空化抑制的案例
論文推薦 | 基于泵噴整流機理的螺旋槳空化抑制研究
當螺旋槳周圍流體的壓強降低到水的飽和蒸氣壓以下時, 將會出現空化現象[1-6]。空化現象產生的空化氣泡隨著水流進行運動, 當遇到高壓區或障礙物后會產生潰滅, 其特殊的內爆特性使其潰滅時產生巨大的能量。空化氣泡的潰滅會對水下螺旋槳推進器產生一系列的危害, 比如導致螺旋槳加速腐蝕、加劇推進器的振動、提高水動力噪聲等。
溫亮軍[7]和齊江輝[8]等通過改變槳葉側斜、縱傾角以及槳葉剖面等參數來研究螺旋槳空化性能, 發現通過優化設計槳葉剖面可以有效減少槳葉的空泡面積, 提高螺旋槳抗空化能力。李生[9]和彭云龍[10]等分別對帶有前置或后置定子的螺旋槳所建立的空化模型進行空化特性數值分析, 發現空化數小于3時, 空化區域將快速擴散到整個槳葉面, 螺旋槳的推進效率逐漸降低。有學者利用大型空化水槽對螺旋槳空化噪聲的預測方法進行研究, 實驗驗證了標度法可有效預測螺旋槳空化噪聲[11-13]。Yilmaz等[14]利用自適應網格法對名為The Princess Royal的船用螺旋槳葉尖渦空化起始和消失進行研究, 采用計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)方法, 針對特定參數的螺旋槳進行空化試驗以驗證仿真數據的準確性, 但并未對空化起因與抑制空化方法進行深入研究。以上研究的出發點均基于研究螺旋槳參數特性來優化水動力性能, 以達到抑制空化的目的, 抑制效果不理想。
空化氣泡從產生到潰滅的時間很短, 在復雜流場結構中很難清楚地觀察到流場內部情況, 使得螺旋槳的空化流場結構及空化氣泡的動力學性能存在盲區。CFD是一種以計算機計算為基礎, 對流體傳質傳熱等現象進行分析的方法[15-17]。
展開 射流抑制水翼/螺旋槳梢渦空化研究
本研究面向水翼/螺旋槳梢渦空化抑制的實際工程需求，聚焦于共性技術和基礎原理探索，為我們與海軍工程大學合作完成。
論文以 NACA0012型橢圓水翼為研究對象，對全濕流和空化流工況下的水翼梢渦流場進行了研究，并重點分析了主動射流位置、角度及速度對橢圓水翼升阻力系數、梢渦流場演化以及梢渦空泡結構所產生的影響。
▲ 橢圓水翼幾何及射流開口位置
什么是梢渦空化？
空化，是局部區域內流體壓力低于飽和蒸汽壓時，液體由液相向氣相轉變的過程。根據結構不同，空化可分為游移空化、片空化、云空化、渦空化和超空化等。
梢渦空化（Tip Vortex Cavitation, TVC），是渦空化的一種，該空化現象常見于螺旋槳、橢圓水翼等易產生梢渦的設備之上。
▲ 試驗時水翼梢渦空泡結構
主動射流什么鬼？
主動射流是流動控制方法的一種，該方法的主要思路是將質量以及動量引入流場來干擾流動，通常是向空化區域附近流場噴射水、空氣、難溶氣體或其他抑制空化產生的聚合物等來改善其流動條件從而達到控制空化的目的。
該方法可通過在螺旋槳等設備內部布設流道并在表面開設射流孔，從而實現向局部流場內噴射高速流體進而實現空化抑制效果。
▲ 螺旋槳中布置的主動射流流道
經試驗驗證，主動射流可以有效降低梢渦空化的發展長度。但是，其內部的流動機理和作用機制還不甚清晰，因此進行主動射流對水翼梢渦及其空化抑制作用的模擬工作，探究主動射流對空泡抑制作用的機理具有非常重要的理論和實際意義。
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在溶液腐蝕、電解的基礎上,再施加超聲波振動攪拌溶液,使工件表面溶解產物脫離,表面附近的腐蝕或電解質均勻;超聲波在液體中的空化作用還能夠抑制腐蝕過程,利于表面光亮化。
6、流體拋光
流體拋光是依靠高速流動的液體及其攜帶的磨粒沖刷工件表面達到拋光的目的。常用方法有:磨料噴射加工、液體噴射加工、流體動力研磨等。流體動力研磨是由液壓驅動,使攜帶磨粒的液體介質高速往復流過工件表面。介質主要采用在較低壓力下流過性好的特殊化合物(聚合物狀物質)并摻上磨料制成,磨料可采用碳化硅粉末。
7、磁研磨拋光
磁研磨拋光是利用磁性磨料在磁場作用下形成磨料刷,對工件磨削加工。這種方法加工效率高,質量好,加工條件容易控制,工作條件好。采用合適的磨料,表面粗糙度可以達到Ra0.1μm 。在塑料模具加工中所說的拋光與其他行業中所要求的表面拋光有很大的不同,嚴格來說,模具的拋光應該稱為鏡面加工。它不僅對拋光本身有很高的要求并且對表面平整度、光滑度以及幾何精確度也有很高的標準。表面拋光一般只要求獲得光亮的表面即可。鏡面加工的標準分為四級:AO=Ra0.008μm,A1=Ra0.016μm , A3=Ra0.032μ m ,A4=Ra0.063μm,由于電解拋光、流體拋光等方法很難精確控制零件的幾何精確度,而化學拋光、超聲波拋光、磁研磨拋光等方法的表面質量又達不到要求,所以精密模具的鏡面加工還是以機械拋光為主。
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在溶液腐蝕、電解的基礎上,再施加超聲波振動攪拌溶液,使工件表面溶解產物脫離,表面附近的腐蝕或電解質均勻;超聲波在液體中的空化作用還能夠抑制腐蝕過程,利于表面光亮化。
6、流體拋光
流體拋光是依靠高速流動的液體及其攜帶的磨粒沖刷工件表面達到拋光的目的。常用方法有:磨料噴射加工、液體噴射加工、流體動力研磨等。流體動力研磨是由液壓驅動,使攜帶磨粒的液體介質高速往復流過工件表面。介質主要采用在較低壓力下流過性好的特殊化合物(聚合物狀物質)并摻上磨料制成,磨料可采用碳化硅粉末。
7、磁研磨拋光
磁研磨拋光是利用磁性磨料在磁場作用下形成磨料刷,對工件磨削加工。這種方法加工效率高,質量好,加工條件容易控制,工作條件好。采用合適的磨料,表面粗糙度可以達到Ra0.1μm 。在塑料模具加工中所說的拋光與其他行業中所要求的表面拋光有很大的不同,嚴格來說,模具的拋光應該稱為鏡面加工。它不僅對拋光本身有很高的要求并且對表面平整度、光滑度以及幾何精確度也有很高的標準。表面拋光一般只要求獲得光亮的表面即可。鏡面加工的標準分為四級:AO=Ra0.008μm,A1=Ra0.016μm , A3=Ra0.032μ m ,A4=Ra0.063μm,由于電解拋光、流體拋光等方法很難精確控制零件的幾何精確度,而化學拋光、超聲波拋光、磁研磨拋光等方法的表面質量又達不到要求,所以精密模具的鏡面加工還是以機械拋光為主。
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常見模具拋光的方法有哪些？
在溶液腐蝕、電解的基礎上，再施加超聲波振動攪拌溶液，使工件表面溶解產物脫離，表面附近的腐蝕或電解質均勻；超聲波在液體中的空化作用還能夠抑制腐蝕過程，利于表面光亮化。
1.5 流體拋光
流體拋光是依靠高速流動的液體及其攜帶的磨粒沖刷工件表面達到拋光的目的。常用方法有：磨料噴射加工、液體噴射加工、流體動力研磨等。流體動力研磨是由液壓驅動，使攜帶磨粒的液體介質高速往復流過工件表面。介質主要采用在較低壓力下流過性好的特殊化合物（聚合物狀物質）并摻上磨料制成，磨料可采用碳化硅粉末。
1.6 磁研磨拋光
磁研磨拋光是利用磁性磨料在磁場作用下形成磨料刷，對工件磨削加工。這種方法加工效率高，質量好，加工條件容易控制，工作條件好。采用合適的磨料，表面粗糙度可以達到Ra0.1μm。
2、機械拋光基本方法
在塑料模具加工中所說的拋光與其他行業中所要求的表面拋光有很大的不同，嚴格來說，模具的拋光應該稱為鏡面加工。它不僅對拋光本身有很高的要求并且對表面平整度、光滑度以及幾何精確度也有很高的標準。表面拋光一般只要求獲得光亮的表面即可。
鏡面加工的標準分為四級：AO=Ra0.008μm，A1=Ra0.016μm，A3=Ra0.032μm，A4=Ra0.063μm，由于電解拋光、流體拋光等方法很難精確控制零件的幾何精確度，而化學拋光、超聲波拋光、磁研磨拋光等方法的表面質量又達不到要求，所以精密模具的鏡面加工還是以機械拋光為主。
2.1 機械拋光基本程序
要想獲得高質量的拋光效果，最重要的是要具備有高質量的油石、砂紙和鉆石研磨膏等拋光工具和輔助品。而拋光程序的選擇取決于前期加工后的表面狀況，如機械加工、電火花加工，磨加工等等。
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