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离心泵仿生微结构叶片减阻特性的仿真研究

表面技术 2023年第2期52卷 196-205页

作者：黄明吉刘圣艳乔小溪陈平刘中海张晓昊北京科技大学机械工程学院北京100083 长沙迪沃机械科技有限公司长沙410205 清华大学天津高端装备研究院天津300300

目的通过在离心泵叶片表面布置仿生微结构实现离心泵的减阻,并获得仿生微结构的最优化设计参数。方法研究利用仿真模拟的方法,采用离心泵的扭矩变化对其减阻性能进行表征,考虑了仿生微结构的形态、截面形状和特征高度等结构参数的影响规... 详细信息

目的通过在离心泵叶片表面布置仿生微结构实现离心泵的减阻,并获得仿生微结构的最优化设计参数。方法研究利用仿真模拟的方法,采用离心泵的扭矩变化对其减阻性能进行表征,考虑了仿生微结构的形态、截面形状和特征高度等结构参数的影响规律,通过分析叶片表面的湍流动能、剪切应力和近壁面层的速度云图揭示仿生微结构对离心泵减阻特性的影响机理。结果在3种微结构形态中,流向沟槽的减阻效果最好;在3种截面形状的微结构中,矩形截面的减阻效果最好;离心泵减阻率并非随微结构特征尺寸单调变化,而是存在最优值;所有微结构的减阻率均随着流量的增加而增加。当叶片表面布置流向、矩形沟槽时离心泵具有最优的减阻效果,且在全流量工况范围流向矩形沟槽结构的最大减阻率为8.39%。结论叶片表面微结构的布置可以实现离心泵减阻,其减阻机理与近壁面流体流动行为有关。表面微结构可有效降低叶片壁面的速度梯度,使速度沿壁面法线方向过渡更加均匀,且微结构内部低速流体层可有效控制和减弱近壁面区的湍动程度,减少湍流动能损耗;同时微沟槽内的反向涡流具有类“滚动轴承”作用,将滑动摩擦转换为滚动摩擦,降低摩擦阻力。

关键词：离心泵仿生微结构减阻湍流动能数值模拟

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TC4钛合金细丝摩擦磨损性能研究

粉末冶金技术 2023年第2期41卷 108-115,130页

作者：张志文董秀萍黄明吉乔小溪北京工商大学人工智能学院北京100048 北京科技大学机械工程学院北京100083

选用不同载荷(F)和摩擦速度(V)进行正交对比实验,研究TC4钛合金金属丝在干摩擦条件下的摩擦磨损性能,得出载荷和摩擦速度与TC4细丝摩擦系数和磨损率间的相关规律。采用扫描电子显微镜和能谱仪观察并分析了TC4细丝表面磨损形貌、元素种... 详细信息

选用不同载荷(F)和摩擦速度(V)进行正交对比实验,研究TC4钛合金金属丝在干摩擦条件下的摩擦磨损性能,得出载荷和摩擦速度与TC4细丝摩擦系数和磨损率间的相关规律。采用扫描电子显微镜和能谱仪观察并分析了TC4细丝表面磨损形貌、元素种类及物相组成,并讨论了TC4细丝的磨损机制。结果表明:在摩擦速度相同时,载荷增大,摩擦系数先增大后减小,磨损率则持续增大;当载荷不变时,摩擦速度与摩擦系数呈负相关,与磨损率呈正相关。在TC4磨损机制中,氧化磨损和磨粒磨损主要出现在低载荷和低速情况下,氧化磨损和粘着磨损主要出现在中载荷和中速情况下,磨粒磨损主要出现在高载荷情况下,而氧化磨损则出现在高速下。随F·V值增大,摩擦系数先减小后增大,磨损率与F·V值呈正相关。

关键词： TC4 摩擦磨损磨损机制载荷摩擦速度

固-液两相流黑水管道冲蚀磨损的数值模拟研究

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摩擦学学报 2020年第6期40卷 726-734页

作者：乔小溪单斌陈平北京科技大学机械工程学院北京100083

煤气化黑水处理系统管道由于其流体介质高含固体颗粒和腐蚀性介质,且工作在高温、高压差环境中,极易受到冲蚀磨损和腐蚀的耦合作用而失效,影响其服役寿命.采用计算流体力学(CFD)方法数值模拟研究了煤气化黑水处理系统固-液两相流管道的... 详细信息

煤气化黑水处理系统管道由于其流体介质高含固体颗粒和腐蚀性介质,且工作在高温、高压差环境中,极易受到冲蚀磨损和腐蚀的耦合作用而失效,影响其服役寿命.采用计算流体力学(CFD)方法数值模拟研究了煤气化黑水处理系统固-液两相流管道的冲蚀磨损行为和机理,以及流体介质速度和固体颗粒粒径对管道冲蚀磨损的影响规律,并分析了盲通管和涡室结构对弯管冲蚀磨损行为的优化改善效果.研究结果显示,煤气化黑水处理系统管线的冲蚀高危区主要分布在弯管外拱和变径管等结构突变区域;管道冲蚀磨损行为与其内部流体的运动和颗粒冲击特性有关;管道的冲蚀率均随着流体速度的增加而加剧,而粒径对弯管和变径管冲蚀率的影响并非单调关系,这与颗粒受力作用有关;弯管优化分析显示,涡室结构可以降低弯管的最大冲蚀率,减缓弯管的冲蚀磨损.

关键词：黑水处理系统固-液两相流数值模拟冲蚀磨损失效机理

45钢/PA66配副干滑动摩擦磨损性能研究

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摩擦学学报 2019年第1期39卷 26-34页

作者：陈平王朋飞乔小溪北京科技大学机械工程学院北京100083

采用45钢销和尼龙PA66盘,运用正交试验法在MMW-1A万能摩擦磨损试验机上研究干滑动摩擦条件下速度、载荷和金属销表面粗糙Ra对45钢/PA66配副摩擦学性能的影响.通过极差分析与方差分析发现:载荷、粗糙度对摩擦系数与磨损量有显著影响,而... 详细信息

采用45钢销和尼龙PA66盘,运用正交试验法在MMW-1A万能摩擦磨损试验机上研究干滑动摩擦条件下速度、载荷和金属销表面粗糙Ra对45钢/PA66配副摩擦学性能的影响.通过极差分析与方差分析发现:载荷、粗糙度对摩擦系数与磨损量有显著影响,而速度影响相对较小.当载荷为50 N,速度为11.25 m/s,Ra为0.60μm时,摩擦系数与磨损量最小.基于正交试验的最优结果,开展控制变量试验,试验结果表明:载荷小于90 N时,PA66以黏着磨损为主;载荷为90 N时,PA66磨损形式为犁削磨损和黏着磨损.载荷为140 N时,PA66的磨损形式为黏着磨损并伴有胶合现象的产生. Ra小于0.46μm时,PA66以黏着磨损为主;Ra为0.46μm时,PA66的磨损形式为黏着磨损和犁削磨损且在对偶金属销表面上形成连续的转移膜;Ra大于0.46μm时,PA66以犁削磨损为主.

关键词：干滑动摩擦尼龙PA66 表面粗糙度正交试验摩擦磨损

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微结构阵列对近壁面层液体运动规律的影响

物理学报 2017年第4期66卷 179-185页

作者：乔小溪张向军田煜孟永钢北京科技大学机械工程学院北京100083 清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084

表面微结构阵列可用于调控微间隙中液体的流动行为、运动阻力和混合特性等.本文采用石英晶体微天平实验研究了微凹坑和微圆柱阵列以及微结构表面形貌对近壁面层液体运动行为的影响.石英晶体微天平的系统频移和半带宽变化与近壁面层液体... 详细信息

表面微结构阵列可用于调控微间隙中液体的流动行为、运动阻力和混合特性等.本文采用石英晶体微天平实验研究了微凹坑和微圆柱阵列以及微结构表面形貌对近壁面层液体运动行为的影响.石英晶体微天平的系统频移和半带宽变化与近壁面层液体的运动行为密切相关,研究显示,表面微凹坑倾向于受限液体的运动,因此微凹坑表面引起的频移绝对值明显大于与其具有相同特征尺寸的微圆柱表面,且均大于光滑表面.粗糙表面结构会明显地增加近壁面区域液体运动的紊乱程度,因此具有粗糙顶部的二级微圆柱表面引起的半带宽变化明显大于与其具有相同特征尺寸的微圆柱表面,且均大于光滑表面.该研究为微流道表面阵列微结构形式的选择提供了实验依据.

关键词：石英晶体微天平微结构阵列近壁面层流动行为

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丝径对316L不锈钢丝摩擦磨损行为的影响

摩擦学学报 2021年第2期41卷 206-212页

作者：黄明吉李斌董秀萍乔小溪北京科技大学机械工程学院北京100083 北京科技大学顺德研究生院广东顺德528399 北京工商大学人工智能学院北京100048

为探究金属橡胶微丝的最适直径,研究了不同载荷和速度条件下,金属橡胶不锈钢丝丝径对其小位移摩擦磨损行为影响的规律及机理,建立了磨损深度与丝径之间的定量关系来评定丝径对不锈钢丝摩擦磨损行为的影响.结果表明:相同载荷、速度条件下... 详细信息

为探究金属橡胶微丝的最适直径,研究了不同载荷和速度条件下,金属橡胶不锈钢丝丝径对其小位移摩擦磨损行为影响的规律及机理,建立了磨损深度与丝径之间的定量关系来评定丝径对不锈钢丝摩擦磨损行为的影响.结果表明:相同载荷、速度条件下,不同丝径实际接触面积的不同导致不锈钢丝的磨损深度随其丝径的增大而减小,且磨损深度随丝径的变化规律呈多项式曲线规律;而摩擦系数与其实际接触形貌和磨屑运动状态有关,不同的磨损状态导致了摩擦系数随丝径的增大而增大;探究表明改变载荷和速度并不影响丝径对不锈钢丝摩擦磨损行为的影响规律;但由于粗丝径试件间实际接触面积的稳定性,使得载荷和速度对粗丝试件的磨损深度、摩擦系数的影响要明显小于对细丝试件的影响.

关键词：金属橡胶 316L不锈钢丝丝径摩擦磨损磨损形貌

基于实验和CFD模拟的煤气化黑水处理系统管道失效分析

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表面技术 2019年第12期48卷 247-256页

作者：单斌陈平乔小溪赵元琪北京科技大学机械工程学院北京100083 中国能源宁夏煤业集团有限公司煤制油气化厂银川750411

目的分析煤气化黑水处理系统管道的失效行为,明确失效特征,分析失效机理及影响因素,指导弯管的失效预防,延长其服役寿命。方法采用扫描电子显微镜(SEM)对管道进行微观形貌检测,并采用能量色散谱(EDS)和X射线衍射(XRD)对腐蚀产物进行检... 详细信息

目的分析煤气化黑水处理系统管道的失效行为,明确失效特征,分析失效机理及影响因素,指导弯管的失效预防,延长其服役寿命。方法采用扫描电子显微镜(SEM)对管道进行微观形貌检测,并采用能量色散谱(EDS)和X射线衍射(XRD)对腐蚀产物进行检测分析,最后通过计算流体动力学(CFD)仿真分析其流场情况。结果失效管道内壁面有着明显的流水冲蚀形貌,且布满小凹坑及疏松多孔的褐色腐蚀产物。EDS结果显示,腐蚀产物主要由Fe、S和O元素构成,XRD进一步测得腐蚀产物多为FeS、Fe3O4及FeO等。CFD仿真结果与实际失效工况吻合,二次流、粒径、速度以及斯托克斯数的变化对固体颗粒运动轨迹影响较大,并进一步影响管道冲蚀的高危区位置。结论管道失效的主要原因是黑水中的H2S腐蚀和煤粉颗粒冲蚀的耦合作用,其弯管区域外拱出口位置和下游水平管底部位置为主要高危区,同时管道高危区位置受多种因素影响,相应部位要提前做好预防准备,实际工况中适当减小流速可以实现一定减磨防护作用。

关键词：黑水处理系统管道失效 CFD 腐蚀冲蚀

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微矩形凹槽表面液滴各向异性浸润行为的研究

物理学报 2020年第3期69卷 199-205页

作者：乔小溪张向军陈平田煜孟永钢北京科技大学机械工程学院北京100083 清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084

受自然界启发,仿生微结构被广泛用于调控固-液界面的性质.研究显示,液滴在微结构表面的各向异性浸润行为可用于实现微流动方向和速度的控制,且其各向异性浸润与微结构的尺寸和分布等密切相关.本文研究了微矩形凹槽尺寸对液滴各向异性浸... 详细信息

受自然界启发,仿生微结构被广泛用于调控固-液界面的性质.研究显示,液滴在微结构表面的各向异性浸润行为可用于实现微流动方向和速度的控制,且其各向异性浸润与微结构的尺寸和分布等密切相关.本文研究了微矩形凹槽尺寸对液滴各向异性浸润行为的影响规律.结果显示,液滴沿平行沟槽的方向具有较小的运动阻力、易铺展,因此具有较小接触角;而垂直于沟槽方向,由于沟槽的阻隔作用具有较大运动阻力,因而具有较大接触角,并且在垂直方向液滴的浸润过程是三相线一系列钉扎和跳跃行为.在微矩形凹槽表面,液滴沿平行方向接触角θ//与肋板宽度R和凹槽宽度G密切相关,其值与表面固体面积比成反比;而垂直于沟槽方向的接触角θ⊥随肋板宽度R和凹槽宽度G变化基本保持不变.同时各向异性液滴的变形比L/W、特征方向接触角比值θ⊥/θ//与表面固体面积比成正比.研究结果有助于加深理解微结构表面浸润行为的机制,并为微矩形凹槽在微流动控制方向的应用提供技术支持.

关键词：微矩形凹槽各向异性浸润接触角钉扎效应

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液晶在电场和剪切耦合作用下的流变学行为

物理学报 2013年第17期62卷 346-354页

作者：乔小溪张向军田煜孟永钢温诗铸清华大学摩擦学国家重点试验室北京100084

本文通过理论和实验对液晶5CB在剪切和电场耦合作用下流变行为进行了研究.采用液晶连续理论,建立了包括界面锚定能,弹性自由能,介电自由能和流动能在内的系统Gibbs自由能公式,通过最小化系统自由能的方法求解液晶在剪切和电场耦合作用... 详细信息

本文通过理论和实验对液晶5CB在剪切和电场耦合作用下流变行为进行了研究.采用液晶连续理论,建立了包括界面锚定能,弹性自由能,介电自由能和流动能在内的系统Gibbs自由能公式,通过最小化系统自由能的方法求解液晶在剪切和电场耦合作用下的取向分布及其黏度变化,从分子基础模型上揭示了液晶在耦合作用下的流变行为、微观机理及其影响规律,并通过流变测试对此进行验证.对比分析了理论和试验结果的误差和原因,发现界面锚定效应对于液晶分子的取向和黏度具有重要影响.理论和试验结果均表明,液晶在电场作用下具有明显的电黏效应,表现出非牛顿流变行为,其黏度值由剪切和电场的竞争和耦合作用共同决定.在外电场作用下液晶的黏度可以增加到初始值的4倍左右,液晶这种其自身黏度可随着外场(例如运动速度)改变的特性在一定的条件下可以自适应地满足不同工况对黏度的要求,这对实现智能摩擦润滑具有重要的意义.

关键词：液晶流变行为电黏效应耦合作用