纳米流体冲击射流冷却中的靶面冲蚀磨损机理研究项目摘要

纳米流体冲击射流具有优良的对流换热性能，是一种高热流密度环境下先进的高效强化换热技术，但该射流系统中靶面冲蚀磨损现象的机理目前尚未得到揭示。本项目拟采用理论分析、实验测量和数值模拟相结合的方法对纳米流体冲击射流冷却中的靶面冲蚀磨损机理展开研究，首先由纳米流体冲击射流冷却的两相流热流固耦合分析，获得纳米颗粒的运动特性；以此为基础，基于弹塑性体损伤和浆料流冲蚀理论，分析纳米颗粒、基液和靶面间的相互作用，采用任意拉格朗日-欧拉方法构建起基液裹挟下纳米颗粒与靶面的非线性动力学碰撞模型，探究靶面冲蚀磨损现象的触发、扩展和快速发展等过程，以及物性、几何和工况条件对其影响规律，最终揭示纳米流体冲击射流冷却中的靶面冲蚀磨损特性及机理，同时提炼出考虑靶面冲蚀磨损的系统综合性能评价指标。本研究将为纳米流体冲击射流冷却技术的进一步发展奠定基础，对于发展高效低阻强化传热技术具有重要的科学意义和工程应用价值。

纳米流体冲击射流冷却是一种高热流密度条件下的先进强化换热技术，其靶面冲蚀磨损问题对于系统的高效可靠运行具有重要影响，是该技术进一步发展中亟需解决的关键问题。本项目首先建立了纳米流体冲击射流流动换热分析方法，分析了射流流场结构和换热特性，讨论了几何、流动和物性参数对于流动换热特性的影响规律，并获得了关键性能参数的关联式；对合成射流条件下的纳米流体冲击射流冷却进行分析，获得了不同入口速度波形射流的流动换热特性，尤其分析了波动频率对换热性能的非线性影响规律，同时分析了靶面温度均匀性的控制方法，得到了工况优化匹配方案；对通道内流动换热问题进行了流动换热和熵产分析，重点讨论流体工质非牛顿特性影响下的流动结构演变及换热特性；构建了三维流动换热分析与智能优化算法相耦合的自动优化设计方法，采用采用模式识别算法控制计算和迭代过程，使得强化换热性能得到了大幅提升，为三维流动换热复杂问题的优化提供有效借鉴；构建了纳米流体冲击射流流动换热特性和冲蚀磨损性能实验装置及实验方法，在实施中可综合考虑不同喷嘴与靶面间距离、冲蚀角度、脉动形式以及不同热量等诸多因素对于实际冲蚀磨损的影响，通过不同靶材和纳米流体工质以及不同工况条件下的射流冲击实验结果的比较分析，实现工况的优化匹配，并为纳米流体冲击射流工程应用中材料寿命评估提供依据；构建纳米流体冲击射流热流固耦合分析方法，基于流场中纳米颗粒运动特性，在流动换热分析基础上，重点讨论靶面冲蚀磨损性能的演变规律和机理，得出靶面冲蚀速率受射流速度、局部冲击角度和流体切削角度的共同影响，在靶面驻点区边缘出现极大值，沿出流方向呈现波动式下降趋势，过程中出现多个局部较大值；综合考虑纳米流体冲击射流换热性能，泵功和靶面冲蚀速率，进一步提出了综合性能评价指标，并获得了其参数关联式。本研究将为纳米流体冲击射流系统的高效可靠运行和优化设计提供基础理论和数据支持，并推动其实用化进程。 2100433B

前言

第1章 绪论

1.1 喷嘴的作用和应用

1.2 陶瓷喷嘴的国内外研究状况

1.3 喷嘴的冲蚀磨损研究现状

1.3.1 冲蚀磨损的定义

1.3.2 冲蚀磨损的种类

1.3.3 冲蚀磨损研究简史

1.3.4 陶瓷材料冲蚀磨损机理

1.3.5 陶瓷喷嘴冲蚀磨损的研究

第2章 喷嘴材料与结构

2.1 常用喷嘴材料

2.1.1 金属喷嘴

2.1.2 硬质合金喷嘴

2.1.3 陶瓷喷嘴

2.2 常用喷嘴结构

2.2.1 圆柱形直孔喷嘴结构

2.2.2 锥口喷嘴结构

2.2.3 文丘里喷嘴结构

2.2.4 特种喷嘴结构

2.2.5 组合式喷嘴结构

2.3 水煤浆喷嘴结构

第3章 陶瓷喷嘴的制备及其力学性能和微观结构

3.1 陶瓷喷嘴的制备

3.1.1 原材料的处理

3.1.2 陶瓷喷嘴热压模具的设计

3.1.3 陶瓷喷嘴材料的烧结工艺

3.1.4 陶瓷喷嘴材料性能测试

3.2 碳化硼基陶瓷喷嘴材料的力学性能和微观结构

3.2.1 B4C的晶体结构与性能

3.2.2 B4C/（w，Ti）C陶瓷喷嘴材料的力学性能

3.2.3 B4C/（w，Ti）C陶瓷喷嘴材料的微观结构

3.2.4 B4C/TiC/Mo陶瓷喷嘴材料力学性能

3.2.5 B4C/TiC/Mo陶瓷材料的微观结构

3.3 碳化硅基陶瓷喷嘴材料的力学性能和微观结构

3.3.1 Sic的晶体结构与性能

3.3.2 SiC/（W，Ti）C陶瓷喷嘴材料的力学性能

3.3.3 Sic/（W，Ti）C陶瓷喷嘴材料的微观结构

3.4小结

第4章 陶瓷喷嘴的冲蚀磨损特性

4.1 冲蚀磨损试验工作原理

4.2 冲蚀磨损试验装置

4.3 冲蚀磨损试验用磨料

4.4 陶瓷喷嘴冲蚀磨损的宏观特征

4.4.1 试验条件

4.4.2 陶瓷喷嘴冲蚀磨损的测定

4.4.3 B4C/（W，Ti）C陶瓷喷嘴的冲蚀磨损宏观特征

4.4.4 Al203/（W，Ti）C陶瓷喷嘴的冲蚀磨损宏观特征

4.4.5 硬质合金喷嘴的冲蚀磨损宏观特征

4.4.6 金属喷嘴的冲蚀磨损宏观特征

4.5 陶瓷喷嘴质量损失分析

4.6 陶瓷喷嘴体积冲蚀磨损率对比

4.7 陶瓷喷嘴冲蚀磨损的影响因素

4.7.1 磨料硬度对喷嘴冲蚀磨损率的影响

4.7.2 磨料硬度与喷嘴硬度比（Hp/Ht）对喷嘴冲蚀磨损率的影响

4.7.3 磨料颗粒形状及粒度对喷嘴冲蚀磨损率的影响

4.8 小结

第5章 陶瓷喷嘴冲蚀过程应力分析及其冲蚀磨损机理

5.1 冲蚀过程中磨料颗粒对喷嘴内壁的碰撞分析

5.2 陶瓷喷嘴冲蚀过程中应力的有限元分析

5.2.1 有限元建模

5.2.2 B4C/（W，Ti）C陶瓷喷嘴冲蚀过程中的应力分析

5.2.3 不同材料陶瓷喷嘴的应力对比

5.2.4 不同材料陶瓷喷嘴的最佳人口锥角

5.3 陶瓷喷嘴的冲蚀磨损机理

5.3.1 脆性材料冲蚀理论

5.3.2 陶瓷喷嘴冲蚀磨损模型的建立

5.3.3 陶瓷喷嘴的冲蚀磨损机理

5.4 小结

第6章 梯度功能陶瓷喷嘴及其冲蚀磨损

6.1 梯度功能陶瓷喷嘴设计模型

6.1.1 梯度陶瓷喷嘴设计思想

6.1.2 梯度陶瓷喷嘴物理模型

6.1.3 梯度陶瓷喷嘴组成分布模型

6.1.4 梯度陶瓷喷嘴物性参数模型

6.2 梯度功能陶瓷喷嘴材料的设计

6.2.1 梯度陶瓷喷嘴材料体系设计

6.2.2 梯度功能陶瓷喷嘴残余应力分析模型的建立

6.2.3 组成分布与梯度陶瓷喷嘴残余应力的关系

6.2.4 梯度层厚与梯度陶瓷喷嘴残余应力的关系

6.2.5 梯度层组分差与梯度陶瓷喷嘴残余应力的关系

6.2.6 烧结温度与梯度陶瓷喷嘴残余应力的关系

6.3 梯度功能陶瓷喷嘴材料的制备、物理力学性能及显微结构

6.3.1 梯度陶瓷喷嘴材料的制备

6.3.2 SiC/（W，Ti）C梯度陶瓷喷嘴材料的研制及物理力学性能

6.3.3 梯度陶瓷喷嘴材料的显微结构

6.4 梯度功能陶瓷喷嘴冲蚀磨损机理

6.4.1 试验条件

6.4.2 梯度与非梯度陶瓷喷嘴的质量损失

6.4.3 梯度与非梯度陶瓷喷嘴的内径变化

6.4.4 梯度与非梯度陶瓷喷嘴的内孔轮廓变化

6.4.5 梯度与非梯度陶瓷喷嘴的体积冲蚀磨损率

6.4.6 梯度陶瓷喷嘴冲蚀磨损机理

6.5 小结

第7章 陶瓷水煤浆喷嘴及其冲蚀磨损

7.1 水煤浆喷嘴应满足的要求

7.2 组合式陶瓷水煤浆喷嘴的结构设计

7.2.1 现有水煤浆喷嘴存在的问题

7.2.2 组合式陶瓷水煤浆喷嘴的设计思路

7.2.3 组合式陶瓷水煤浆喷嘴的特点

7.3 陶瓷水煤浆喷嘴冲蚀磨损的试验方法

7.3.1 试验装置

7.3.2 试验条件和检测方法

7.4 陶瓷水煤浆喷嘴的冲蚀磨损特性

7.4.1 陶瓷水煤浆喷嘴的磨损失重

7.4.2 陶瓷水煤浆喷嘴冲蚀磨损影响因素的研究

7.4.3 陶瓷水煤浆喷嘴的使用寿命

7.4.4 陶瓷水煤浆喷嘴的综合效果

7.5 陶瓷水煤浆喷嘴温度场和热应力的分析

7.5.1 陶瓷水煤浆喷嘴温度场和热应力的有限元分析建模

7.5.2 有限元分析的边界条件

7.5.3 陶瓷水煤浆喷嘴温度场分析

7.5.4 陶瓷水煤浆喷嘴热应力分析

7.5.5 出口带锥角的CNW-1陶瓷水煤浆喷嘴的温度场和热应力

7.6 陶瓷水煤浆喷嘴冲蚀磨损机理的研究

7.6.1 陶瓷水煤浆喷嘴冲蚀磨损的宏观特征

7.6.2 水煤浆喷嘴热冲击损坏的理论分析

7.6.3 陶瓷水煤浆喷嘴冲蚀磨损机理

7.6.4 提高陶瓷水煤浆喷嘴抗热冲击性能的措施

7.7 小结

参考文献

附录 作者发表的主要相关文献2100433B