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
.484 北京科技大学学报 第29卷 般L<2mm时，压力随时间的变化如图2(a)所示； 是空泡形成过程中其膨胀时产生的压力，第二个峰 空泡距金属表面的距离L>2mm时，压力随时间的 值是空泡溃灭产生的压力，空泡距金属表面距离较 变化如图2(b)所示 远时，压力时间图中会出现三个峰值，前两个峰产生 在空泡距离金属表面很近时，空泡只有一次溃 的原因与前面相同，第三个峰值是空泡二次溃灭时 灭过程，压力一时间图中有两个压力峰值，第一个峰 产生的 (a) (b) 时间/ms 时间/ms 图2压电传感系统记录的空泡溃灭过程.(a)L=1mm:(b)L=3mm Fig.2 Curves of the bubble collapse process detected by a piezoelectricity sensor system:(a)L=1mm:(b)L=3mm 图3是放电电压700V、放电间隙（电极放电端 压力峰值，这说明L≤2mm时，空泡只有一次溃灭 距离)d=0.5mm条件下，空泡距金属表面不同距 过程.L=3mm时，均获得了两个压力峰值， 离(L)时，空泡溃灭作用于金属表面的脉冲压力造 图3(c)和(d)是L=3mm时的冲击压图，说明空泡 成的随时间变化的局部冲击压力变化情况，从图中 确实存在着二次溃灭过程，由此可见，空泡距金属 可以看出，空泡溃灭过程极其短暂]，而且二次溃 表面不同距离时，其作用情况有所不同·这可能是 灭时释放的压力要比第一次小，这与文献[7]中测得 由于空泡渍灭的最后阶段产生的局部高压源于冲击 结果存在一定差异，从图3(a)和(b)中可以看出， 波或微射流，而冲击压力的类型取决于空泡距固体 L=1mm和L=2mm时，压力时间曲线上只有一个 边界的距离 15r (a) 8(b) 10=700V,0.5mm U=700V.0.5mm, L=1 mm L=2mm,F=42.97Pa·s 5 4 -21 10 2030 40 0102030 40 μs tlus 5 (c) (d) 4 4 U=700V,k0.5mm. =700V.本-0.5mm,L=3mm 3L=3 mm 3 F,=18.024Pas 2F=-45.48Pa·s 2 空泡第二次溃灭 1 空泡第一次溃灭 0 0 102030 40 10 2030 tμs μs 图3空泡距金属表面不同距离时空泡渍灭冲击压随时间的变化曲线 Fig-3 Pressure of bubble collapse related to various distances between the bubble and solid surface 为了更好地研究空泡溃灭时对材料的压力冲击 其中，F是空泡第一次溃灭时作用于金属表面的冲 作用过程，引入冲量的概念，定义空泡溃灭时作用于 量，F2是空泡第二次溃灭时作用于金属表面的冲 金属表面的冲量计算公式如下： 量，用F表示空泡两次溃灭过程中作用于金属表 ft F:=Jo pdt (1) 面的总冲量， 图4为空蚀过程中，在700V放电电压条件下
般 L＜2mm 时压力随时间的变化如图2（a）所示； 空泡距金属表面的距离 L＞2mm 时压力随时间的 变化如图2（b）所示． 在空泡距离金属表面很近时空泡只有一次溃 灭过程压力—时间图中有两个压力峰值第一个峰 是空泡形成过程中其膨胀时产生的压力第二个峰 值是空泡溃灭产生的压力．空泡距金属表面距离较 远时压力时间图中会出现三个峰值前两个峰产生 的原因与前面相同第三个峰值是空泡二次溃灭时 产生的． 图2 压电传感系统记录的空泡溃灭过程．（a） L＝1mm；（b） L＝3mm Fig．2 Curves of the bubble collapse process detected by a piezoelectricity sensor system： （a） L＝1mm；（b） L＝3mm 图3是放电电压700V、放电间隙（电极放电端 距离） d＝0∙5mm 条件下空泡距金属表面不同距 离（ L）时空泡溃灭作用于金属表面的脉冲压力造 成的随时间变化的局部冲击压力变化情况．从图中 可以看出空泡溃灭过程极其短暂［10］而且二次溃 灭时释放的压力要比第一次小这与文献［7］中测得 结果存在一定差异．从图3（a）和（b）中可以看出 L＝1mm和 L＝2mm 时压力时间曲线上只有一个 压力峰值这说明 L ≤2mm 时空泡只有一次溃灭 过程． L ＝3mm 时均 获 得 了 两 个 压 力 峰 值 图3（c）和（d）是 L＝3mm 时的冲击压图说明空泡 确实存在着二次溃灭过程．由此可见空泡距金属 表面不同距离时其作用情况有所不同．这可能是 由于空泡溃灭的最后阶段产生的局部高压源于冲击 波或微射流而冲击压力的类型取决于空泡距固体 边界的距离． 图3 空泡距金属表面不同距离时空泡溃灭冲击压随时间的变化曲线 Fig．3 Pressure of bubble collapse related to various distances between the bubble and solid surface 为了更好地研究空泡溃灭时对材料的压力冲击 作用过程引入冲量的概念定义空泡溃灭时作用于 金属表面的冲量计算公式如下： Ft＝∫ t 0 pd t （1） 其中Ft1是空泡第一次溃灭时作用于金属表面的冲 量Ft2是空泡第二次溃灭时作用于金属表面的冲 量．用 F 表示空泡两次溃灭过程中作用于金属表 面的总冲量． 图4为空蚀过程中在700V 放电电压条件下 ·484· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第5期 王国刚等：空泡溃灭过程中力学损伤行为 ·485 空泡溃灭作用于金属表面的冲量随距离的变化，从 明：空泡在溃灭的过程中对材料表面产生了巨大的 图中可以看出，作用于金属表面的冲量随距离的变 冲击力；在空泡距金属表面距离很近时，空泡溃灭只 化与压力随距离的变化规律不同.，L=2mm时，冲 有一次冲击作用，其冲击力可高达十几MPa,此时 量出现一个低谷，这是因为L=1mm时，空泡距金 它是冲量的主要来源；空泡距金属壁面的距离再远 属壁面的距离非常近，此时空泡溃灭产生的脉冲压 一些时，空泡出现了二次溃灭过程，促使冲量值在第 力非常大，虽然压力作用于金属壁面的时间很短，但 一次溃灭的基础上继续增大，加大了对材料表面的 总冲量仍然很大；L=2mm时，空泡溃灭的压力相 破坏程度；空泡第一次溃灭产生的压力高于第二次 对减弱，而且空泡只有一次溃灭过程，即作用于金属 渍灭产生的压力，由于空泡溃灭的特点，它所产生 表面的冲量是空泡一次溃灭所产生的；而L=3mm 的冲击压与冲量随距离金属表面的变化而呈现规律 时，作用于金属表面的冲量是空泡一次溃灭和二次 不一致 溃灭的总和，因此L=3mm时作用于金属表面的冲 量要高于L=2mm时的冲量，L=2mm时的Fa与 参考文献 L=3mm时的F1近似相等；L>3mm时，随空泡 [1]Wargan W B.Cavitation effects on marine devices//ASME-Fluids Eng 8 Applied Mechanics Conference.Evanston.1969:195 距金属表面距离的增加，作用于金属表面的冲量下 [2]黄继汤，空化与空蚀的原理及应用.，北京：清华大学出版社， 降 1991 [3]Hercamp.Richard D.Overview of cavitation corrosion of diesel 80 -700V,止-0.5mm 14 eylinder liners.ASTM Spec Tech Publ.1993(1192):107 0 [4]Brennen C E.Cavitation and Bubble Dynamics.New York:Ox- 014 10 ford University Press.1995 [5]Naude C F,Ellis AT.On the mechanism of cavitation damage by nonhemispherical cavities in contact with a solid boundary 30 ASME J Basic Eng.1961.83:648 6 [6]Shima A.Takayama K,Tomita Y,et al.Mechanism of impact pressure generation from spark generated bubble collapse near a L/mm wa.AIAA J,1983,21(1):55 [7]Kimoto H.An experimental evaluation of the effects of a water 图4空泡溃灭压力峰值和冲量在空泡与金属表面距离不同时 microjet and a shock wave by a local pressure sensor.Int ASME 的变化状况 Symp Cavitation Res Facilities Tech.1987.57:217 Fig.4 Changes of impulse and pressure related to various distances [8]朱名武.动压测量.北京：国防工业出版社，1983 between the bubble and solid surface [9]孙冬柏，张秀丽，俞宏英，等.空蚀过程中电化学电位变化规律 研究.中国腐蚀与防护学报，2000,30(12)：308 [10]Konno A.Kato H.Yamaguchi H.et al.On the collapsing be- 3 结论 havior of cavitation bubble clusters.ME Int J Ser B.2002. 45(3):631 通过加装的传感系统对空泡溃灭过程研究表 Dynamic impact behavior during bubble collapsing WANG Guogang),SUN Dongbai),ZHANG Xiuli2),YU Hongying,FAN Zishuan),MENG Huimin） 1)Materials Science and Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)North China Electric Power Science Institute Co.Ltd.,Beijing 100045.China ABSTRACI A new designed piezoelectricity sensor system was equipped to detect the impact pressure of col- lapsing cavitation bubbles induced by a spark generated system for understanding the dy namic of collapsing bub- bles on metal surface.The bubble collapsing process was described and analyzed,and the second bubble collapse theory was verified.The dynamic energy of the two stages of bubble collapse was given.More important,the impact pressure and the impulse were determined and calculated at different distances between the collapsing bubble and the metal surface,and the two characteristics were compared. KEY WORDS cavitation:bubble collapse;material damage:piezoelectric sense;cavitation erosion mechanism
空泡溃灭作用于金属表面的冲量随距离的变化．从 图中可以看出作用于金属表面的冲量随距离的变 化与压力随距离的变化规律不同．L ＝2mm 时冲 量出现一个低谷．这是因为 L＝1mm 时空泡距金 属壁面的距离非常近此时空泡溃灭产生的脉冲压 力非常大虽然压力作用于金属壁面的时间很短但 总冲量仍然很大；L ＝2mm 时空泡溃灭的压力相 对减弱而且空泡只有一次溃灭过程即作用于金属 表面的冲量是空泡一次溃灭所产生的；而 L ＝3mm 时作用于金属表面的冲量是空泡一次溃灭和二次 溃灭的总和因此 L＝3mm 时作用于金属表面的冲 量要高于 L＝2mm 时的冲量L＝2mm 时的 Ft1与 L＝3mm 时的 Ft1近似相等；L ＞3mm 时随空泡 距金属表面距离的增加作用于金属表面的冲量下 降． 图4 空泡溃灭压力峰值和冲量在空泡与金属表面距离不同时 的变化状况 Fig．4 Changes of impulse and pressure related to various distances between the bubble and solid surface 3 结论 通过加装的传感系统对空泡溃灭过程研究表 明：空泡在溃灭的过程中对材料表面产生了巨大的 冲击力；在空泡距金属表面距离很近时空泡溃灭只 有一次冲击作用其冲击力可高达十几 MPa此时 它是冲量的主要来源；空泡距金属壁面的距离再远 一些时空泡出现了二次溃灭过程促使冲量值在第 一次溃灭的基础上继续增大加大了对材料表面的 破坏程度；空泡第一次溃灭产生的压力高于第二次 溃灭产生的压力．由于空泡溃灭的特点它所产生 的冲击压与冲量随距离金属表面的变化而呈现规律 不一致． 参 考 文 献 ［1］ Wargan W B．Cavitation effects on marine devices∥ASME-Fluids Eng ＆ Applied Mechanics Conference．Evanston1969：195 ［2］ 黄继汤．空化与空蚀的原理及应用．北京：清华大学出版社 1991 ［3］ HercampRichard D．Overview of cavitation corrosion of diesel cylinder liners．ASTM Spec Tech Publ1993（1192）：107 ［4］ Brennen C E．Cavitation and Bubble Dynamics．New York：Oxford University Press1995 ［5］ Naude C FEllis A T．On the mechanism of cavitation damage by non-hemispherical cavities in contact with a solid boundary． ASME J Basic Eng196183：648 ［6］ Shima ATakayama KTomita Yet al．Mechanism of impact pressure generation from spark-generated bubble collapse near a wall．AIAA J198321（1）：55 ［7］ Kimoto H．An experimental evaluation of the effects of a water microjet and a shock wave by a local pressure sensor．Int ASME Symp Cavitation Res Facilities Tech198757：217 ［8］ 朱名武．动压测量．北京：国防工业出版社1983 ［9］ 孙冬柏张秀丽俞宏英等．空蚀过程中电化学电位变化规律 研究．中国腐蚀与防护学报200030（12）：308 ［10］ Konno AKato HYamaguchi Het al．On the collapsing behavior of cavitation bubble clusters．JSME Int J Ser B2002 45（3）：631 Dynamic impact behavior during bubble collapsing WA NG Guogang 1） SUN Dongbai 1） ZHA NG Xiuli 2） Y U Hongying 1） FA N Zishuan 1） MENG Huimin 1） 1） Materials Science and Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） North China Electric Power Science Institute Co．Ltd．Beijing100045China ABSTRACT A new designed piezoelectricity sensor system was equipped to detect the impact pressure of collapsing cavitation bubbles induced by a spark-generated system for understanding the dynamic of collapsing bubbles on metal surface．The bubble collapsing process was described and analyzedand the second bubble collapse theory was verified．The dynamic energy of the two stages of bubble collapse was given．More importantthe impact pressure and the impulse were determined and calculated at different distances between the collapsing bubble and the metal surfaceand the two characteristics were compared． KEY WORDS cavitation；bubble collapse；material damage；piezoelectric sense；cavitation erosion mechanism 第5期 王国刚等： 空泡溃灭过程中力学损伤行为 ·485·