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激光空化在水下假目标中的应用研究

舰船科学技术 2006年第6期28卷 72-74页

作者：李胜勇黄高明刘晓然李敬辉海军工程大学电子工程学院湖北武汉430033 海军指挥学院江苏南京210000

潜艇螺旋桨完全空化后,其对外所辐射的空化噪声是主要噪声源。针对这一特征,考虑利用激光光源在远处水下产生空化噪声作为假目标,用来模拟潜艇螺旋桨产生的空化噪声。对实现该水下对抗方法拟采取的实验研究路线与将建立的伪装系统进行... 详细信息

潜艇螺旋桨完全空化后,其对外所辐射的空化噪声是主要噪声源。针对这一特征,考虑利用激光光源在远处水下产生空化噪声作为假目标,用来模拟潜艇螺旋桨产生的空化噪声。对实现该水下对抗方法拟采取的实验研究路线与将建立的伪装系统进行了初步的探讨和研究。

关键词：激光空化噪声假目标伪装系统

激光空化/活化碳纤维的协同降解机理与应用研究

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激光空化/活化碳纤维的协同降解机理与应用研究

作者：陈新江苏大学

学位级别：硕士

高效环保的有机废水处理技术,是近年来废水处理领域的重点研究方向之一。随着工业的快速发展,含有机污染物的工业废水日益增多,对生态环境和水资源保护构成了更加严峻的威胁。目前传统的废水处理方法能够治理成分简单、浓度较低的无机废... 详细信息

高效环保的有机废水处理技术,是近年来废水处理领域的重点研究方向之一。随着工业的快速发展,含有机污染物的工业废水日益增多,对生态环境和水资源保护构成了更加严峻的威胁。目前传统的废水处理方法能够治理成分简单、浓度较低的无机废水,但危害更大的有机废水至今仍缺乏经济可行、高效环保的处理技术。空化技术是一种先进有机废水处理方法,具有显著的优越性,但其降解效率较低;采用活性碳纤维吸附方法能够快速处理有机废水,但活性碳纤维吸附容量有限,会在吸附后失去活性,再活化较为困难。本文提出激光空化/活化碳纤维协同降解有机废水的方法,采用激光空化技术对无活性或已失活的碳纤维进行活化,同时利用激光空化效应和再生的活性碳纤维协同降解有机废水,实现有机废水的深度降解。本文开展激光空化/活化碳纤维的协同降解机理与应用研究,设计实验测量出激光空泡和冲击波特性,获得激光空化降解机理;研究激光空化过程中产生的羟基自由基特性,并分析溶液p H值变化对自由基浓度的影响;测试活化碳纤维的表面形貌变化规律,获得活性碳纤维吸附降解机理;综合多个实验结果研究激光空化/活化碳纤维的协同降解机理;选用亚甲基蓝溶液作为废水模拟溶剂,设计激光空化降解、活性碳纤维吸附降解和协同降解实验,对比单一处理方法与协同降解方法的实验效果,获得协同降解效果的关键影响因素。具体的研究内容如下:(1)从激光空化理论出发,分析激光空化产生的热、化学和机械效应,阐述激光空化降解原理和激光空化活化碳纤维的机制,根据活性碳纤维吸附降解理论,揭示激光空化/活化碳纤维的协同降解机理。对激光空化作用下碳纤维材料表面的光场进行仿真,研究碳纤维表面产生的局域场增强效应。(2)实验研究激光空化效应,利用高速相机拍摄激光击穿情况和激光诱导空泡特性,获得激光能量对空化效应强度的影响规律;利用光纤水听器检测激光空化过程中的等离子体冲击波以及空泡溃灭冲击波信号,并和激光诱导空泡脉动情况对比,发现两者所对应的空泡脉动周期基本吻合。采用分光光度法研究激光空化化学效应,发现激光空化过程中会产生羟基自由基,其浓度在一定范围内与激光能量和空化时间呈正相关关系,并受到溶液p H值变化的影响;利用扫描电子显微镜观察活化碳纤维表面形貌,发现激光空化能够改变碳纤维表面形貌,形成微纳结构使碳纤维活化加剧;激光空化作用次数越多,微纳结构越多,比表面积越大;但激光空化活化的碳纤维具有时效性,会随着时间的增加慢慢失活。(3)揭示激光空化/活化碳纤维的协同降解机制。发现激光空化会引发热效应降解有机污染物,并激发碳纤维的活化性;激光空化产生的冲击波和微射流使有机物分子上的碳键断裂,同时改变碳纤维表面结构使碳纤维得到活化;激光空化生成自由基降解有机废水,在碳纤维表面引入含氧官能团提高其活性。激光空化的机械效应提升液体中的传质效率,活化碳纤维的吸附过程加快空化降解的速率,两者相辅相成产生协同作用降解有机废水。(4)实验研究单一方法和协同方法对亚甲基蓝有机废水的降解效果,获得协同方法降解效果的关键影响因素。结果表明:激光空化/活化碳纤维协同降解方法在有机废水处理中有着显著的优越性,降解速度更快,降解率更高。激光能量为48m J时,激光空化/活化碳纤维协同方法降解30分钟后,在不同浓度的亚甲基蓝溶液中都能保持90%以上的降解率,而单独激光空化降解方法和活性碳纤维吸附降解方法降解率较低,并且难以降解高浓度有机废水。激光空化/活化碳纤维协同降解方法随着激光能量增加降解效果增强;亚甲基蓝溶液浓度较高时需要高激光能量来达到良好的降解效果。

关键词：有机废水激光空化活化碳纤维协同降解空泡

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基于激光空化技术的酸性黑溶液降解特性研究

激光技术 2023年第5期47卷 613-619页

作者：刘澳顾嘉阳罗春晖童照鹏戴子杰任旭东江苏大学机械工程学院镇江212013

为了研究激光技术在废水降解领域中的应用,采用激光诱导空化技术对酸性黑溶液进行降解,通过紫外分光光度计对降解后的溶液进行分析表征,获得激光能量和溶液初始质量浓度对降解能力的影响;结合空泡动力学理论和空化化学效应,揭示了激光... 详细信息

为了研究激光技术在废水降解领域中的应用,采用激光诱导空化技术对酸性黑溶液进行降解,通过紫外分光光度计对降解后的溶液进行分析表征,获得激光能量和溶液初始质量浓度对降解能力的影响;结合空泡动力学理论和空化化学效应,揭示了激光空化降解酸性黑溶液的机理。结果表明,随着激光能量的增加,初始质量浓度为20 mg/L的酸性黑溶液的降解率从0.78%逐步增加到27.28%;在100 mJ激光能量下,当溶液中酸性黑溶液的初始质量浓度从5 mg/L提升至20 mg/L时,降解率从98.55%降低至7.63%;激光能量越高,降解率越大;初始质量浓度过大,则激光空化难以对酸性黑溶液进行降解。该研究推进了激光空化降解染料等有机废水技术的发展。

关键词：激光技术降解率激光空化初始质量浓度激光能量

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304不锈钢激光空化微造型实验研究

制造技术与机床 2023年第11期 53-58页

作者：林思浩王冠广东工业大学机电工程学院广东广州510006

针对304不锈钢激光空化微造型进行了实验研究,重点研究了激光焦点位置、激光能量和激光作用次数这3个主要因素对304不锈钢材料表面微造型的影响规律,采用激光共聚焦显微镜对304不锈钢材料表面微造型的形貌进行观察测量,并运用相关理论... 详细信息

针对304不锈钢激光空化微造型进行了实验研究,重点研究了激光焦点位置、激光能量和激光作用次数这3个主要因素对304不锈钢材料表面微造型的影响规律,采用激光共聚焦显微镜对304不锈钢材料表面微造型的形貌进行观察测量,并运用相关理论对实验现象和结果进行具体分析。

关键词：激光空化微造型 304不锈钢

2A02铝合金的激光空化强化机理与羟自由基影响实验研究

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2A02铝合金的激光空化强化机理与羟自由基影响实验研究

作者：王德顺江苏大学

学位级别：硕士

空化是水利机械中的一种特有现象,通常会造成空蚀破坏,严重时甚至引发事故。由于空化中会产生空泡溃灭微射流和冲击波现象,促使研究人员利用空化所产生的极端物理条件进行空化强化方面的研究。激光空化泡具有球对称性好、易控制等优点,... 详细信息

空化是水利机械中的一种特有现象,通常会造成空蚀破坏,严重时甚至引发事故。由于空化中会产生空泡溃灭微射流和冲击波现象,促使研究人员利用空化所产生的极端物理条件进行空化强化方面的研究。激光空化泡具有球对称性好、易控制等优点,正逐渐成为空化领域的研究热点。本文探究了激光空化机理,实验研究了激光能量和离焦量对于2A02靶材机械性能的影响;验证了激光空化与水力空化和超声波空化类似,空化过程中会产生羟自由基,同时分析了激光能量和离焦量对于羟自由基含量的影响,提出将羟自由基浓度作为激光空化强度的特征值用来表征激光空化对于2A02靶材机械性能的影响,并最终确定了激光空化的最佳实验参数以及用于衡量2A02靶材性能强化效果的羟自由基浓度阈值,获得了以下主要结论和研究成果:(1)实验研究不同激光能量和离焦量下,激光空化对于2A02靶材表面残余应力和表面形貌的影响,获得了空泡溃灭过程中空泡微射流、冲击波以及激光冲击对靶材的作用机理,探究了激光空化强化机制。研究发现:激光空化会在靶材表面产生类圆形影响区域,且随着激光能量的增大靶材表面残余应力值和表面影响区的半径都随之变大;靶材性能的强化效果随着H值的增加,先增加后减小。在H=1mm时,靶材表面残余应力值最大,表面形貌最好,达到了最佳的强化效果。(2)对比分析了用于检测羟自由基含量的不同方法,建立了定量检测羟自由基含量的优化方法,确定了捕捉剂及检测液的浓度;通过对比观察吸光度值的变化,证实了激光空化与水力空化一样均会产生羟自由基;实验发现激光等离子体与靶材的相互作用对羟自由基含量也有影响,并进一步研究了不同激光能量和离焦量下,羟自由基含量的变化,进而确定了羟自由基浓度达到最大时的实验参数。研究发现:当H一定时,羟自由基浓度(激光空化强度)随着激光能量的提升而加速增强;当H=1mm时,羟自由基量最多,激光空化强度最强。(3)通过探究羟自由基含量与2A02靶材表面残余应力值之间的关系,验证了激光空化对于靶材机械性能的影响规律;并重点分析了羟自由基含量(化学强化效应)与靶材表面性能强化(机械性能强化)的关系,获得了使2A02靶材表面性能发生明显强化时的羟自由基浓度阈值C·OH1。研究发现:当C·OH?C·OH1时,2A02靶材表面会呈现明显强化效果;当C·OH

关键词：空化泡激光空化羟自由基残余应力激光能量离焦量

基于激光空化强化提升铸铁材料抗空蚀性能研究

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基于激光空化强化提升铸铁材料抗空蚀性能研究

作者：何浩江苏大学

学位级别：硕士

空化是一种常见于水力设备中的流体现象,而空化引起的空蚀破坏问题则严重影响着水力机械等部件的安全性能。本文主要以水泵中最为常见的铸铁材料为研究基体,利用ANSYS软件中流固耦合模块对激光诱导空泡溃灭时产生的高速微射流速度及其... 详细信息

空化是一种常见于水力设备中的流体现象,而空化引起的空蚀破坏问题则严重影响着水力机械等部件的安全性能。本文主要以水泵中最为常见的铸铁材料为研究基体,利用ANSYS软件中流固耦合模块对激光诱导空泡溃灭时产生的高速微射流速度及其对材料的冲击压力进行了模拟研究,分析不同激光参数下空化作用对铸铁材料基体形变、应力分布等影响;同时搭建了激光空化实验平台,研究激光空化作用对铸铁试样性能的影响,并通过超声波空蚀试验,对比分析了激光空化作用前后材料在不同空蚀时间段内的空蚀行为。主要的研究内容及结果如下:(1)在ANSYS仿真软件中采用流固耦合方法,结合VOF多相流模型、激光热效应公式等仿真变量对近壁面空泡溃灭时产生的微射流速度大小及冲击作用压力等现象进行探讨,发现随着离焦量H的不断增加,空泡溃灭微射流的速度及其形成的冲击压力值呈现出先增大后急剧减小的变化趋势,并在H=1mm时达到最大值;同时将流体域中高速微射流等计算结果引入固体域仿真中,计算分析不同参数下激光空化作用对铸铁材料形变、应力分布等性能的影响,研究表明激光空化作用后铸铁材料中的残余压应力最终呈半球状分布,而试样中的最大残余压应力值则出现在作用区域的亚表层。(2)采用激光空化实验方法,探讨不同激光能量、离焦量参数条件下的激光空化作用对铸铁表面三维形貌及残余应力分布的影响,研究表明随着能量的增加,铸铁试样表面作用区域的最大深度及残余压应力值也随之增大;而随着离焦量H的增加,作用区域的残余压应力则呈现出先增大后减小的规律,并在离焦量H=1mm时达到峰值,同时归纳总结出激光空化对铸铁试样作用机制的三个阶段,并验证了模拟结果的正确性和流固耦合仿真方法的可行性。(3)分析铸铁基体在空蚀破坏作用下微观形貌、空蚀失重等参数的影响关系,详细阐述了铸铁基体表面在不同阶段所对应的裂纹萌生、裂纹扩展、塑性变形堆积、表层材料剥落等空蚀机制;同时对激光空化作用区域在空蚀不同时间段内的形貌及硬度变化的原因进行分析,阐述了不同激光能量参数对铸铁试样抗空蚀性能的影响以及激光空化作用区域变形破坏的空蚀机制,研究表明随着激光能量的增加,作用区域的硬度提升也越明显,对铸铁材料进行空蚀破坏时,试样表面会出现一定的塑性变形和加工硬化现象,硬度也呈现出先增大后减小的变化趋势,而随着离焦量H的增加,铸铁表面作用区域面积的缩减量以及缩减速率都呈现出先减小后增大的变化关系,并当H=1mm时达到最小值。

关键词：激光空化微射流水锤压力空蚀失重量空蚀形貌抗空蚀性能

沙水环境下激光诱导空化特性及6061铝合金空蚀机理研究

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沙水环境下激光诱导空化特性及6061铝合金空蚀机理研究

作者：张鹏华江苏大学

学位级别：硕士

船底外板、侧板和管道等零部件在服役过程中常年暴露于水域环境中,水域中富含的固体颗粒会促进空化的发生,加速船用零部件的损伤进程。本文针对沙水环境中空蚀作用机理复杂的问题,提出利用激光诱导空化技术以探究沙水环境中所含颗粒特... 详细信息

船底外板、侧板和管道等零部件在服役过程中常年暴露于水域环境中,水域中富含的固体颗粒会促进空化的发生,加速船用零部件的损伤进程。本文针对沙水环境中空蚀作用机理复杂的问题,提出利用激光诱导空化技术以探究沙水环境中所含颗粒特性对空化空蚀的影响。搭建激光诱导空化装置,采用含有颗粒的水基悬浮液模拟沙水环境,结合高速摄影技术和水听器技术,实验研究悬浮液中的空泡脉动特性;以船用6061铝合金作为研究对象,分析悬浮液中颗粒尺寸对其表面空蚀行为的影响,阐明悬浮液中颗粒尺寸对船用合金的空蚀作用机制;利用电化学实验,探究6061铝合金在颗粒粒径不同的悬浮液中空蚀后,耐腐蚀性能的演变规律。论文主要研究内容和结果如下:（1）理论分析激光诱导空泡动力学特性,从空泡初生机理、动力学理论和影响因素三个角度对空泡的特性进行探究。在此基础上,分析了金属固壁面附近的空泡溃灭效应和空蚀机理,为后续研究粒径不同的颗粒悬浮液中的空泡脉动特性和铝合金的空蚀机理提供理论依据。（2）基于激光诱导空化实验平台,结合高速摄像机和水听器技术,研究了无限域中和金属固壁面附近,不同粒径的颗粒对空泡脉动行为的影响。结果表明:无限域中的固体颗粒会使空泡数增加,空泡数量的变化与激光能量和固体颗粒尺寸均相关;在金属固壁面附近,同一激光能量下,空泡最大直径、空泡脉动周期以及诱导空泡产生的两次冲击波在含有60目固体颗粒的悬浮液环境中达到峰值,随着颗粒尺寸减小,由于细小的固体颗粒对激光能量的削减作用,冲击波值呈下降趋势。（3）分析了粒径不同的悬浮液环境中,激光诱导空化对6061铝合金表面空蚀的影响,基于表面形貌、粗糙度和残余应力的分析结果揭示空化空蚀机理。结果表明:悬浮液中固体颗粒尺寸的减小会增大空化作用下铝合金表面的塑性变形,并增加表面的粗糙度,而且加剧铝合金表面的空蚀。结合粒径不同的悬浮液中的空泡脉动特性,建立激光诱导空泡空蚀和颗粒侵蚀的模型,揭示颗粒尺寸对空化效应的影响及其对船用铝合金的空蚀机制。（4）利用电化学工作站研究在粒径不同的悬浮液中空蚀后6061铝合金试样的腐蚀性能。结果表明:与在去离子水中相比,6061铝合金在悬浮液中空蚀后,空蚀试样表面的钝化膜易于发生活化,会削弱抗腐蚀性能。并且悬浮液中所含有的颗粒尺寸越小,空蚀之后试样的钝化膜破坏程度越大,导致抗腐蚀性能削弱程度越高。

关键词：激光空化颗粒尺寸脉动特性空蚀性能腐蚀性能

含沙条件下激光诱导空泡特性及空化空蚀机理研究

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含沙条件下激光诱导空泡特性及空化空蚀机理研究

作者：石佑敏江苏大学

学位级别：硕士

流体的空化现象通常对水力机械产生空蚀破坏效果,水力机械运行工况一般为泥沙环境,此环境下颗粒冲击侵蚀和空化空蚀综合作用会加快设备空蚀进程,严重缩短其寿命。针对含沙环境中空蚀作用过程复杂、损伤严重的问题,采用可控性好、球对称... 详细信息

流体的空化现象通常对水力机械产生空蚀破坏效果,水力机械运行工况一般为泥沙环境,此环境下颗粒冲击侵蚀和空化空蚀综合作用会加快设备空蚀进程,严重缩短其寿命。针对含沙环境中空蚀作用过程复杂、损伤严重的问题,采用可控性好、球对称性强的激光空化技术可以有效的分析含沙条件下材料表面的空蚀机制。本文以实验研究为主,构建了激光诱导空化实验平台,将实验平台与高速摄影技术相结合,研究沙水环境中无限域及固壁面两种结构下激光诱导空泡的脉动特性;采用纯铝材料作为沙水环境激光诱导空化的研究对象,通过表面性能分析材料空蚀效果;在此基础上研究并获得了沙水环境中沙粒及空泡对材料表面空蚀作用机制。主要的研究内容及结果如下:(1)理论分析了空泡的产生机理,并以空泡动力学为基础,对空泡初生和脉动过程的影响因素进行探究;研究了空泡在固壁面附近脉动时产生冲击波及微射流的力学效应,同时对两种损伤机制的作用强度大小进行分析;为空泡的脉动规律及近壁面条件下空化空蚀的实验研究提供了理论依据。(2)采用高速摄影技术获取了无限域及固壁面两种结构下空泡脉动序列图,分析了两种结构下沙粒对空泡脉动的影响。重点探讨了空泡数量、最大半径及脉动周期随激光能量及沙粒浓度的变化趋势。实验结果表明,在无限域中,沙粒能降低液体击穿阈值,增加空泡数量;在无限域和固壁面两种结构下,随着激光能量的增大,空泡的最大半径及脉动周期均呈现增大的趋势,随着沙粒浓度的增大而减小,但无限域中沙粒浓度为1.0%时会出现局部峰值。(3)通过实验获得了沙水环境下激光诱导空化对纯铝表面的空蚀作用,表征分析了激光能量及沙粒浓度对纯铝表面微观形貌、粗糙度、残余应力及硬度的影响。结果表明:激光能量和沙粒浓度的增加均能缓解纯铝表面空蚀形貌,使材料表面塑性变形减小,同时沙粒的冲击作用会降低材料表面粗糙度;材料表面的力学性能随着激光能量和沙粒浓度增大而提高,表明激光空化与沙粒侵蚀的复合作用效果要大于空泡空蚀的单一作用。(4)将沙水环境中空泡的脉动特性及纯铝表面的空蚀性能研究相结合,建立了沙水环境中激光诱导空化及颗粒冲击侵蚀模型,揭示了不同沙粒浓度下纯铝表面空蚀作用机制。总结获得了在一定沙粒的浓度范围内,颗粒冲击侵蚀一定程度上能够缓解纯铝表面形态并提高力学性能。

关键词：激光空化沙水环境空泡脉动空蚀性能空蚀机制

AZ31B镁合金的近壁面激光诱导空泡特性及空化强化研究

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AZ31B镁合金的近壁面激光诱导空泡特性及空化强化研究

作者：李祥江苏大学

学位级别：硕士

空化是一种广泛存在于流体中的现象,伴随着微射流和冲击波力学效应,通常会对水力机械造成严重破坏,且损害极大,但控制空化过程的力学效应可实现材料表面的强化,转害为宝。采用激光诱导空化空泡强化材料,具有球对称性好、易操作、稳定性... 详细信息

空化是一种广泛存在于流体中的现象,伴随着微射流和冲击波力学效应,通常会对水力机械造成严重破坏,且损害极大,但控制空化过程的力学效应可实现材料表面的强化,转害为宝。采用激光诱导空化空泡强化材料,具有球对称性好、易操作、稳定性强等独特优势。本文通过搭建激光诱导空化空泡实验平台,并采用高速摄影技术研究激光诱导空泡在多种壁面的脉动特性及其影响因素,深入分析空化机理;采用激光诱导力学效应强化AZ31B镁合金材料,通过表面形貌、硬度和残余应力等性能来表征强化效果,为激光空化强化技术提供理论和实验基础。本文主要研究内容以及结论如下:(1)根据空泡动力学理论分析,研究激光空泡在无限域和近壁面的“初生-膨胀-收缩”脉动规律以及空泡在脉动过程中产生微射流和冲击波力学效应,为空化强化实验提供理论依据。实验研究获得了激光诱导空泡在水平单壁面、竖直单壁面、平行双壁面、垂直双壁面和U形壁面的瞬态特性规律。研究结果表明:空泡在五种近壁面脉动和不同参数影响下均会产生趋壁效应;由于固液界面压力不平衡,空泡在竖直壁面脉动且离焦量小于2时,空泡脉动过程中产生微射流;当离焦量不同时,激光诱导空泡在平行壁面、U形壁面附近脉动,空泡会发生偏移并且向偏移壁面产生微射流现象;空泡在U形壁面脉动时,发现空泡产生分离聚合现象。(2)研究获得了水平单壁面的激光诱导空泡脉动特性,分析激光能量和离焦量等因素对空泡脉动特性的影响。结果表明:激光能量越大,空泡脉动周期越长,空泡最大半径越大;激光离焦量对空泡最大膨胀半径影响不大,对空泡脉动周期具有一定影响;离焦量越小,壁面对空泡的影响越显著,抑制空泡脉动,周期相对较长。(3)通过实验获得了激光空化对AZ31B镁合金轻质材料的强化作用,测试各种参数对镁合金材料表面形貌、硬度和残余应力的影响。结果表明:激光能量越大,且离焦量H=1时,材料表面越平整,硬度越高,残余压应力越大,表明激光空化强化的表面改性技术具有可行性和实用价值。

关键词：激光空化空泡微射流趋壁效应残余应力