超高壓水射流中空化現(xiàn)象對(duì)輪胎破碎作用研究

宋守許　查　輝　田光濤　余德橋

合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009

超高壓水射流中空化現(xiàn)象對(duì)輪胎破碎作用研究

宋守許查輝田光濤余德橋

合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009

為了探討超高壓水射流破碎輪胎過程中,沖擊波和微射流的作用機(jī)理,基于FLUENT軟件環(huán)境,采用VOF模型求解Navier-Stokes方程,數(shù)值模擬了近壁面的空泡潰滅過程,結(jié)果表明,射流沖擊物面時(shí)，空泡潰滅產(chǎn)生的壓力脈沖遠(yuǎn)大于微射流產(chǎn)生的沖擊壓力。結(jié)合超高壓水射流破碎輪胎試驗(yàn)，通過對(duì)胎面膠的切槽斷面形貌進(jìn)行觀察,研究了微射流和沖擊波對(duì)橡膠材料的破壞作用,認(rèn)為橡膠材料在受到空化作用破壞時(shí),表現(xiàn)出明顯的沖擊脆化現(xiàn)象,微射流在材料壁面沖擊出邊緣齊整的針孔狀形貌，沖擊波引發(fā)材料產(chǎn)生拉伸破壞。

超高壓水射流;空泡潰滅;沖擊波;微射流

0　引言

隨著汽車工業(yè)及交通運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，日益增加的廢舊輪胎成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年，我國(guó)廢舊輪胎產(chǎn)生量約為2.5億條。這些被稱為黑色污染物的廢舊輪胎難以降解，給處理工作帶來了極大麻煩。目前其處理方法主要有三類：整體利用、生產(chǎn)膠粉和能源利用。其中廢舊輪胎破碎分離后得到的橡膠粉用途廣泛,因此,研究高效經(jīng)濟(jì)、清潔環(huán)保的輪胎橡膠破碎方法對(duì)廢舊輪胎的回收利用具有重要意義。高壓水射流是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù),目前已在清洗、切割、石油鉆孔、海洋開發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用[1]。作為一種超細(xì)粉碎技術(shù),水射流具有清潔安全的特點(diǎn)。利用超高壓水射流破碎廢舊輪胎，實(shí)現(xiàn)廢舊輪胎的回收，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保價(jià)值。

盡管水射流破碎技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，但對(duì)水射流作用下的破碎機(jī)理，學(xué)者們依然沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[2-3]，其中空化現(xiàn)象產(chǎn)生的沖擊波和微射流對(duì)輪胎的破碎作用研究較少[4-5]。空化現(xiàn)象是指流體流動(dòng)過程中局部壓力低于飽和蒸汽壓力時(shí)出現(xiàn)的空泡生成、長(zhǎng)大及潰滅的現(xiàn)象。當(dāng)含有這些空泡的水射流沖擊物體時(shí),空泡在物體表面及其附近破裂，由于空泡破裂時(shí)產(chǎn)生的能量高度集中并局限在極小的面積上,從而在物體表面局部區(qū)域產(chǎn)生極高的沖擊壓力和應(yīng)力集中，使物體表面迅速被破壞。

空泡潰滅理論研究最早可追溯到1917年Rayleigh提出的球?qū)ΨQ空泡運(yùn)動(dòng)方程。隨后,在對(duì)空泡產(chǎn)生、發(fā)展、潰滅機(jī)理深入研究的基礎(chǔ)上[6-8],Kohl等將空化作用引入高壓水射流技術(shù)領(lǐng)域,創(chuàng)造了空化水射流[9-11]?？栈饔脤?duì)物體表面造成空蝕破壞的機(jī)理有機(jī)械作用理論、化學(xué)腐蝕理論、電化學(xué)理論、熱作用理論等。機(jī)械作用理論認(rèn)為，表面空蝕破壞是由于空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生微射流和沖擊波的強(qiáng)大沖擊作用所致,這種觀點(diǎn)為大多數(shù)人所接受[12]。本文基于FLUENT軟件環(huán)境,采用VOF模型求解Navier-Stokes方程，數(shù)值模擬近壁面空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波和微射流,結(jié)合超高壓水射流破碎輪胎試驗(yàn),通過對(duì)胎面膠的斷面微觀形貌進(jìn)行觀察,研究微射流與沖擊波對(duì)橡膠材料的破壞作用,從而為超高壓水射流作用下輪胎破碎機(jī)理研究提供參考。

1　空化數(shù)

天然水中含有大量不溶于水的直徑為10-3～10-4mm的小氣泡,這些小氣泡稱為氣核。射流系統(tǒng)中在噴嘴的收縮段，流速變大，壓力降低，當(dāng)壓力降低到低于液體的蒸汽壓時(shí),液體就以氣核為基礎(chǔ)形成空化氣泡。大量的空泡在噴嘴處形成后由射流帶走，空泡隨射流運(yùn)動(dòng)，形成空泡云，空泡云實(shí)為液氣混合體。

在射流系統(tǒng)中，決定空化效果強(qiáng)弱的關(guān)鍵因素為量綱一參數(shù)——空化數(shù)σ,空化數(shù)是抑制空化產(chǎn)生的力與促使空化產(chǎn)生的力之比[13],即

(1)

式中,pv為飽和蒸汽壓力；u0為噴嘴出口速度；p∞為環(huán)境壓力(圍壓);ρ為流體密度。

空化數(shù)σ表征流場(chǎng)中是否出現(xiàn)空化和出現(xiàn)空化的程度。σ值越大流場(chǎng)越不容易空化，反之，越易產(chǎn)生空化。

2　空泡潰滅過程數(shù)值模擬

2.1計(jì)算模型

空泡潰滅過程受潰滅時(shí)其周圍流場(chǎng)的影響,如壓力、速度以及壁面條件等，此外還涉及熱效應(yīng)等因素，本文僅從空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊力的角度描述、簡(jiǎn)化問題。作如下假設(shè)：①氣泡中的氣體為純水蒸汽，忽略不可凝結(jié)性氣體；②不考慮空泡隨射流液體運(yùn)動(dòng)時(shí)的變形，潰滅開始時(shí)空泡為球形，忽略重力影響;③不計(jì)流場(chǎng)和空泡內(nèi)的溫度變化；④忽略表面張力和液體壓縮性的影響;⑤在空泡潰滅問題中，由于空泡體積較小，在空泡縮小變形過程中，忽略空泡內(nèi)因蒸汽液化進(jìn)入流場(chǎng)的液體量，并認(rèn)為空泡在潰滅初始時(shí)恰好達(dá)到最大半徑。

當(dāng)外部壓力超過0.1 MPa時(shí),空泡與液體介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度差別所引起的空泡潰滅時(shí)間變化就不明顯[14],因此物理模型可以簡(jiǎn)化為靜止流場(chǎng)中空泡在壁面附近的潰滅，且空泡在潰滅初始時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度為0。由于空泡潰滅為軸對(duì)稱過程，為簡(jiǎn)化計(jì)算，物理模型如圖1所示，計(jì)算區(qū)域?yàn)檫呴L(zhǎng)為1 mm的正方形,半圓形區(qū)域?yàn)榘肟张?，其中AB和BC為壓力邊界，OC為固體壁面，AO為對(duì)稱軸，R為空泡初始半徑，H為初始時(shí)刻空泡中心到壁面的距離。

圖1　物理模型

2.2初始條件

對(duì)于本文的空泡潰滅物理模型，假設(shè)流場(chǎng)靜止，一個(gè)充滿理想氣體的空泡置于壁面附近。將初始時(shí)刻空泡內(nèi)的氣體壓力設(shè)為水的飽和蒸汽壓力。由于空泡內(nèi)外存在壓力差，所以空泡將變形、收縮，直至潰滅消失。非淹沒條件下，空泡外流體壓力各處相等，空泡潰滅過程的最大半徑取決于空泡周圍的初始?jí)毫?，其?shù)值見表1，在該壓力下取空泡最大半徑R為25 μm。定義近壁泡潰滅特征距離M為空泡中心到壁面初始距離H與空泡初始半徑R的比值，即M=H/R。射流中的空泡在噴嘴內(nèi)產(chǎn)生并隨射流一起沖擊到物面，因而射流中的空泡屬游離的運(yùn)動(dòng)空泡，而非附壁空泡，顯然M>1。由于空泡潰滅產(chǎn)生的壓力隨距離H增大而快速衰減,M越小,空泡潰滅的作用力越大，因此取M=1.1,即空泡中心到壁面的距離為27.5 μm。

表1　初始條件

2.3邊界條件及網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域集中在半圓形區(qū)域,因此此處網(wǎng)格需要加密,采用品質(zhì)較高的Pave方式劃分Quad/Tri類型的網(wǎng)格;而外圍區(qū)域的形狀較為規(guī)

則,采用Map方式劃分Quad類型的網(wǎng)格,整個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量為74 391。

2.4基本控制方程

連續(xù)性方程為

(2)

式中,u為流體速度矢量;t為時(shí)間;為哈密頓微分算子。

Navier-Stokes方程為

(3)

式中，μ為流體的動(dòng)力黏度;p為流體微元體上的壓力。

界面方程?？张萁缑娌捎肰OF方法求解,VOF將界面看作物質(zhì)面。引入流體體積分?jǐn)?shù)函數(shù)f來實(shí)現(xiàn)界面跟蹤(f表示流體在網(wǎng)格中占據(jù)空間的比例),從而將離散網(wǎng)格分成三類:f=1,f=0以及0

(4)

運(yùn)用FLUENT軟件模擬空泡潰滅過程,選用壓力基求解器，時(shí)間采用隱式格式,空間采用迎風(fēng)格式。壓力插值算法采用PRESTO!方法，壓力與速度耦合采用PISO算法。時(shí)間步長(zhǎng)為10-9s,固定步長(zhǎng)求解。

3　計(jì)算結(jié)果

3.1潰滅過程中空泡形態(tài)的變化

圖2　潰滅過程中空泡形態(tài)的變化

空泡在周圍壓力作用下向中心收縮并向壁面偏移，形態(tài)變化如圖2所示,從圓形→橢圓→心形，最后潰滅?？张菰跐绯跏茧A段，由于內(nèi)外壓力差，周圍流體對(duì)其做功使其收縮，但收縮速度較小，壁面對(duì)其影響尚未體現(xiàn)出來，因此收縮時(shí)仍保持圓形形態(tài)。隨著潰滅的進(jìn)行，空泡收縮速度加快，空泡頂端的水體不受限制，收縮對(duì)其影響不大，液體密度保持不變。近壁面處的液體受壁面限制，周圍的水體來不及填充，因此該處密度變小且越接近主軸線區(qū)域，其變化越大。由于空泡周圍液體密度分布不均勻，泡壁收縮速度不一樣，下部區(qū)域由于密度較小，收縮速度相對(duì)較慢，遠(yuǎn)離壁面的頂部收縮速度明顯大于其他部位，因此在空泡頂部產(chǎn)生向壁面的凹陷。另外由于空泡上下半球的壓力差導(dǎo)致空泡向壁面移動(dòng)(趨壁效應(yīng))。

理想球形空泡潰滅時(shí)間可通過下式計(jì)算:

(5)

由式(5)計(jì)算得出的理想孤立球形空泡(不考慮黏性和固壁條件的影響)潰滅時(shí)間為2.271 μs。由圖3可知,仿真結(jié)果為6.947 μs,由此可知，黏性和壁面的影響延緩了空泡潰滅過程，黏性越大,空泡離壁面越近，潰滅時(shí)間越長(zhǎng)。

圖3　空泡潰滅在固壁上產(chǎn)生的壓力脈沖

3.2空泡潰滅產(chǎn)生的微射流

當(dāng)空泡頂部的凹陷到達(dá)底部并貫穿整個(gè)空泡時(shí)形成高速微射流而沖擊壁面?？张轁鐣r(shí),空泡周圍的液體在大氣壓力作用下向空泡中心運(yùn)動(dòng)，填充空泡收縮的空間，而壁面附近的液體由于受壁面限制，液體的填充速度較低，導(dǎo)致空泡底部的泡壁收縮速度最小，從而產(chǎn)生指向壁面的凹陷，形成垂直指向壁面的微射流[15]?？张轁鐣r(shí)的速度矢量如圖4所示。

圖4　速度矢量圖

空泡被擊穿產(chǎn)生環(huán)泡的瞬間產(chǎn)生的微射流速度高達(dá)49.758 m/s。由于空泡離固壁的初始距離較小，且空泡在潰滅過程中具有趨壁效應(yīng)，因此固壁處的微射流速度近似等于49.758 m/s。靶體在射流沖擊作用下，其受到的沖擊壓力根據(jù)時(shí)間變化可分水錘壓力和滯止壓力兩個(gè)階段。在射流作用初期較短的時(shí)間內(nèi)，在射流與靶物的高速碰撞下會(huì)形成射流壓縮區(qū)，水被壓縮的同時(shí)也會(huì)在靶面上形成具有強(qiáng)沖蝕效力的峰值壓力，即水錘壓力。高速微射流射向固體壁面時(shí)產(chǎn)生較高的水錘壓力，可通過水錘方程計(jì)算：

(6)

式中,ρL、ρs分別為液體、固體的密度;cL、cs分別為液體、固體中的聲速;v為流體指向壁面的速度。

由于聲音在輪胎橡膠中的傳播速度與水中的速度接近,且兩者密度也接近，因此水錘方程可簡(jiǎn)化為

(7)

其中，cL取1500 m/s，ρL為1000 kg/m3?？捎?jì)算出由水錘作用對(duì)橡膠壁面產(chǎn)生的壓力為37.32 MPa。另外，微射流的直徑不超過氣泡直徑的10%，一般為2～3 μm。

3.3空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波

如圖5所示,空泡潰滅產(chǎn)生的潰滅壓力高達(dá)494.48 MPa,但由于沖擊波衰減較快，空泡潰滅在壁面產(chǎn)生的壓力脈沖的壓力峰值為93.54 MPa，如圖3所示。

圖5　潰滅時(shí)壓力云圖

4　超高壓水射流破碎輪胎試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)設(shè)備、材料和參數(shù)

試驗(yàn)材料采用廢棄的汽車子午線輪胎米其林Energy XM1系列，型號(hào)為205/65R15 94H，使用最高壓力為380 MPa的DWJ1525-FB型超高壓水切割機(jī)對(duì)輪胎復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行非淹沒條件下的破碎分離試驗(yàn),試驗(yàn)過程不添加磨料,試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2　試驗(yàn)參數(shù)

4.2試驗(yàn)結(jié)果

使用超高壓水射流設(shè)備對(duì)子午線輪胎復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行破碎分離后,收集破碎得到的輪胎橡膠斷面進(jìn)行掃描電鏡觀察分析。不同泵壓下的復(fù)合結(jié)構(gòu)斷面微觀形貌如圖6所示，可知不同的泵壓下,得到的橡膠斷面的微觀形貌具有較大差別。在其他參數(shù)不變的情況下，沖擊壓力越大，針孔狀凹坑越少。

(a)泵壓力200 MPa

(b)泵壓力240 MPa

(c)泵壓力280 MPa

(d)泵壓力320 MPa圖6　胎面膠斷面微觀形貌

5　分析與討論

觀察圖6輪胎橡膠斷面掃描電鏡圖可知，在胎面膠斷面微觀形貌中分布有許多直徑小于10 μm的針孔狀凹坑,且凹坑的邊緣齊整。在其他參數(shù)相同、泵壓不同的條件下，200 MPa時(shí)斷面針孔狀凹坑數(shù)目最多。

在水射流沖擊固體物面的短暫過程中涉及流體、固體和流固耦合等眾多學(xué)科，水射流作用下材料的破壞和失效問題相當(dāng)復(fù)雜。目前水射流作用下的破碎機(jī)理可以歸為以下幾種理論：準(zhǔn)靜態(tài)彈性破碎理論、應(yīng)力波破碎理論、空化破碎理論、裂紋擴(kuò)展破碎理論等[16]。準(zhǔn)靜態(tài)彈性破碎理論將射流的沖擊力視作準(zhǔn)靜態(tài)的集中力，其大小等于射流滯止壓力，分析射流打擊在材料上產(chǎn)生的應(yīng)力波，以材料的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度作為材料破壞的判據(jù)。應(yīng)力波破碎理論認(rèn)為在水射流作用初期，水受到壓縮從而使被沖擊材料因壓縮波的作用處于絕對(duì)受壓狀態(tài)，此時(shí)的壓力稱為水錘壓力。當(dāng)液滴向四周做徑向流動(dòng)時(shí)，固體材料表面的壓力由水錘壓力降至滯止壓力，由于壓力急劇下降，壓縮波反射在材料表面形成強(qiáng)大的徑向拉力， 當(dāng)拉力超過材料的拉伸強(qiáng)度時(shí)材料內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生裂紋。裂紋擴(kuò)展理論認(rèn)為，水射流作用前基體內(nèi)部存在初始裂紋，初始裂紋擴(kuò)展交匯使得材料顆粒從基體上剝離下來，造成基體的破壞。這些理論均不能解釋斷面的微觀形貌，而從空化角度能給予很好的解釋。

空泡被擊穿形成環(huán)泡的瞬間產(chǎn)生的微射流速度高達(dá)49.758 m/s，直接作用于輪胎橡膠材料壁面，由式(7)可知，對(duì)其產(chǎn)生的壓力為37.32 MPa。由于微射流速度大，所以形成了高應(yīng)變率沖擊載荷，橡膠表面應(yīng)力集中區(qū)在短的斷裂時(shí)間內(nèi)來不及松弛，橡膠材料的黏彈特性得不到充分發(fā)揮，斷裂應(yīng)變降低，從而顯示出“沖擊脆化”現(xiàn)象，在斷面上形成邊緣齊整的針孔狀凹坑，數(shù)量眾多的空泡因其在潰滅階段的初始半徑以及距壁面的距離不同，潰滅時(shí)間也不相同，致使形成的微射流直徑不同，從而呈現(xiàn)直徑不一致的凹坑。

空泡潰滅產(chǎn)生的壓力脈沖遠(yuǎn)大于微射流產(chǎn)生的沖擊壓力。沖擊應(yīng)力波的破壞作用遠(yuǎn)大于靜態(tài)應(yīng)力，從圖3中可以看出，空泡潰滅對(duì)壁面產(chǎn)生的壓力脈沖的壓力峰值達(dá)到93.54 MPa。潰滅時(shí)，胎面膠的被沖擊區(qū)受到巨大的壓縮波作用，壓縮波受到輪胎表面的反射而使其周圍處于受拉狀態(tài)。由于作用時(shí)間短，橡膠分子沒有充足時(shí)間進(jìn)行重排，橡膠的剪切模量增大，其彈性勢(shì)能降低，材料更易發(fā)生拉伸破壞。由輪胎胎面膠的斷面微觀形貌可知，在針孔狀的凹坑附近普遍存在光滑的斷面形貌，光滑斷面上邊界形狀規(guī)則完整，沒有剪切劃痕，屬于拉伸作用造成的沿晶破壞。

根據(jù)伯努利方程，隨著沖擊壓力的增大，射流速度也會(huì)隨之增大,由式(1)可知，射流速度增大導(dǎo)致空化數(shù)減小，空化數(shù)的減小有利于空泡的形成。另外，射流速度增大,相同的潰滅時(shí)間，空泡運(yùn)動(dòng)距離增大,則空泡云長(zhǎng)度增大,進(jìn)而提高沖蝕效果。但如果靶距太短，空泡尚未發(fā)展就已潰滅,則不會(huì)出現(xiàn)空蝕作用或者空蝕作用很微弱；如果靶距太長(zhǎng)，空泡雖已發(fā)育長(zhǎng)大，但是在到達(dá)材料壁面之前就已經(jīng)開始潰滅，因此靶距越小，空蝕效果并非就越好，存在最佳靶距。通過對(duì)斷面掃描電鏡照片中針孔狀形貌進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知,在其他參數(shù)相同、泵壓不同的條件下，200 MPa時(shí)斷面針孔狀凹坑數(shù)目最多，即對(duì)斷面有破壞作用的空泡數(shù)量最多，可見，50 mm接近于此壓力下的最佳靶距。

6　結(jié)論

(1)空泡潰滅在輪胎材料壁面形成49.758 m/s的微射流，在高速微射流作用下，輪胎橡膠材料的黏彈特性得不到充分的發(fā)揮，顯示出“沖擊脆化”現(xiàn)象，在輪胎橡膠材料表面形成邊緣齊整的“針孔”狀的凹坑。

(2)在高達(dá)93.54 MPa沖擊波的作用下，橡膠材料變形速度大，橡膠分子沒有充足時(shí)間進(jìn)行重排，彈性勢(shì)能降低，沖擊波的反射使輪胎表面處于受拉狀態(tài)，輪胎橡膠材料發(fā)生拉伸破壞。

(3)超高壓水射流破碎輪胎橡膠材料過程中的空化作用存在最佳靶距,在其他參數(shù)相同、泵壓不同條件下,50 mm接近于200 MPa下的最佳靶距。

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(編輯蘇衛(wèi)國(guó))

Cavitation Phenomena on Crushing Effect of Tire under Ultra-high Pressure Water Jet

Song ShouxuZha HuiTian GuangtaoYu Deqiao

Hefei University of Technology,Hefei,230009

In order to study the failure mechanism of shock waves and micro jets in the fragmentation process of tire under ultra-high pressure water jet impact,volume of fluid(VOF) model were used to solve the Navier-Stokes equation to simulate the bubble collapse process using FLUENT software.The results show that pressure pulses generated by bubble collapse is greater than the surge pressure caused by micro jets when the jet hits the tread rubber surface.Combined with the crushing tests of tire under ultra-high pressure water jet,grooving sections of tread rubber were observed using scanning electron microscope(SEM) to study the damage mechanism of the micro jets and shock waves.It is observed that rubber materials show obvious impact embrittlement phenomenon under the cavitation damage.Neat pinhole morphologies on the material surfaces are formed by the micro jets and tensile damage of the rubber material is caused by the shock waves.

ultra-high pressure water jet;bubble collapse;shock wave;micro jets

2013-11-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175139)

TQ336.11DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.09.014

宋守許,男,1964年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授、博士。主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品再資源化技術(shù)與裝備、再制造理論與技術(shù)、機(jī)電產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)理論與方法、逆向物流等。獲中國(guó)發(fā)明專利10項(xiàng)，實(shí)用新型專利6項(xiàng)。發(fā)表論文40余篇。查輝(通信作者),男，1989年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生。田光濤,男,1988年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生。余德橋,男,1989年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生。