水力旋流器磨损分析

在计算颗粒在环形管流场中的运动轨迹的基础上分析了水力旋流器磨损问题,发现水力旋流器的磨损分为两个阶段：第一阶段主要是颗粒对壁面的冲击的作用,第二阶段主要是颗粒对壁面滑动摩擦作用。另外,要提高水力旋流器的工作寿命,应提高旋流器材料抗滑动摩擦的能力。     

泥浆射流泵冲蚀磨损特性

为了研究泥浆射流泵的冲蚀磨损特性,基于欧拉-拉格朗日方法对泥浆射流泵内部的固液两相流动开展了数值模拟,重点对泥浆射流泵内部液固两相流的冲蚀磨损规律进行了研究。结果表明：泥浆射流泵喉管进口和喉管中后段是产生冲蚀磨损的主要部位,吸入室和扩散管未产生明显冲蚀磨损。颗粒质量流量从1 kg/s增大到1.8 kg/s时,泥浆射流泵最大冲蚀速率增大了93.7%;泥浆流速从2 m/s增大到5 m/s时,最大冲蚀速率增大了11.48倍;颗粒直径从200μm增大到450μm时,最大冲蚀速率先减小后增大。相较于颗粒质量流量和颗粒直径,泥浆流速对射流泵内表面的冲蚀磨损影响更大,但产生冲蚀磨损的主要部位不会随泥浆流速、颗粒质量流量和颗粒直径发生明显改变。研究成果可为射流泵的设计提供参考。     

汽轮机固体颗粒冲蚀特性及防治研究进展

随着超超临界汽轮机的发展,机组蒸汽参数不断提高,蒸汽管道内壁氧化产生的氧化物会加剧剥落,氧化铁粒子随着主蒸汽进入汽轮机通道,对叶片产生严重的冲蚀破坏。同时随着我国电力消费结构的变化,电昼夜峰谷差逐渐增大,风电、光伏等新能源发电迅速发展,新能源发电的消纳成为关键问题,超超临界机组也面临承担电网调峰的任务。对于高参数、大容量的机组,其发电量和经济性得以提高,然而新的技术问题又摆到了面前,即固体颗粒冲蚀问题,解决固体颗粒冲蚀问题至关重要。从粒子冲蚀行为的影响因素出发,主要包括粒子撞击速度、粒子撞击角度、粒子尺寸、粒子形状等角度出发,从根本上来分析粒子的冲蚀行为及冲蚀机理。针对动静叶片分析了粒子的冲蚀程度及冲蚀区域,指出调节级喷嘴所受冲蚀程度较动叶严重,随着长时间的粒子冲蚀,叶片会产生严重的缺口,机组经济性降低的同时安全性也大大降低。同时从表面涂层技术的应用、叶栅型线的改变、粒子分离方面来探究解决或降低冲蚀破坏的方法。在此基础上,对汽轮机固体颗粒冲蚀问题的研究前景做出了展望。     

旋流分离器中固体颗粒随机轨道的数值模拟及分离特性分析

在考虑液相与固体颗粒之间相互作用的条件下,对液相采用雷诺应力模型(RSM),固粒采用随机轨道模型成功地模拟出固体颗粒的运动轨迹,这形象地反映出固体颗粒在旋流器中的分离过程。分析颗粒运动迹线表明颗粒粒径、颗粒注入位置以及颗粒在循环流中的流动特性等方面对分离性能都存在着很大的影响;另外,利用底流与溢流排出的颗粒数量比例来确定粒级效率,在与试验值比较后发现两者相近,从而为确定粒级效率提供了又一种方法。     

SK型静态混合器固体颗粒冲蚀磨损分析

为研究SK型静态混合器内固体颗粒对混合元件的冲蚀程度,采用固-液两相流及计算流体力学方法(CFD),建立冲蚀及流场模型,运用Ansys Workbench中的流体动力学模块,对SK型静态混合器内的颗粒运动轨迹和颗粒对静止元件的冲蚀情况进行分析。结果表明:颗粒对静止元件的冲蚀主要发生在元件的螺旋边缘处,在总元件的3/5个处达到最大,且靠近入口和中间段的元件冲蚀量也较大;除冲击角度外,颗粒平均直径和平均冲蚀速度对冲蚀的作用最为关键,当颗粒粒径、速度和体积分数达到某一组合时产生的冲蚀现象最严重;冲蚀现象是固体颗粒的物理属性和流场特性的综合作用结果。     

水力旋流器固体颗粒运动行为的分析

通过对旋流器内固体颗粒的受力分析,提出固体颗粒精确运动轨迹结构是由确定性的径向力、轴向力以及不确定性的随机力所决定,并对固体颗粒存在的随机因素进行了分析.在此基础上,分析了固体颗粒与液体的跟随性,认为在强湍流情况下,颗粒除在径向方向的运动有别于液体介质外,在轴向与切向也存在差异,且这种差异与颗粒粒度大小、密度、流体性质以及湍流强度有关.     

混合粒径固体颗粒对滑套球座冲蚀磨损的影响

随着超长水平井施工排量和加砂量的不断增加,滑套球座冲蚀磨损日益严重。目前对液固两相流冲蚀磨损的研究较多,但均未考虑混合粒径固体颗粒对冲蚀磨损的影响。研究不同粒径混合的支撑剂对球座的冲蚀磨损,基于欧拉双流体理论,运用Fluent软件对混合粒径固体颗粒对滑套球座的冲蚀磨损进行数值模拟。结果表明：混合粒径固体颗粒与单一粒径固体颗粒对球座冲蚀磨损规律有所不同,单一粒径固体颗粒对球座冲蚀磨损速率随着粒径的增大而减小;混合粒径固体颗粒对球座冲蚀磨损速率不仅和支撑剂粒径有关,而且和不同粒径固体颗粒的比例有关,即冲蚀磨损速率随混合固体颗粒中小粒径固体颗粒比例的增大而表现出先减小后增大的趋势。模拟结果为水平井分段压裂材料的选择提供了依据。     

三通管中液固两相流冲蚀磨损的数值模拟

针对石油管道运输系统中三通管固液两相流的冲蚀磨损问题,采用DPM冲蚀预测模型,模拟分析油品中夹带的固体颗粒对三通管的冲蚀磨损情况,得出固体颗粒对三通管冲蚀的分布规律。结果表明:固体颗粒对于不同类型三通管的冲蚀部位以及磨损严重程度不同。T型三通管的冲蚀主要集中在与竖直管道正对的水平管道底部及其附近的外侧管壁,有球体弯头的三通管的冲蚀主要集中在球体附近水平管道的外侧管壁,且冲蚀磨损程度相对较小。     

水力旋流器压降及压力分布特性的数值模拟

利用数值模拟技术，研究了水力旋流器内的压降及压力分布特性，计算得到的各种旋流管的压降结果和实测值吻合较好，其相对误差不超过15％，径向压力梯度的计算结果表明：圆筒段不利于分离；大锥段有利于油滴向轴心方向运移，尾直管是油滴向轴心移动的低效区。旋流管各段压降所占比例基本上不随流量变化而变化，其中圆筒段最小，小锥段最大，尾笔段稍大于大锥段。     

钻井液固液分离旋流器壁面磨损特性

针对石油钻井过程中,由于钻井液中泥沙等固体颗粒产生的冲蚀磨损导致的旋流器失效问题,采用CFD-DPM模型开展以非牛顿流体为钻井液时旋流器冲蚀磨损研究,探讨不同流速、稠度系数、流动性指数、含砂体积比和入口倾角对旋流器内壁冲蚀磨损的影响。结果表明：旋流器内壁磨损呈螺旋状,锥段处磨损率随着半径的减小而增大,底流口处是受损最为严重的部位;在流速5～15 m/s、含砂体积比1%～9%时旋流器的最大冲蚀率随着流速增大呈指数型增长,冲蚀面积明显扩张;低流速下含砂体积比对最大冲蚀率影响较弱,而高流速下最大冲蚀率与含砂体积比呈正相关;入口倾角的增大同时增大了向下的轴向速度,使得颗粒能更快地到达底流口减小了与壁面的接触,其冲蚀率呈线性减小;最大冲蚀率随稠度系数的增大整体呈现平缓下降的趋势,随着流动性指数的增大而急速下降,流动性指数对冲蚀破坏的影响相比稠度系数更剧烈一些。     

增材制造成形方向对冲蚀磨损性能的影响*

增材制造的零部件由于逐层制造而具有各向异性,为研究成形方向对冲蚀磨损性能的影响,采用激光同轴送粉工艺制备逐层堆积的铁基合金熔覆层,并对其显微硬度、金相组织、微观组织及冲蚀后表面形貌进行分析。水平表面(XY)、横截面(YZ)和纵截面(XZ)的显微观察表明:各方向的微观组织结构与热流方向、熔合线密切相关,进而显著影响了细晶区的分布和数量;堆积熔覆层水平上表面的平均显微硬度最大,横截面的平均显微硬度次之,纵截面的平均显微硬度最低;由于冲蚀过程中的加工硬化,弱化了各成形方向之间冲蚀磨损性能的差异,进而导致各成形方向上相似的冲蚀磨损形貌。冲蚀磨损试验表明,堆积熔覆层的冲蚀机制以微切削和犁削为主,堆积熔覆层水平表面的抗冲蚀磨损性能最好,纵截面的抗冲蚀磨损性能最差。     

环境压力对冲蚀、空蚀交互磨损影响研究

在转盘式磨损试验装置上进行了环境压力对冲蚀和空蚀交互磨损影响的试验,基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,模拟水轮机工况,数值研究了试件表面汽液固三相流场及特性,以及环境压力对交互磨损的影响。结果表明:在4种环境压力参数下,交互磨损失重量随着环境压力的增大呈线性递减,即环境压力越大交互磨损程度越轻微;数值计算的转盘表面总压等值线、汽相体积比等值线两者的叠加区域与试验结果中试件的交互磨损表面形貌基本一致,即数值计算结果和试验结果吻合得较好。     

螺旋槽水润滑橡胶合金轴承沙粒侵蚀磨损研究

螺旋槽水润滑橡胶轴承橡胶面的破坏除了与运动轴直接接触造成磨损外,水中泥沙颗粒等污染物对水润滑橡胶的侵蚀磨损也是影响水润滑橡胶工作面的主要破坏方式。对液-固两相流中固体颗粒的受力情况进行分析;借助于Finne磨损基本数学模型,对不同转速、不同大小沙粒和水组成的流场进行分析,得到内部颗粒随液态流场变化的趋势;对中高转速下颗粒对壁面磨损的过程和位置进行初步的预测。结果表明,在不同转速下,不同粒子对橡胶面不同位置的侵蚀磨损是显著不同的:低转速下,接近层流状态时,对承载面的磨损较大;高转速下,流体呈现紊流状态,并在导流槽内出现独立的漩涡现象,导致颗粒在漩涡内聚集,从而造成漩涡面的磨损侵蚀较大。螺旋槽结构导致流场内漩涡出现,对于排污具有较好的作用。     

Erosive Wear Mechanism of New SiC/SiC Composites by Solid Particles

A solid-particle erosive wear test by impinging silicon carbide (SiC) powders was carried out at room temperature over a range of median particle sizes of 425–600 μm, speed of 100 m/s and impact angle of 90° and assessed by wear measurements and scanning electron microscopy. Erosive wear behaviour was examined on newly fabricated nano-powder infiltration and transient eutectoid (NITE) SiC/SiC composites and two commercial composites by the chemical vapour infiltration (CVI) and NITE fabrication route. Microstructural observation was performed to examine the correlation between erosive wear behaviours and fabrication impurities. Conspicuous defects were observed in the prototype materials as the forms of porosity, fibre deformation, residual oxide, pyrolytic carbon (PyC) deformation, PyC cleavage, among others. Erosive wear behaviour was rather serious in the prototype of fabricated composites, which employ pre-SiC fibre and phenolic resin. Two dominant erosive wear mechanisms were observed: delamination of constituents, mainly caused by erosive crack propagation, and fragmentation and detachment of constituents, which usually resulted from erosive impact. A unit size of delamination was the most decisive factor affecting wear volume. The bonding strength of each constituent was mostly affected by various forms of porosities. Therefore, the fundamental cause and subsequent results must be carefully elucidated. The correlation of microstructural defect and wear behaviour was investigated with the aim of reducing dominant wear by improving fabrication conditions. The final product of the cost-effective composite had a 2.5-fold higher resistance than the commercial CVI composite. Consequently, by controlling fabrication impurities, we have been successful in developing and improving a new fabrication technique; consequently, the known defects are rarely observed in final product. A schematic wear model of erosive wear mechanisms is proposed for the newly fabricated SiC/SiC composites under particle erosion.     

A Study of the Effect of Wear Particles and Adhesive Wear at High Contact Pressures

The wear rate and friction characteristics were determined for certain combinations of cobalt base alloys and stainless steels when rubbed together at unit pressures up to 300,000 psi in an environment of demineralized water at room temperature. Wear rate and friction data were collected both in the presence and absence of wear particles. A study was also made on the effect of sliding-surface geometry in trapping wear particles.

The results suggest that an exponential relationship exists between wear rate and stress for the materials of test and this relationship is influenced by material combinations and sliding velocity. Entrapped wear particles also affect the wear rate.

Because the wear rate appears to increase sharply at some nominal contact stress when the data is plotted on Cartesian coordinates, the authors define an “Apparent Critical Stress”, using this term and a wear factor term to aid in the evaluation and discussion of results.     

冲蚀速度对40Cr材料抗冲蚀性能影响的研究

对40Cr及对比材料45#钢进行冲蚀磨损模拟现场试验,研究了冲蚀速度对冲蚀磨损的影响规律,结合微流边界层理论,分析了冲蚀速度对冲蚀磨损量的影响,推导了冲蚀速度与磨损量的数学关系式。结果表明:冲蚀速度U与磨损量W呈指数关系,随着U地增大,W也相应地增加,40Cr材料对应的指数n是2.3。     

Effect of the Normal Load on the Release of Aerosol Wear Particles During Abrasion

A study highlighting the aspect of the generation of aerosol wear particles during abrasion is presented. The substrate chosen is a masonry brick which is reinforced with TiO₂ nanoparticles. This is done using a pin on plate arrangement. The material removal mechanism via fracturing is first understood. The parameter chosen for the study is the normal load. The formed aerosols are then characterized by their number concentration, particle size distribution, individual particle shape, size and chemical composition. Having irregular shapes, the aerosol wear particles have unimodal size distributions with 5–7 % (in mass) of Ti content. The size mode increases with the increase in normal load. However, at higher normal loads, while there is an unexpected increase in the wear mass, the maximum concentration of the aerosol particles saturates. During the whole study, no free nanoparticles of TiO₂ were found.     

颗粒浓度对离心风机磨损的影响规律数值研究

当含尘气体经过除尘设备净化后,粉尘粒径已经很小,在两相流中更多的表现出流动性,颗粒浓度成为影响叶轮磨损的重要因素。由此,可基于雷诺应力湍流模型和Tabakoff and Grant的磨损模型,对离心风机叶轮中气固两相流进行数值计算,得到不同粒径的颗粒在不同的入口浓度条件下对风机压力面的磨损位置、形态和磨损率。研究结果表明,磨损位置与粒径大小有关,颗粒数量浓度对磨损率的影响远高于质量浓度对磨损率的影响。