張 濤, 陳次昌, 呂東莉

（西南石油大學(xué), 成都 610500）

前言

材料的磨粒磨損問題到目前已有大量的研究成果。但在水力機(jī)械內(nèi)部，其過流表面磨損破壞的機(jī)理不但與材料本身性質(zhì)相關(guān)，且很大程度受到水力機(jī)械內(nèi)部固液兩相流流動(dòng)特性，其決定了固相顆粒作用于材料表面的角度、速度等參數(shù)的影響[1]。

文獻(xiàn)[2]對(duì)材料磨損的微觀形貌進(jìn)行了定義，包括：犁耕類型造成溝槽、不同角度下沖擊楔入材料表面形成坑以及對(duì)表面切削去掉材料。不同裝置（體現(xiàn)固相的作用方式變化）下不銹鋼材料磨損表現(xiàn)出截然不同的特性。文獻(xiàn)[3]對(duì)多種材料試驗(yàn)指出，較高速度下 60°～90°的射流沖角變化對(duì)磨損破壞幾乎沒有影響，但角度較小時(shí)破壞程度隨角度減小而減小。J.M.Neilson等發(fā)現(xiàn)柔性金屬材料的磨損曲線上有一個(gè)低沖角的切削高峰，而在玻璃等脆性材料只有單純的沖擊變形磨損[4]。

目前兩相流的數(shù)值方法成為預(yù)測(cè)固相運(yùn)動(dòng)的重要方式，文獻(xiàn)[5]采用歐拉－拉格朗日方法加Finnie的沖刷模型計(jì)算旋轉(zhuǎn)圓盤內(nèi)顆粒對(duì)材料的破壞速率。文獻(xiàn)[6]采用 k ?ε? Ap兩相湍流模型及圖爾薩大學(xué)的泥沙磨損模型分析水輪機(jī)葉片的磨損主要特征，結(jié)果也給出了泥沙相的流動(dòng)特征。

本文結(jié)合固液兩相流數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)文丘里裝置中鋁制翼型試樣磨損破壞特性進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在西南石油大學(xué)水力機(jī)械磨蝕閉式試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，裝置中試驗(yàn)段為收縮-擴(kuò)散型（如示意圖 1）；試驗(yàn)對(duì)象為 Raf6-1翼型試件，取自軋制鋁板（成分：95%Al，5%Ni），弦長(zhǎng)為120 mm，其在流動(dòng)方向的右側(cè)有較小角度的擴(kuò)散角。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前對(duì)翼型表面用 2000目的砂紙依次沿垂直于弦長(zhǎng)方向打磨，采用XL300電子掃描顯微鏡（SEM）觀測(cè)表面的微觀形貌；試驗(yàn)后，對(duì)圖1所示測(cè)試斷面（距前側(cè)壁面20 mm處）翼型表面位置從頭部到尾部進(jìn)行顯微觀測(cè)；同時(shí)，測(cè)量該斷面試驗(yàn)前后翼型上表面厚度的磨損深度。

磨損破壞試驗(yàn)時(shí)水中添加均徑為 45μm 的石英砂，試驗(yàn)段喉部平均速度為25m/s，其含量為15g/l，試驗(yàn)時(shí)間為 15h；試驗(yàn)過程中同時(shí)測(cè)量試驗(yàn)段進(jìn)出口壓力。

圖1 試驗(yàn)段示意圖

2 流場(chǎng)數(shù)值模擬方法

以含沙水流為介質(zhì)，開展實(shí)驗(yàn)裝置在試驗(yàn)條件下的流場(chǎng)數(shù)值模擬。采用Mixture多相流模型?；旌夏Ｐ偷倪B續(xù)方程為

式中，mρ為混合密度；vm為質(zhì)量平均速度。

混合模型的動(dòng)量方程可以通過對(duì)所有相各自的動(dòng)量方程求和來獲得，表示為

式中，n為相數(shù)；F為體積力；kα為第k相的體積分?jǐn)?shù)；kρ為第k相的密度；μm為混合粘性；vdr,k為第二相k的漂移速度。

滑流速度vqp被定義為第二相（p）的速度相對(duì)于主相（q）的速度：

則漂移速度和滑移速度可通過下式聯(lián)系

從第二相的連續(xù)方程，可以得到第二相p的體積分?jǐn)?shù)方程為：

將單相標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型擴(kuò)展至多相湍流模型，單相SIMPLEC算法擴(kuò)展至多相流動(dòng)，對(duì)裝置中繞翼型的固液兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬。裝置中翼型周圍采用C型網(wǎng)格系統(tǒng)，網(wǎng)格數(shù)約40萬，局部網(wǎng)格分布見圖2。

邊界條件：進(jìn)口采用速度入口邊界條件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)給定來流速度、k及ε估計(jì)值；出口采用壓力邊界條件，給出試驗(yàn)測(cè)量壓力。泥沙濃度通過給定進(jìn)出口邊界的固相體積濃度來實(shí)現(xiàn)。壁面邊界條件采用無滑移條件，近壁處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

圖2 裝置內(nèi)翼型頭部位置網(wǎng)格

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 材料原始表面形貌

圖3為翼型表面原始微觀形貌（弦長(zhǎng)為左右方向）。豎直方向上有較長(zhǎng)的打磨痕跡，其深度較淺且寬度均在1～2 μm左右；此外，材料表面局部有一些缺陷小坑（大小約幾個(gè)μm）?？傮w上講，原始材料表面較平整和致密。

圖3 翼型原始表面微觀形貌

3.2 翼型表面磨損破壞形貌

以翼型頭部為x值零點(diǎn)，圖4a～4d分別為x值約2、5、10及25（mm）處微觀形貌。圖4a中主要以大角度沖擊楔入坑（尺寸約在1～3μm不等）為主，坑四周材料被擠壓突出，表面較為粗糙；此外，材料表面還有特征不明顯的小凹坑。圖4b中主要是不同寬度和深度的中等角度沖擊楔入坑（寬度可達(dá) 4～5μm），坑的后側(cè)材料被切削后，部分淤積在坑的前側(cè)。圖 4c與圖4b類似，但被沖擊的角度較小。圖4d中形成的沖擊楔入坑很少且小，沿流動(dòng)方向犁耕形成的溝槽和劃痕增多，溝槽和劃痕特征是窄、淺但較長(zhǎng)且材料在其兩邊淤積；同時(shí)，破壞的碎屑在材料表面雜亂無章地分布。

圖5a～5f分別為x值約35、45、65、75、105及110（mm）處微觀形貌。圖5a中破壞的形貌以犁耕形成的溝槽和小劃痕為主，其寬度一般都小于遠(yuǎn)1μm，但長(zhǎng)度變化范圍較大；同時(shí)，少量較小的小角度沖擊楔入坑也存在。圖5b與圖5a相比小角度的沖擊楔入坑有所增多，尺寸特征也更為明顯。圖5c中小角度沖擊切削坑開始占據(jù)了破壞類型的主導(dǎo)作用，部分坑的寬度可達(dá)1μm左右，少量的劃痕和溝槽仍存在，這些破壞形貌均向下側(cè)以較小角度的偏轉(zhuǎn)。圖5d與圖5c較類似，但沖擊切削坑更加明顯。圖5e及5f中微觀破壞形貌主要以大量中小等角度沖擊切削坑和少量犁耕類溝槽相結(jié)合，其寬度均在1～2μm之間，破壞后的材料使得翼型表面表現(xiàn)得非常粗糙。

圖4 翼型前側(cè)磨損破壞微觀形貌（流向由左向右）

圖5 翼型中后側(cè)磨損破壞微觀形貌（流向由左向右）

3.3 磨損破壞深度

15 h磨損破壞后，對(duì)測(cè)試斷面位置測(cè)量翼型表面材料失去的厚度。由圖6可以看出，翼型頭部附近材料在固相的沖擊磨損下發(fā)生了整體的塑性變形，翼型在該位置的形狀隨之而發(fā)生了變化。因此，本文對(duì)破壞程度的量化范圍從距頭部40 mm處開始。

圖6 翼型頭部沖擊變形

圖7為斷面2翼型中后部破壞深度值分布。由圖中看出，從x約40～60mm段翼型表面破壞程度較弱，且變化較小；從x約60～110mm位置，翼型表面破壞程度不斷增大，并到x約110mm處達(dá)到最大破壞值；由x約110mm到尾部，翼型表面破壞程度有減小的趨勢(shì)，但破壞仍然較大。

圖7 翼型前側(cè)到尾部破壞深度

4 兩相流數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬完成后，取測(cè)試斷面位置流場(chǎng)進(jìn)行分析，圖8為斷面2上沙粒速度分布矢量圖。在翼型頭部處沙粒速度約20 m/s左右，沙粒以與翼型表面成接近90°的角度對(duì)其沖擊磨損破壞；繞過翼型頭部達(dá)到約翼型最大厚度位置附近，沙粒運(yùn)動(dòng)速度達(dá)最大約25m/s左右，其運(yùn)動(dòng)方向與翼型表面近平行；在沙粒體向翼型尾部運(yùn)動(dòng)過程中，隨著流道的擴(kuò)散，其運(yùn)動(dòng)速度由中后部約20 m/s左右減小到尾部的16 m/s左右。此時(shí)，在流道擴(kuò)散及翼型尾部上側(cè)順時(shí)針渦流的影響下，翼型尾部上側(cè)沙粒運(yùn)動(dòng)方向以約30°大小的夾角作用在翼型表面。

圖9為測(cè)試斷面流場(chǎng)固相含率的分布。翼型頭部附近固相濃度最高，其原因在于固相以較高速度從喉部流出后沿直線直接沖擊翼型，形成沙粒的聚集；過頭部后，兩相流體作繞流運(yùn)動(dòng)，沙粒在離心力作用下沙粒偏離翼型表面，靠近翼型上部壁面濃度降低；接近翼型后部位置，較高濃度沙粒群在后側(cè)回流區(qū)的影響下向翼型表面偏轉(zhuǎn)。

圖8 斷面2流場(chǎng)沙粒速度矢量

圖9 斷面2流場(chǎng)沙粒濃度分布

5 結(jié)果分析

結(jié)合鋁制翼型磨損破壞試驗(yàn)結(jié)果及相應(yīng)兩相流數(shù)值模擬結(jié)果看出，翼型頭部附近（x從 0～20mm）沙粒含率最高，并以約20m/s的速度大角度沖擊翼型表面，頭部微觀破壞形貌為各種大角度的沖擊楔入坑及沖擊變形破壞，宏觀上也表現(xiàn)出了整體的塑性變形；在翼型厚度最大位置附近（x約 30～60mm），由于繞流效應(yīng)的影響，雖然顆粒運(yùn)動(dòng)速度較大（約25m/s），但其方向基本平行于翼型表面（圖8）。翼型表面微觀破壞特征大多為刮擦或犁耕類的小溝槽，其破壞能力較弱，這在宏觀的破壞深度上體現(xiàn)得較為明顯；在翼型中后部，在渦流的作用下，沙粒以小角度對(duì)翼型壁面產(chǎn)生沖切作用，形成沖擊楔入坑，利用顆粒進(jìn)一步切削破壞，且在宏觀上表現(xiàn)除了磨損破壞的峰值。

6 結(jié)論

結(jié)合兩相流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果，本文對(duì)鋁制翼型的磨損破壞研究有下述結(jié)論：

（1）固相顆粒沖擊角度反應(yīng)出完全不同的磨損破壞模式，較大角度以沖擊變形為主，較小角度以沖切破壞為主，而接近0°以刮擦劃痕為主；

（2）鋁翼型磨損破壞在大角度時(shí)會(huì)出現(xiàn)宏觀上的變形，而在較小角度出現(xiàn)材料損失的峰值。材料的性能在磨損破壞時(shí)成為重要的影響因素；

（3）水力機(jī)械內(nèi)部的磨損破壞問題需要以兩相流流動(dòng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)。

[1]張濤, 陳次昌, 等. 空蝕磨損及聯(lián)合作用研究進(jìn)展[J]. 排灌機(jī)械, 2006, （3）: 47-53.

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