輕合金近壁面激光空泡動態(tài)脈動特性及強(qiáng)化機(jī)理的研究.pdf

1、空化是水力機(jī)械中的一種特有的流體現(xiàn)象，通常會對水力機(jī)械設(shè)備造成空蝕破壞，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)災(zāi)難事故。然同時(shí)空化現(xiàn)象中特有的空泡潰滅微射流和沖擊波現(xiàn)象，也開始促使研究人員利用空化所產(chǎn)生的極端物理?xiàng)l件進(jìn)行空化強(qiáng)化方面的研究。激光空化泡由于具有球?qū)ΨQ性好、易控制且無機(jī)械形變等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為研究空化現(xiàn)象的重要實(shí)驗(yàn)手段。本文采用有限元模擬與激光空泡強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對輕合金近壁面激光空泡的動態(tài)脈動特性進(jìn)行了初步研究，并重點(diǎn)研究分析了空泡潰滅射流

2、及沖擊波對輕合金表面的強(qiáng)化機(jī)理，獲得了以下主要結(jié)論和研究成果:
　　(1)運(yùn)用GAMBIT軟件建立了近壁面空泡脈動的仿真有限元模型，并利用FLUENT軟件模擬得到了不同泡壁間隔距離下的空泡動態(tài)演變序列圖，研究分析了近壁面激光空泡的動態(tài)脈動特性及其影響因素。研究結(jié)果表明:激光能量和液體表面張力的不同會對空泡的脈動周期產(chǎn)生較大的影響。而固壁面的存在將導(dǎo)致空泡下表面的液體密度小于其上表面，進(jìn)而使空泡上下兩部分的受力不再平衡，同時(shí)近壁處液

3、體的流動速度也會比其他部分要小，導(dǎo)致空泡在垂直于靶材壁面方向上的動量也出現(xiàn)不平衡，從而使空泡泡心向靶材壁面運(yùn)動，宏觀上表現(xiàn)為空泡的趨壁效應(yīng)。
　　(2)通過FLUENT軟件仿真分析了空泡潰滅射流的產(chǎn)生機(jī)理及其沖擊強(qiáng)度隨不同泡壁間隔距離的變化。結(jié)果表明:隨著近壁面空泡泡心趨壁效應(yīng)的加劇，將使空泡上壁面形成“凹穴”，緊接著，周圍的液體迅速涌入凹區(qū)，形成一個垂直射向靶面的高速射流。且空泡越靠近固壁面，空泡潰滅時(shí)對靶面的作用強(qiáng)度就越厲害，

4、越易對靶面造成空蝕損傷，而隨著泡壁間隔距離的增大，空泡潰滅射流的沖擊力度將逐漸減小。因此可利用空泡射流類似噴丸強(qiáng)化技術(shù)對材料表面進(jìn)行強(qiáng)化改性，提高其表面綜合性能。
　　(3)通過實(shí)驗(yàn)研究了激光空泡在1060鋁合金近壁面的脈動特性，并與模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析，證實(shí)了模擬結(jié)果的可取性;同時(shí)重點(diǎn)研究分析了不同泡壁間隔距離下，空泡潰滅射流及沖擊波對靶面的作用機(jī)制。研究結(jié)果表明:當(dāng)相對距離參數(shù)γ分別處在1.5和2.5數(shù)值附近時(shí)，激光空泡都使

5、1060鋁合金表面產(chǎn)生了塑性變形，引入了表面殘余壓應(yīng)力，使鋁合金表面得到強(qiáng)化改性。然兩位置處的強(qiáng)化機(jī)理卻不盡相同，當(dāng)γ值在1.5附近時(shí)，鋁合金表面的主要強(qiáng)化改性機(jī)制為空泡潰滅射流;而當(dāng)γ值處在2.5附近時(shí)，空泡潰滅回彈沖擊波的數(shù)次沖擊累積作用為靶面的主要強(qiáng)化機(jī)制。此外，當(dāng)γ值處在2.0附近時(shí)，由于激光能量大部分被水所消耗以及泡壁間隔距離的增大，空泡潰滅射流和沖擊波的作用強(qiáng)度都在減弱，靶材表面出現(xiàn)反彈性形變，使鋁合金表面的殘余應(yīng)力由壓應(yīng)力