納米流體沖擊射流冷卻中的靶面沖蝕磨損機理研究

納米流體沖擊射流冷卻是一種高熱流密度條件下的先進(jìn)強化換熱技術(shù)，其靶面沖蝕磨損問題對于系統(tǒng)的高效可靠運行具有重要影響，是該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展中亟需解決的關(guān)鍵問題。本項目首先建立了納米流體沖擊射流流動換熱分析方法，分析了射流流場結(jié)構(gòu)和換熱特性，討論了幾何、流動和物性參數(shù)對于流動換熱特性的影響規(guī)律，并獲得了關(guān)鍵性能參數(shù)的關(guān)聯(lián)式；對合成射流條件下的納米流體沖擊射流冷卻進(jìn)行分析，獲得了不同入口速度波形射流的流動換熱特性，尤其分析了波動頻率對換熱性能的非線性影響規(guī)律，同時分析了靶面溫度均勻性的控制方法，得到了工況優(yōu)化匹配方案；對通道內(nèi)流動換熱問題進(jìn)行了流動換熱和熵產(chǎn)分析，重點討論流體工質(zhì)非牛頓特性影響下的流動結(jié)構(gòu)演變及換熱特性；構(gòu)建了三維流動換熱分析與智能優(yōu)化算法相耦合的自動優(yōu)化設(shè)計方法，采用采用模式識別算法控制計算和迭代過程，使得強化換熱性能得到了大幅提升，為三維流動換熱復(fù)雜問題的優(yōu)化提供有效借鑒；構(gòu)建了納米流體沖擊射流流動換熱特性和沖蝕磨損性能實驗裝置及實驗方法，在實施中可綜合考慮不同噴嘴與靶面間距離、沖蝕角度、脈動形式以及不同熱量等諸多因素對于實際沖蝕磨損的影響，通過不同靶材和納米流體工質(zhì)以及不同工況條件下的射流沖擊實驗結(jié)果的比較分析，實現(xiàn)工況的優(yōu)化匹配，并為納米流體沖擊射流工程應(yīng)用中材料壽命評估提供依據(jù)；構(gòu)建納米流體沖擊射流熱流固耦合分析方法，基于流場中納米顆粒運動特性，在流動換熱分析基礎(chǔ)上，重點討論靶面沖蝕磨損性能的演變規(guī)律和機理，得出靶面沖蝕速率受射流速度、局部沖擊角度和流體切削角度的共同影響，在靶面駐點區(qū)邊緣出現(xiàn)極大值，沿出流方向呈現(xiàn)波動式下降趨勢，過程中出現(xiàn)多個局部較大值；綜合考慮納米流體沖擊射流換熱性能，泵功和靶面沖蝕速率，進(jìn)一步提出了綜合性能評價指標(biāo)，并獲得了其參數(shù)關(guān)聯(lián)式。本研究將為納米流體沖擊射流系統(tǒng)的高效可靠運行和優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)理論和數(shù)據(jù)支持，并推動其實用化進(jìn)程。 2100433B

納米流體沖擊射流具有優(yōu)良的對流換熱性能，是一種高熱流密度環(huán)境下先進(jìn)的高效強化換熱技術(shù)，但該射流系統(tǒng)中靶面沖蝕磨損現(xiàn)象的機理目前尚未得到揭示。本項目擬采用理論分析、實驗測量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對納米流體沖擊射流冷卻中的靶面沖蝕磨損機理展開研究，首先由納米流體沖擊射流冷卻的兩相流熱流固耦合分析，獲得納米顆粒的運動特性；以此為基礎(chǔ)，基于彈塑性體損傷和漿料流沖蝕理論，分析納米顆粒、基液和靶面間的相互作用，采用任意拉格朗日-歐拉方法構(gòu)建起基液裹挾下納米顆粒與靶面的非線性動力學(xué)碰撞模型，探究靶面沖蝕磨損現(xiàn)象的觸發(fā)、擴展和快速發(fā)展等過程，以及物性、幾何和工況條件對其影響規(guī)律，最終揭示納米流體沖擊射流冷卻中的靶面沖蝕磨損特性及機理，同時提煉出考慮靶面沖蝕磨損的系統(tǒng)綜合性能評價指標(biāo)。本研究將為納米流體沖擊射流冷卻技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)，對于發(fā)展高效低阻強化傳熱技術(shù)具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。

前言

第1章 緒論

1.1 噴嘴的作用和應(yīng)用

1.2 陶瓷噴嘴的國內(nèi)外研究狀況

1.3 噴嘴的沖蝕磨損研究現(xiàn)狀

1.3.1 沖蝕磨損的定義

1.3.2 沖蝕磨損的種類

1.3.3 沖蝕磨損研究簡史

1.3.4 陶瓷材料沖蝕磨損機理

1.3.5 陶瓷噴嘴沖蝕磨損的研究

第2章 噴嘴材料與結(jié)構(gòu)

2.1 常用噴嘴材料

2.1.1 金屬噴嘴

2.1.2 硬質(zhì)合金噴嘴

2.1.3 陶瓷噴嘴

2.2 常用噴嘴結(jié)構(gòu)

2.2.1 圓柱形直孔噴嘴結(jié)構(gòu)

2.2.2 錐口噴嘴結(jié)構(gòu)

2.2.3 文丘里噴嘴結(jié)構(gòu)

2.2.4 特種噴嘴結(jié)構(gòu)

2.2.5 組合式噴嘴結(jié)構(gòu)

2.3 水煤漿噴嘴結(jié)構(gòu)

第3章 陶瓷噴嘴的制備及其力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)

3.1 陶瓷噴嘴的制備

3.1.1 原材料的處理

3.1.2 陶瓷噴嘴熱壓模具的設(shè)計

3.1.3 陶瓷噴嘴材料的燒結(jié)工藝

3.1.4 陶瓷噴嘴材料性能測試

3.2 碳化硼基陶瓷噴嘴材料的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)

3.2.1 B4C的晶體結(jié)構(gòu)與性能

3.2.2 B4C/（w，Ti）C陶瓷噴嘴材料的力學(xué)性能

3.2.3 B4C/（w，Ti）C陶瓷噴嘴材料的微觀結(jié)構(gòu)

3.2.4 B4C/TiC/Mo陶瓷噴嘴材料力學(xué)性能

3.2.5 B4C/TiC/Mo陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)

3.3 碳化硅基陶瓷噴嘴材料的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)

3.3.1 Sic的晶體結(jié)構(gòu)與性能

3.3.2 SiC/（W，Ti）C陶瓷噴嘴材料的力學(xué)性能

3.3.3 Sic/（W，Ti）C陶瓷噴嘴材料的微觀結(jié)構(gòu)

3.4小結(jié)

第4章 陶瓷噴嘴的沖蝕磨損特性

4.1 沖蝕磨損試驗工作原理

4.2 沖蝕磨損試驗裝置

4.3 沖蝕磨損試驗用磨料

4.4 陶瓷噴嘴沖蝕磨損的宏觀特征

4.4.1 試驗條件

4.4.2 陶瓷噴嘴沖蝕磨損的測定

4.4.3 B4C/（W，Ti）C陶瓷噴嘴的沖蝕磨損宏觀特征

4.4.4 Al203/（W，Ti）C陶瓷噴嘴的沖蝕磨損宏觀特征

4.4.5 硬質(zhì)合金噴嘴的沖蝕磨損宏觀特征

4.4.6 金屬噴嘴的沖蝕磨損宏觀特征

4.5 陶瓷噴嘴質(zhì)量損失分析

4.6 陶瓷噴嘴體積沖蝕磨損率對比

4.7 陶瓷噴嘴沖蝕磨損的影響因素

4.7.1 磨料硬度對噴嘴沖蝕磨損率的影響

4.7.2 磨料硬度與噴嘴硬度比（Hp/Ht）對噴嘴沖蝕磨損率的影響

4.7.3 磨料顆粒形狀及粒度對噴嘴沖蝕磨損率的影響

4.8 小結(jié)

第5章 陶瓷噴嘴沖蝕過程應(yīng)力分析及其沖蝕磨損機理

5.1 沖蝕過程中磨料顆粒對噴嘴內(nèi)壁的碰撞分析

5.2 陶瓷噴嘴沖蝕過程中應(yīng)力的有限元分析

5.2.1 有限元建模

5.2.2 B4C/（W，Ti）C陶瓷噴嘴沖蝕過程中的應(yīng)力分析

5.2.3 不同材料陶瓷噴嘴的應(yīng)力對比

5.2.4 不同材料陶瓷噴嘴的最佳人口錐角

5.3 陶瓷噴嘴的沖蝕磨損機理

5.3.1 脆性材料沖蝕理論

5.3.2 陶瓷噴嘴沖蝕磨損模型的建立

5.3.3 陶瓷噴嘴的沖蝕磨損機理

5.4 小結(jié)

第6章 梯度功能陶瓷噴嘴及其沖蝕磨損

6.1 梯度功能陶瓷噴嘴設(shè)計模型

6.1.1 梯度陶瓷噴嘴設(shè)計思想

6.1.2 梯度陶瓷噴嘴物理模型

6.1.3 梯度陶瓷噴嘴組成分布模型

6.1.4 梯度陶瓷噴嘴物性參數(shù)模型

6.2 梯度功能陶瓷噴嘴材料的設(shè)計

6.2.1 梯度陶瓷噴嘴材料體系設(shè)計

6.2.2 梯度功能陶瓷噴嘴殘余應(yīng)力分析模型的建立

6.2.3 組成分布與梯度陶瓷噴嘴殘余應(yīng)力的關(guān)系

6.2.4 梯度層厚與梯度陶瓷噴嘴殘余應(yīng)力的關(guān)系

6.2.5 梯度層組分差與梯度陶瓷噴嘴殘余應(yīng)力的關(guān)系

6.2.6 燒結(jié)溫度與梯度陶瓷噴嘴殘余應(yīng)力的關(guān)系

6.3 梯度功能陶瓷噴嘴材料的制備、物理力學(xué)性能及顯微結(jié)構(gòu)

6.3.1 梯度陶瓷噴嘴材料的制備

6.3.2 SiC/（W，Ti）C梯度陶瓷噴嘴材料的研制及物理力學(xué)性能

6.3.3 梯度陶瓷噴嘴材料的顯微結(jié)構(gòu)

6.4 梯度功能陶瓷噴嘴沖蝕磨損機理

6.4.1 試驗條件

6.4.2 梯度與非梯度陶瓷噴嘴的質(zhì)量損失

6.4.3 梯度與非梯度陶瓷噴嘴的內(nèi)徑變化

6.4.4 梯度與非梯度陶瓷噴嘴的內(nèi)孔輪廓變化

6.4.5 梯度與非梯度陶瓷噴嘴的體積沖蝕磨損率

6.4.6 梯度陶瓷噴嘴沖蝕磨損機理

6.5 小結(jié)

第7章 陶瓷水煤漿噴嘴及其沖蝕磨損

7.1 水煤漿噴嘴應(yīng)滿足的要求

7.2 組合式陶瓷水煤漿噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計

7.2.1 現(xiàn)有水煤漿噴嘴存在的問題

7.2.2 組合式陶瓷水煤漿噴嘴的設(shè)計思路

7.2.3 組合式陶瓷水煤漿噴嘴的特點

7.3 陶瓷水煤漿噴嘴沖蝕磨損的試驗方法

7.3.1 試驗裝置

7.3.2 試驗條件和檢測方法

7.4 陶瓷水煤漿噴嘴的沖蝕磨損特性

7.4.1 陶瓷水煤漿噴嘴的磨損失重

7.4.2 陶瓷水煤漿噴嘴沖蝕磨損影響因素的研究

7.4.3 陶瓷水煤漿噴嘴的使用壽命

7.4.4 陶瓷水煤漿噴嘴的綜合效果

7.5 陶瓷水煤漿噴嘴溫度場和熱應(yīng)力的分析

7.5.1 陶瓷水煤漿噴嘴溫度場和熱應(yīng)力的有限元分析建模

7.5.2 有限元分析的邊界條件

7.5.3 陶瓷水煤漿噴嘴溫度場分析

7.5.4 陶瓷水煤漿噴嘴熱應(yīng)力分析

7.5.5 出口帶錐角的CNW-1陶瓷水煤漿噴嘴的溫度場和熱應(yīng)力

7.6 陶瓷水煤漿噴嘴沖蝕磨損機理的研究

7.6.1 陶瓷水煤漿噴嘴沖蝕磨損的宏觀特征

7.6.2 水煤漿噴嘴熱沖擊損壞的理論分析

7.6.3 陶瓷水煤漿噴嘴沖蝕磨損機理

7.6.4 提高陶瓷水煤漿噴嘴抗熱沖擊性能的措施

7.7 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

附錄 作者發(fā)表的主要相關(guān)文獻(xiàn)2100433B