D0I:10.13374/j.issnl001-03.2007.05.00 第29卷第5期 北京科技大学学报 Vol.29 No.5 2007年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing My2007 空泡溃灭过程中力学损伤行为 王国刚)孙冬柏)张秀丽) 俞宏英)樊自栓) 孟惠民) 1)北京科技大学材料科学与工程学院腐蚀防护中心，北京1000832)华北电力科学研究院有限责任公司，北京100045 摘要在电脉冲空蚀实验装置上，设计加装了压电传感系统，成功地监测记录了空泡溃灭对金属表面的作用力，对气泡的 溃灭过程进行了描述和解释，验证了气泡的二次遗灭理论·计算了两次溃灭过程中冲击能量变化情况·测量了气泡在距离金 属表面不同距离时，空泡遗灭作用于金属表面压强和冲量的大小，两者的变化规律对比分析表明：脉冲放电产生的冲击压和 冲量随距金属表面的不同距离而表现出的规律不一致 关键词空蚀：空泡溃灭；材料损伤：压电传感：空蚀机理 分类号TG172.9:TV131.2 19世纪后期人们在轮船螺旋桨叶片上发现空 1 蚀现象，轮船螺旋推进器附近水压骤变，造成小气泡 实验装置 生成与溃灭，这个剧烈的过程对推进器造成相当大 1.1压力传感器 程度的破坏叮.实际上空蚀问题在其他水利机械设 空泡渍灭时，产生作用于金属表面的脉冲压力， 备上广泛存在，例如管线、抽水泵、水轮机叶片、导水 这一过程持续时间极短（往往在几十~以内）·采 叶片，甚至还会出现在柴油机的活塞中].空蚀 用压电式测压传感器来测量这种瞬间变化的动态压 破坏的机理非常复杂，至今还没有完全搞清楚， 力的主要优点是灵敏度高和动态响应较好8]，由于 但是空蚀破坏的主要因素之一是空泡溃灭对金属材 压电传感器具有很高的输出阻抗，因此要求配以高 料形成了力学作用.关于空蚀过程中的力学作用引 输入阻抗的放大器，此外由于受温度特性的限制， 起材料破坏的机理，各国研究者做了大量的研究工 压电传感器的工作温度不能过高， 作.，空蚀破坏到底是微射流还是冲击波造成的或者 实验采用的压力传感器型号为ZCY一YD一 205T,量程为30MPa,响应频率为200kHz,压力传 是两者联合作用的结果，多年来一直存在着争论· 20世纪四五十年代研究重点集中在球形气泡渍灭 感器镶嵌在固定于电解池底部的金属试样内，传感 器的测压面与金属试样表面处于同一平面上， 所产生的冲击波作用；l961年Naude和Eis,第一 次观察到了微射流现象[可，此时研究重点就转移到 1.2实验装置 空泡溃灭压力测量系统见图1，它是由空蚀发 由这些微射流产生的冲击压作用，但是，即使这些 生装置町、压电传感器以及信号处理系统组成 微射流破裂以后，仍然残留着的由许多小泡组成的 泡沫(remnant clouds)的继续破裂，同样会产生冲击 电火花空化 发生设备 波，对材料表面产生破坏.Shima等6]使用高速暗 计算机 电极一 线照相法研究空泡的溃灭过程，结果表明在气泡体 A/D转换器 积最小时球形冲击波确实是由残余空泡(remnant 电解池 金属S clouds)造成的，然而，后来的研究中，Kimoto观察 试样 压力传感器 到微射流冲击和残余空泡破裂冲击力脉冲，尽管程 度不同但两者都对表面施加了冲击压门. 图1空泡渍灭压力测量装置简图 Fig.I Sketch of a pressure-measuring system for bubble collapse 收稿日期：2006-01-14修回日期：2006-04-27 基金项目：国家“863”计划资助项目(No.2002AA331080):北京市 重大科技项目(N。-H024200050021) 2实验结果与讨论 作者简介：王国刚(1975-)，男，博士研究生：孙冬柏(1959一)，男， 空泡溃灭作用于金属表面的压力随时间变化的 教授，博士生导师 波形如图2所示，空泡距金属表面的距离较近，一空泡溃灭过程中力学损伤行为 王国刚1） 孙冬柏1） 张秀丽2） 俞宏英1） 樊自栓1） 孟惠民1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院腐蚀防护中心‚北京100083 2） 华北电力科学研究院有限责任公司‚北京100045 摘 要 在电脉冲空蚀实验装置上‚设计加装了压电传感系统‚成功地监测记录了空泡溃灭对金属表面的作用力‚对气泡的 溃灭过程进行了描述和解释‚验证了气泡的二次溃灭理论．计算了两次溃灭过程中冲击能量变化情况．测量了气泡在距离金 属表面不同距离时‚空泡溃灭作用于金属表面压强和冲量的大小‚两者的变化规律对比分析表明：脉冲放电产生的冲击压和 冲量随距金属表面的不同距离而表现出的规律不一致． 关键词 空蚀；空泡溃灭；材料损伤；压电传感；空蚀机理 分类号 TG172∙9；TV131∙2 收稿日期：2006-01-14 修回日期：2006-04-27 基金项目：国家“863”计划资助项目（No．2002AA331080）；北京市 重大科技项目（No．H024200050021） 作者简介：王国刚（1975—）‚男‚博士研究生；孙冬柏（1959—）‚男‚ 教授‚博士生导师 19世纪后期人们在轮船螺旋桨叶片上发现空 蚀现象‚轮船螺旋推进器附近水压骤变‚造成小气泡 生成与溃灭‚这个剧烈的过程对推进器造成相当大 程度的破坏［1］．实际上空蚀问题在其他水利机械设 备上广泛存在‚例如管线、抽水泵、水轮机叶片、导水 叶片‚甚至还会出现在柴油机的活塞中［2—3］．空蚀 破坏的机理非常复杂‚至今还没有完全搞清楚［4］． 但是空蚀破坏的主要因素之一是空泡溃灭对金属材 料形成了力学作用．关于空蚀过程中的力学作用引 起材料破坏的机理‚各国研究者做了大量的研究工 作．空蚀破坏到底是微射流还是冲击波造成的或者 是两者联合作用的结果‚多年来一直存在着争论． 20世纪四五十年代研究重点集中在球形气泡溃灭 所产生的冲击波作用；1961年 Naude 和 Ellis‚第一 次观察到了微射流现象［5］‚此时研究重点就转移到 由这些微射流产生的冲击压作用．但是‚即使这些 微射流破裂以后‚仍然残留着的由许多小泡组成的 泡沫（remnant clouds）的继续破裂‚同样会产生冲击 波‚对材料表面产生破坏．Shima 等［6］ 使用高速暗 线照相法研究空泡的溃灭过程‚结果表明在气泡体 积最小时球形冲击波确实是由残余空泡（remnant clouds）造成的．然而‚后来的研究中‚Kimoto 观察 到微射流冲击和残余空泡破裂冲击力脉冲‚尽管程 度不同但两者都对表面施加了冲击压［7］． 1 实验装置 1∙1 压力传感器 空泡溃灭时‚产生作用于金属表面的脉冲压力‚ 这一过程持续时间极短（往往在几十μs 以内）．采 用压电式测压传感器来测量这种瞬间变化的动态压 力的主要优点是灵敏度高和动态响应较好［8］．由于 压电传感器具有很高的输出阻抗‚因此要求配以高 输入阻抗的放大器．此外由于受温度特性的限制‚ 压电传感器的工作温度不能过高． 实验采用的压力传感器型号为 ZCY—YD— 205T‚量程为30MPa‚响应频率为200kHz．压力传 感器镶嵌在固定于电解池底部的金属试样内‚传感 器的测压面与金属试样表面处于同一平面上． 1∙2 实验装置 空泡溃灭压力测量系统见图1‚它是由空蚀发 生装置［9］、压电传感器以及信号处理系统组成． 图1 空泡溃灭压力测量装置简图 Fig．1 Sketch of a pressure-measuring system for bubble collapse 2 实验结果与讨论 空泡溃灭作用于金属表面的压力随时间变化的 波形如图2所示．空泡距金属表面的距离较近‚一 第29卷 第5期 2007年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．5 May2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．05．009