜合金在含沙水中的质量损失显著高于同等条件自来水中,这主要是由于在空蚀过程中沙粒的冲击破坏所造成.观察试验后样品表面形貌,发现合金表面有由空蚀/冲蚀作用所造成的唇片、凹坑和沟槽等特征形貌.     

菱形颗粒冲击材料表面冲蚀磨损特性分析

基于弹射试验装置,借助高速摄像机捕捉不同入射条件下单个菱形颗粒冲击金属表面的动态过程,同时结合试验过程建立菱形颗粒冲击金属表面的FEM-SPH耦合数值模型,通过对比试验现象与仿真结果优化数值模型参数,最后借助数值模型进一步分析菱形颗粒在临界冲击、自身初始旋转以及重复冲击等工况下的运动行为及预测的凹坑轮廓形态. 结果表明:优化后的模型能够很好地捕捉颗粒冲击过程中金属表面凹坑的产生及演化规律,并能详细记录颗粒的入射行为及反弹规律,测得颗粒反弹速度和反弹角度误差均在14%以内. 临界冲击工况下颗粒动能损失最大,且冲击角越高,残余动能越少;颗粒初始旋转能够改变其反弹后的运动行为及金属表面材料的失效方式;颗粒重复冲蚀对材料表面的作用机制与后续颗粒的入射条件有密切关系,模型成功捕捉到重复冲蚀导致的材料破坏加深和破坏减缓两种特殊现象.      

输气管路弯头内壁面冲蚀进化的试验和数值模拟研究

砂粒的连续冲击使输气管路弯头内壁面连续不均匀地发生着冲蚀进化现象.本文作者基于3D成像技术精确描述了R/D=1.5弯头内壁冲蚀进化过程,并采用CFD方法对该过程进行了数值模拟研究.结果显示,随着颗粒冲击,磨损严重的区域向弯头圆心角高角度扩散的速度较大;通过修正Schiller Naumann拽力系数模型可较准确地模拟弯头的冲蚀进化过程(平均误差小于0.15 mm).以上工作对管路的完整性评价具有重要意义.     

Experimental and CFD investigation of flow behavior and sand erosion pattern in a horizontal pipe bend under annular flow

The internal erosion of pipelines in oil and gas storage and transportation engineering is highly risky. High gas velocity of annular flow entrained sand will cause damage to the pipelines, and may further result in thinning of the wall. If this damage lasts for a long time, it may cause pipeline leakage and cause huge economic losses and environmental problems. In this research, an experimental device for studying multiphase flow erosion is designed, including an erosion loop and an experimental elbow that can test the erosion rate. The annular flow state and pipe wall erosion morphology can also be tested by the device. The computational fluid dynamics (CFD) method is combined with the experiment to further study the annular flow erosion mechanism in the pipeline. The relationship between gas-liquid-solid distribution and erosion profile was studied. The results show that the most eroded region occurs between 22.5° and 45° in the axial angle direction and between 90° and 135° in the circumferential angle direction of the elbow. The pits and deep scratches form on the surface of the sample after the sand collision.     

An erosion model for the discrete element method

A shear impact energy model (SIEM) of erosion suitable for both dilute and dense particle flows is proposed based on the shear impact energy of particles in discrete element method (DEM) simulations. A number of DEM simulations are performed to determine the relationship between the shear impact energy predicted by the DEM model and the theoretical erosion energy. Simulation results show that nearly one-quarter of the shear impact energy will be converted to erosion during an impingement. According to the ratio of the shear impact energy to the erosion energy, it is feasible to predict erosion from the shear impact energy, which can be accumulated at each time step for each impingement during the DEM simulation. The total erosion of the target surface can be obtained by summing the volume of material removed from each impingement. The proposed erosion model is validated against experiment and results show that the SIEM combined with DEM accurately predicts abrasive erosions.     

不同钢轨材料的风沙冲蚀磨损与损伤行为研究

随着铁路的快速发展,风沙地区的铁路线路分布越来越广,在本文中采用气流喷砂式冲蚀试验机以天然混合沙对不同钢轨材料的风沙冲蚀磨损与损伤行为进行了研究. 结果表明:钢轨材料的冲蚀率随着冲蚀角度的增加先增加后减少;最大冲蚀率出现在30°~45°之间;抗风沙冲蚀磨损性能依次为热处理过共析钢轨>热处理U78CrV>热轧U71Mn>热处理U75V>热轧U75V;延性对热轧钢轨材料的抗冲蚀磨损性能的影响大于硬度,而硬度对热处理钢轨材料的影响大于延性,在线热处理可以提高U75V钢轨的抗冲蚀磨损性能;钢轨材料冲蚀损伤的主要特征为片屑、蚀坑、塑性流动及裂纹;钢轨材料在风沙冲蚀下展现出延性冲蚀模式,其材料去除机制主要为成片机制.      

水润滑条件下磨粒尺寸对橡胶密封副摩擦学行为的影响

磨粒磨损是各类机械橡塑密封装备的一种典型失效形式. 本文中开展了水润滑条件下磨粒尺寸对O型橡胶密封配副摩擦学行为的影响研究,分析了不同颗粒尺寸下的摩擦系数时变特性,探讨了不同运行阶段下的磨损形貌、颗粒运动特性和损伤失效机制. 结果表明:颗粒尺寸对橡胶/金属密封副的摩擦学性能有重要影响;研究发现了影响摩擦系数和损伤机制的两个颗粒尺寸临界值;当颗粒尺寸大于临界值约75 μm时,颗粒难以穿过密封界面,但少数颗粒能嵌入到摩擦副的接触区两侧,犁削作用下的金属表面产生较深的犁沟;当颗粒尺寸介于两临界值内时,接触副两侧形成“颗粒嵌入带”,颗粒以单独或颗粒群形式嵌入到橡胶内,尽管犁削了配副金属但也起到了良好的承载作用,表现出较低的摩擦系数并减缓了橡胶的磨损;当颗粒尺寸约小于另一临界值12.5 μm时,颗粒能较自由地通过摩擦界面,对配副金属表面起到了抛光效应,但也加速了橡胶的冲蚀磨损,橡胶磨损表面呈现“突脊-犁沟-突脊”交替特征,因此工程上应尽量避免此类现象的发生.      

攻角对聚醚醚酮/泡沫镍双连续复合材料料浆冲蚀行为的影响

聚醚醚酮(PEEK)/泡沫镍双连续复合材料是一种新型复合材料,它是由比强度高的PEEK树脂(基体相)和韧性较高的泡沫镍(增强相)牢固结合而成,具有两相相互连通、拓扑连续和各向同性等特点. 使用孔径为100 PPI(每英寸孔隙数目)的泡沫镍与PEEK树脂混合,采用热压成型技术制备了PEEK/泡沫镍双连续复合材料(PEEK-Ni). 利用喷射式腐蚀冲蚀试验设备研究了纯PEEK树脂、金属镍和PEEK-Ni在5个攻角下(30°、45°、60°、75°和90°)的料浆冲蚀行为. 使用ANSYS Fluent有限元仿真软件对不同攻角下料浆的冲蚀过程进行建模和仿真,并设置了边界条件. 试验和仿真的结果均表明:随着攻角增加,冲蚀损伤形貌由月牙形损伤区域变为U型损伤区域,并最终发展成为围绕驻点的环形损伤区域,试验和仿真能相互吻合. 由于泡沫镍具有遮挡效应和协同效应,PEEK-Ni比纯PEEK具有更低的冲蚀损伤量,且对攻角不敏感.