一种激波驱动的新型固粒冲蚀试验系统

　　固体颗粒冲蚀广泛存在于电力、石油化工、煤化工、气力输送和航空航天等领域的叶轮机、发动机、泵、阀门、管道、喷嘴及相关设备[1 -2]. 如何降低冲蚀磨损、提高设备寿命一直是工程界和学术界共同关注的焦点[3 -4]. 结合试验研究和理论分析获得各种影响因素与磨损率之间的关系既是研究冲蚀磨损机理的主要方法，也是实现数值仿真预测的基础[5].合理设计试验装置与优化试验方法是确保试验数据准确性的重要前提.

　　固粒冲蚀试验装置主要通过颗粒与试件之间的相对运动实现冲蚀过程，其中颗粒的驱动方式主要有重力、高速气流、离心力作用等. 据不同的冲蚀实现方式，可将试验装置分为自由落体式、风洞式、气流喷沙式、离心加速式、旋转臂式等类型，表 1 简述了各类试验装置的主要参数和存在的问题.

　　由表1可见: 自由落体式仅能进行低速冲蚀试验，气流喷沙式存在反弹颗粒干扰和需定期更换喷嘴等问题，其余类型的试验装置均存在冲击试件表面颗粒质量计量误差的特点. 本文将激波驱动气固两相流原理应用到冲蚀磨损试验，通过激波管产生的激波和高速气流驱动固体颗粒运动，具有结构简单、使用方便、颗粒冲击速度高等特点[19]. 本试验系统解决了冲击试件颗粒质量计算误差问题，并削弱了冲击颗粒与反弹颗粒间相互作用，有望提供 1 种新的固粒冲蚀试验方法.

　　1 试验装置及原理

　　试验装置主要由高压气源、激波管、固定支架、试件台、颗粒收集箱等组成，其结构示意图见图 1。

　　本装置利用激波管产生的激波驱动并加速颗粒，该激波管由高压段、低压段和加速段组成，当低压段为1 个标准大气压时，可实现的最大激波马赫数为2. 3，各段管内径为 25 mm，较 ASTM G76 - 02[20]规定的气流喷沙式管径为 1. 5 mm 大十多倍，故可以削弱冲击颗粒与反弹颗粒间的相互作用[9].

　　激波的产生及其驱动颗粒冲蚀材料的工作原理: 调节减压阀向激波管高压段充气，当膜片两端的压差达到某一临界值时膜片突然破裂，从而产生向低压段传播的激波; 当激波向加速段出口运动的同时，将带动波后气流以相当高的速度运动; 激波遇到颗粒时为其提供初动量，且波后气流对颗粒产生黏性剪切力，使其在加速段提速以达到需要的冲击速度[21]; 高速运动的颗粒冲击到试件表面后引起材料失重，从而实现固体颗粒冲蚀过程.

　　2 测试仪器及试验方法

　　2. 1 测试仪器

　　本试验系统采用动态压力传感器、电荷放大器和动态测试分析仪测量激波速度，其中动态压力传感器( 江苏联能电子，型号为 CY - YD -205) 自振频率大于 100 kHz，电荷放大器( 北戴河兰德公司，BZ2102B - 4) 满量程时误差小于 1. 5% ，动态测试分析仪( 成都泰斯特电子，型号为 TST3106) 采样率为 500 Hz ～ 10 MHz; 采用日本 KEYENCE 公司的VW - 6000 高速摄影仪测量颗粒速度，其最大记录分辨率为 24000FPS; 用精度为 0. 1 mg 的电子分析天平( 上海上平，FA1004) 对试件和颗粒进行称重;通过日本 JEOL 公司的 JSM -5610LV 型扫描电子显微镜( SEM) 获得颗粒及试件表面形貌.