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原文传递多层结构下的磨料水射流冲蚀过程和参数优化研究

论文题名：	多层结构下的磨料水射流冲蚀过程和参数优化研究
关键词：	路面清洗;磨料水射流;多层结构;冲蚀过程;参数优化
摘要：	现今多层结构应用领域广泛且清洗需求越来越多：在水利枢纽工程中，船闸启闭机锈蚀清除；船舶等水底装置表面的锈蚀和污染物的清除；在工业方面，管道、油漆等覆层清除；在城市交通方面，路面污渍、道路标线的清洗或清除。本文考虑到实验设备的实际情况，射流压强大小的限制，选用材料强度属性较低易破坏的多层结构进行研究。选取路面污渍和标线的应用场景，将材料假设为路面层、标线层、污渍层三层从而构成多层结构。目前对于该应用场景清除方法包括打磨消除法、铣刨清除法、抛丸清除法、喷砂清除法、天然气燃烧法、苏打喷射清除法、水射流清除法，其中水射流标线清洗方法既满足了对环保的要求，也提高了清除效率和效果，是一种绿色环保高效的清除方法。但大部分研究集中于水射流作用在单层物质上，缺少多层结构下表层材料清除效率与基底材料破坏关系的分析与讨论，因而在实际操作过程中对于射流参数选取需要凭借着操作者的经验，导致清洗效果较差和效率较低。因此，对水射流作用于多层结构物质的相关研究很有必要。　　本文通过设置两种工况来研究多层结构之间清洗和冲蚀的最优参数区间。第一种工况为：去除表层物质但是确保中间层物质尽可能不被破坏；第二种工况为：去除中间层物质但是确保底层物质尽可能不被破坏。具体研究内容包括：　　第一，本文分析了磨料水射流的基本结构和对材料的破坏机理，从理论上阐述了磨料水射流作用于材料的主要形态。　　第二，通过FLUENT软件模拟了磨料水射流在压强为15MPa时混合浓度为5、8、11%的磨料效果，最后得出磨料浓度为5%时效果最佳，选取用于下一章计算的磨料浓度。　　第三，通过LS-DYNA软件模拟了水射流冲蚀材料的作用过程，得出磨料水射流扩散作用下材料表面形态以及冲坑深度的变化过程；分析了材料表面应力随着冲蚀时间的变化，得出最大应力最初并不是集中在凹坑内，而是凹坑下侧，然后再逐渐移动到凹坑内部，最终随着材料的破坏单元删除，凹坑内的最大应力变为0，整个过程中应力集中区域随着冲坑的扩大而逐渐扩散。　　第四，通过LS-DYNA计算得出冲蚀清洗效率与射流主要参数之间的关系，并定性分析了压强和横移速度之间的关系，得出清洗率与清洗压力的0.3次方成正比；清洗率和移动速度的-0.7次方成正比；射流过程中存在关键靶距使得清洗率最大。　　第五，考虑大部分水射流对材料去除的研究中涉及到的是单层物质，清除率的高低可以直接通过对表面破坏面积或破坏深度等得出，单一量就决定了清除效率的高低，而对于多层结构来说，下层材料是否受到破坏与上层材料的清除率之间存在着制约关系，通过改变参数提高对上层材料的清除率的同时要考虑到此种参数组合下是否会对基底材料产生破坏，所以对于多层材料的清除效率来说涉及到各层清除率的综合，为了直观反映这种关系，通过构造目标函数分析最优的射流冲蚀和清洗参数区间。得出破坏表层物质但是确保中间层物质尽可能不被破坏时横移速度在30-40m/min且压强值在10-20MPa时污渍层的清洗效率最佳，横移速度在20-30mm/min且压强值在50-70MPa时污渍层的清洗效率最低，最优的射流参数组合下，能使污渍层产生最大的清除率且尽可能不破坏标线层。去除中间层物质但是确保底层物质尽可能不被破坏清洗效率最佳时参数范围是：横移速度在30-40m/min时且压强为70-80MPa范围内；横移速度在40-50m/min时且压强为80-90MPa范围内；横移速度在50-55m/min时且压强为95-100MPa范围内；横移速度在60-70m/min时且压强为100-110MPa范围内。在横移速度为20-25m/min时，压强高于110MPa时，此时的参数组合对路面破坏程度较大，因而清洗效率均处于较低水平。此外，通过改变材料参数的属性探究了其对最优参数区间变化的影响。
作者：	罗媛媛
专业：	水利工程
导师：	付旭辉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023