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                  空蝕新機理

                  發表時間:2022.03.28 19:08

                  來源:泵友圈

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                  原文:《 New Mechanism of Cavitation Damage》

                  作者:You Lung Chen and Jacob Israelachvili

                  Department of Chemical and Nuclear Engineering and Materials Department, University of California, Santa Barbara, CA 93106.

                  譯者:李永安1 蔣玲林2 王水江3 蔡朋飛3 楊飛4

                  1.太原理工大學2.江蘇大學國家水泵及系統工程技術研究中心3.長沙三昌泵業有限公司4.柯邏斯泵業(上海)有限公司


                  來源:泵友圈,轉載請注明來源。


                  當空泡在液體中破裂時會產生巨大的沖擊壓力,通常認為這些壓力是表面氣蝕空蝕的根本原因。用液體表面力儀觀測了液體中空泡的快速增長和消失,同時監測了它們在亞微觀水平上對空泡附近表面的影響??张莸男纬膳c其附近表面上高局部應變能的同時釋放密切相關,在許多實際情況下,在空泡的形成過程中更可能發生空蝕,而不是破裂過程中。


                  液體中壁面的空蝕是一個重要的工業和生物學問題,例如,螺旋槳葉片、高速潤滑軸承和金屬表面在超聲振動下的損壞或侵蝕,膝關節的磨損和減壓病(彎曲)。根據瑞利 1917年關于氣泡破裂的經典論文(1),空蝕被認為僅僅是由于真空空泡或氣泡破裂時產生的極大的內爆壓力造成的。


                  在1960 年,研究表明空泡在破裂過程中會變形,并且在破裂階段撞擊表面的高速液體射流也會造成損壞,在表面上產生微小的凹坑或隕石坑(2)。壁面空蝕與空泡破裂最直接相關的證據來自空化隧道中的水翼實驗。該實驗通常表明,沿著水翼表面的最大侵蝕通常與空泡破裂的位置密切相關(3)。


                  從實驗室實驗中獲得了不太直接但更詳細的信息,其中高壓電火花或脈沖激光束用于在靠近表面的液體內的特定位置人為地制造出氣泡核。然后用高速攝像機記錄它們隨后的時間演變(4,5)。


                  迄今為止,此類實驗無法確定空蝕發生時氣泡的形成—發育—破裂周期的確切階段 (6)??张萆L和破裂的整個過程通常發生得非常迅速(10-6, 到10-3 s),并且所有有趣的特征都具有亞微觀尺寸。由于這些原因,很難研究空泡的快速增長和破裂,尤其是這些過程與(彈性流體動力學)表面變形以及最終空蝕之間的關系。然而,通常認為空蝕只發生在空泡破裂(消亡)期間(4-7)。


                  這一課題在理論上受到了很多關注,但事實證明,很難得出一個統一理論,能給出令人滿意地解釋許多已經觀察到的現象,即便是定性地(6, 8)。大多數理論處理從液體中已經存在的空泡或氣泡開始,然后試圖確定它們破裂的過程和后果。奇怪的是,很少有理論或實驗關注自然條件下的空泡形成以及快速增長的空泡產生的第一沖擊波的影響(6)。


                  用表面力儀(SFA)裝置(9)研究了液體中兩個相互靠近或遠離的曲面的彈性流體動力學變形,我們注意到當兩個曲面分離的速度超過某一臨界速度時,就會產生蒸汽空泡。因為這些測量中使用的光學技術 (10)使人們能夠實時跟蹤表面變形(11,12),并在納米級觀察空泡的形成 (13),因此我們決定詳細地研究空泡形成和破裂的現象。


                  SFA 具有分子光滑的表面和埃分辨率,主要用于測量液體表面之間的作用力。使用“等色階條紋” (FECO) 的光學干涉技術,不僅可以測量兩個表面之間任意點的距離(10, 12),而且還可以測量它們隨時間變化的形狀 (11) 和表面之間的液橋 (14)或空泡 (13)的演變。因此,人們可以確定空蝕發生的時間和地點,以及它在模型系統中的傳播方式。我們已經發現,所有這些過程都可以通過使用非常高粘度的液體來減緩(這使得這些事件的詳細視頻記錄(11)成為可能)。


                  傳統的SFA使用兩臺攝像機。一臺攝像機用作普通光學顯微鏡直接觀察表面,另一臺攝像機監測移動的FECO條紋。前者提供了兩個相鄰表面和它們之間的空泡的俯視圖,后者提供了液體中表面輪廓和折射率不連續的埃分辨率(10,13,14)。我們使用的是低分子量聚丁二烯(PBD)聚合物液體,分子量范圍為4×103到10×103之間,粘度范圍為10到180泊松(P) (15)。


                  這兩個表面被布置成以交叉柱面的形式彼此相對。由于每個表面的半徑R(~1 cm)遠大于間距D,因此該幾何形狀類似于平面附近的球體或靠近的兩個球體。在兩個曲面之間注入一大滴液體,控制室內的空氣,使溶解在液體中的氣體為空氣、干燥的氮氣或水。分子光滑的表面要么是裸露的云母(一種對液體有強粘附性的高能極性表面),要么是涂有表面活性劑的云母(一種對液體有弱粘附性的低能惰性碳氫化合物表面)。研究發現,對于所有研究的液體和表面,兩個表面的接近和分離的以下定性特征是相同的。


                  在不同的初始驅動速度v (0.01~5 μm/s)下,使兩個最初彎曲的彈性云母表面相互接近,觀察到表面的彈性流體動力學扁平化始于 10 到 200 nm 的有限表面分離。扁平化是由于粘性力的增加而發生的,粘性力彈性地壓縮支撐薄云母片的材料(膠層和玻璃盤)。扁平化開始時的表面分離取決于底層材料的彈性模量、接近速度和液體的粘度。


                  圖1顯示了 PBD 中粘度為 180 P的兩個接近表面的 FECO 條紋圖案隨時間變化。最初(圖 1A)表面以穩定的速度 v 相互接近但不變形。當表面相距約 50 nm 時(圖 1B),由于支撐材料的扁平化和壓縮,它們開始相對于彼此減速。


                  從圖 1B 到圖 1C,表面向內凸起;也就是說,它們變成“鐘形”—— 這是兩個接近表面的彈性流體動力學變形的特征(16)。在圖 1C 中,驅動速度降低到零,因此從圖 1C 到圖 1D,表面自然松弛到平衡。表面在 D = 13 nm 的間隔處以扁平結構平衡;該值由穿過液膜的兩個表面之間的短程排斥力確定(17)。



                  圖1


                  圖1 FECO條紋圖隨時間t的變化t[(A) 0 s; (B), 1 s; (C), 5 s; (D),120s],初始(未變形)半徑為R≈1 cm的兩個曲面在液態聚丁二烯 (PBD)中以0.1 um/s的速度相互靠近。光譜圖(左)中的表面輪廓λ(x)給出了兩個表面(右)的分離輪廓D(r)(10-12)。


                  將兩個曲面合并后分離的逆過程如圖 2 和圖 3 所示。表面不會簡單地通過改變接近時的路徑而恢復到原來的曲線形狀;這種現象似乎沒有得到太多研究,也沒有充分認識到它的重要性(16)。此外,當兩個表面在液體中分離時,可以根據分離速度采取兩種不同的路徑:第一種不涉及空泡的形成,第二種涉及。



                  圖2


                  圖2 在高粘度液體中,從(A)t=0,位移D=13 nm開始,兩個表面從扁平接觸分離期間隨著時間t改變FECO條紋圖案(如圖1D所示)。(B)t=6s, D = 14 nm. (C)t = 10.48 s, D = 16 nm。在低分離速度下,表面分離,沒有氣蝕跡象:(D)t = 21 s,D = 36 nm;(E) t = 50 s, D = 50 nm; 和 (F) t = 100 s,D = 110 nm。


                  在分離速度略大于 vc 的情況下,在中心形成一個空泡,這里在 (D') t = 10.50 s,D = 44 nm 處的條紋圖案中可以看到不連續性??张莩掷m數秒:(E') t = 17 s,D = 250 nm;和 (F') t = 22 s,D = 1000 nm。(A)至(F)的相應表面形狀如圖3(頂部)所示,而(A)至(F')的相應表面形狀如圖3(中間)所示。



                  圖3


                  圖3 從FECO條紋圖樣(圖2)和直接光學顯微鏡觀察可以確定,兩個彎曲云母表面以逐漸增加的分離速度分離的示意圖(19,20)。最有可能發生反沖和空蝕的地方用星號 (*) 表示。(上) v<vc;分離平穩;無空泡。(中間) v≥vc;突然分離;中心有空泡和損壞形成。(底部) v>>vc:突然分離,邊緣形成空泡和空蝕(彈坑狀)。


                  在低速(v<0.05 μm/s)下,分離是“連續的”或“平滑的”,如圖 2、A 到 F 和圖 3 頂部所示。在分離過程中,最初扁平的云母表面經歷變得尖銳的階段,即向外凸出。當它們分開時,它們的形狀變得不那么尖,最終恢復到原來的未變形形狀。


                  如果增加分離速度,表面會變得更尖,即在它們迅速分開之前,彈性更大。這種行為表明,表面和液體上的最大應力都發生在這個高度尖銳的中心區域。然后,在某個臨界速度vc(這里約為1 μm/s)以上,一個全新的分離機制接管,如圖 2(A 到 F'),和圖 3中間所示。液體不會順利分離,而是像固體一樣“斷裂”或“裂開”(18)。


                  這個過程釋放了高拉伸應力,使尖端表面突然恢復到原來的圓形,同時使兩個反沖表面之間形成一個空泡。這個過程如圖2D'所示,其中形成了一個44 nm厚的空泡。反沖是如此之快(在我們的 0.02 秒分辨率視頻錄制中是瞬間的),以至于產生的沖擊壓力一定非常大。從與隨后的空穴破裂相關的慢得多的(以秒為時間尺度)和更溫和的表面變形來判斷,我們得出結論,初始“反沖壓力”一定遠大于氣泡破裂或射流沖擊壓力(至少在這個系統中是這樣)。


                  從本質上講,整個“反沖過程”可以被認為類似于將一個物體從由彈簧連接的表面上拉開,然后—當彈簧拉緊時—突然松開。當物體撞擊然后從表面反彈時,物體和表面都會感受到巨大的壓力(首先是拉伸,然后是壓縮,然后在反彈時再次拉伸)。每當在該系統中發生不可逆的表面空蝕時,它只發生在表面反沖(彈回)期間。


                  當分離兩個表面的速度增加到遠高于vc時,甚至在彈性變形表面達到尖端階段之前,就會發生空蝕。在這種情況下,空蝕發生在兩個表面急劇分叉的圍繞中心的一個圓上(圖2B和圖3,底部)。在氣蝕的瞬間,表面幾何形狀就像兩個圓形隕石坑,一個翻轉另一個 ,隕石坑的邊緣會彈回來,留下一個甜甜圈形的空泡。然后這個空泡合并成一個單一的盤狀空泡或氣泡,通過向內塌陷、破裂。這些破裂的空泡 (19) 的延時光學顯微鏡照片顯示,在破裂過程中,空腔穿過類似于泰勒和道森照片的花環形狀(20)。


                  剛剛描述的過程表明,在足夠高的分離速度下,兩個接觸表面沒有足夠的時間從它們最初的彎曲或扁平狀態彈性釋放——即使它們沒有接觸而是被非常薄的液體膜隔開。因此,在距中心有限的徑向距離處達到最大負壓,并且在此處,表面突然反彈(反沖),形成空泡(但不一定破裂),并發生損壞。


                  我們發現氣蝕氣泡既可以完全發生在液體內,即遠離表面,也可以發生在固液界面。未經處理的(極性)云母表面對 PBD 液體的粘附力強于液體分子本身之間的粘附力(“潤濕”條件);因此,空泡完全在液體內形成。相反,對于涂有表面活性劑單層的表面, 非極性固-液粘附力較弱 (21), 空泡在界面處形成?!の覀兊贸鼋Y論, 空蝕通常只發生在空泡形成過程中, 即表面(反彈)反沖時,但在空泡破裂期間和破裂處都不會發生。


                  這個結論是通過兩種方式得出的:(i)在高分離速度下,空泡出現在接觸區的中心,在氣泡消亡(破裂)之前,表面可以重新結合在一起。FECO條紋的變形形狀(圖4A)可以看出,兩個最初未受損的表面在中心已經受損。氣泡通常會在消亡之前移動到另一個地方,而不會在那里造成任何明顯的損害。(ii) 在更高的分離速度下,在接觸區域周圍形成環形空泡,并且在該區域發生損壞(圖 4B)。在運動表面附近或兩個運動表面之間(例如,滾子軸承之間和兩個表面的潤滑滑動期間)產生空泡的系統中,可能會發生類似的損壞機制。表面反彈過程中可能發生空蝕的想法也很容易解釋材料如何從固體表面移除(“侵蝕”損傷)。



                  圖4


                  圖4 空蝕,被視為光滑FECO邊緣上的不規則波紋。當 v≥vc (A) 時發生在接觸區中心,當 v>>vc (B) 時發生在圍繞中心的圓形邊緣上。這些情況分別對應于圖 3 的中間行和底行。


                  我們的研究結果表明,為了更好地理解如何避免空蝕,研究人員需要進行新類型的實驗,其中更多地關注空泡形成之前和期間表面的彈性流體力學變形,以及表面的材料和濕式抗蝕性能,這決定了空泡發生和生長最有可能發生在什么地方。


                    (參考文獻略)

                  免責聲明
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