侵蝕預(yù)測方法以及侵蝕預(yù)測系統(tǒng)、用于該預(yù)測的侵蝕特性數(shù)據(jù)庫及其構(gòu)建方法
【專利摘要】本發(fā)明提供侵蝕預(yù)測方法以及侵蝕預(yù)測系統(tǒng)、用于該預(yù)測的侵蝕特性數(shù)據(jù)庫及其構(gòu)建方法，用于無需模擬機(jī)、實(shí)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)而在短時(shí)間內(nèi)對流體機(jī)械等構(gòu)造物的遍布大范圍的侵蝕量進(jìn)行預(yù)測。由流體機(jī)械表面的空穴引起的侵蝕的預(yù)測方法，根據(jù)由所述流體機(jī)械形成的流路上的使用空穴CFD法所得到的空穴流動(dòng)場特性，計(jì)算在所述流體機(jī)械表面的各部位的侵蝕強(qiáng)度分布，并基于所述侵蝕強(qiáng)度分布，決定用于假想具有多孔質(zhì)的表面性狀的侵蝕面的代表球的半徑分布、中心位置分布以及代表球的形狀變形次數(shù)，將作為預(yù)測的對象的流體機(jī)械表面決定為近似侵蝕面，并基于所述代表球的半徑分布、中心位置以及代表球的形狀變形次數(shù)，計(jì)算所述近似侵蝕面的變形后的形狀。
【專利說明】侵蝕預(yù)測方法以及侵蝕預(yù)測系統(tǒng)、用于該預(yù)測的侵蝕特性 數(shù)據(jù)庫及其構(gòu)建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是侵蝕預(yù)測方法以及侵蝕預(yù)測系統(tǒng)、用于該預(yù)測的侵蝕特性數(shù)據(jù)庫及其構(gòu) 建方法，特別是涉及用于在短時(shí)間內(nèi)對流體中的流體機(jī)械、管道、其他構(gòu)造物中產(chǎn)生的氣蝕 進(jìn)行預(yù)測的侵蝕預(yù)測方法以及侵蝕預(yù)測系統(tǒng)、用于該預(yù)測的侵蝕特性數(shù)據(jù)庫及其構(gòu)建方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 流體中的流體機(jī)械、管道、其他構(gòu)造物的表面，因氣蝕、腐蝕、固體粒子的碰撞等各 種現(xiàn)象而損傷。由此，無法維持希望的流體性能，或者作為構(gòu)造物的強(qiáng)度降低。針對這種現(xiàn) 象，確立通過預(yù)測來對損傷的發(fā)展進(jìn)行預(yù)測的技術(shù)是很大的課題。其中，在本申請中，特別 著眼于氣蝕的預(yù)測。
[0003] 氣蝕是指在流體機(jī)械等的流路的低壓部產(chǎn)生空穴，并且當(dāng)其在下游消失時(shí)產(chǎn)生沖 擊壓，從而浸蝕流體機(jī)械等的表面的現(xiàn)象。由于氣蝕的發(fā)展如上述那樣，引起流體機(jī)械等構(gòu) 造物的強(qiáng)度降低、流體機(jī)械的效率降低，因此對氣蝕進(jìn)行預(yù)測是極其重要的。關(guān)于氣蝕，提 出了一部分基于CFD(計(jì)算流體力學(xué)Computational Fluid Dynamics)法的、無變形的階段 中的表面侵蝕危險(xiǎn)度的預(yù)測、材料表面的比較微小規(guī)模的損傷的理論模型的構(gòu)建。在圖10 中示出實(shí)際發(fā)生了侵蝕的泵殼的照片，圖10 (A)表示泵殼的整體，圖10 (B)是圖10 (A)中用 箭頭表示的侵蝕顯著發(fā)展的部位。
[0004] 作為公開空穴的侵蝕量的預(yù)測方法的相關(guān)技術(shù)，提出了使用軟質(zhì)金屬的技術(shù)（參 照專利文獻(xiàn)1)。
[0005] 該預(yù)測方法如下：
[0006] 1)預(yù)測模型流體機(jī)械或者實(shí)機(jī)流體機(jī)械中氣蝕的發(fā)生位置，
[0007] 2)由軟質(zhì)金屬構(gòu)成發(fā)生位置，
[0008] 3)使流體機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)而使軟質(zhì)金屬的表面產(chǎn)生侵蝕，
[0009] 4)由計(jì)量單元計(jì)量侵蝕的變形量，
[0010] 5)基于變形量來計(jì)算該變形量的時(shí)間變化亦即變形速度，
[0011] 6)使用變形速度與空穴強(qiáng)度的關(guān)系的數(shù)據(jù)庫來計(jì)算空穴強(qiáng)度，
[0012] 7)基于該空穴強(qiáng)度，預(yù)測空穴的侵蝕量。
[0013] 另外，也提出有將振動(dòng)、噪聲等作為侵蝕量、侵蝕危險(xiǎn)度的指標(biāo)的技術(shù)（參照專利 文獻(xiàn)2)。
[0014] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2007-327455號(hào)
[0015] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開平11-37979號(hào)
[0016] 然而，在上述相關(guān)技術(shù)所涉及的發(fā)明中，存在以下那樣各種各樣的問題。存在以下 方面等：1)需要實(shí)際制作泵，2)若將涂料的剝離作為指標(biāo)，則在每次改變運(yùn)轉(zhuǎn)條件時(shí)，需要 重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，3)在粘貼軟質(zhì)金屬的情況下，雙面膠等的粘貼方法有可能產(chǎn)生影響，4)在 發(fā)生了氣蝕的情況下，雖然泵的性能發(fā)生變化，但未考慮其影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明是鑒于上述各種問題而提出的，目的在于，提供一種用于無需模擬機(jī)、實(shí)機(jī) 的運(yùn)轉(zhuǎn)而在短時(shí)間內(nèi)對流體機(jī)械等構(gòu)造物的遍布大范圍的侵蝕量進(jìn)行預(yù)測的侵蝕特性數(shù) 據(jù)庫及其構(gòu)建方法、使用該數(shù)據(jù)庫的侵蝕預(yù)測方法以及侵蝕預(yù)測系統(tǒng)。
[0018] 鑒于上述目的，在本申請發(fā)明中，提供一種預(yù)測由空穴產(chǎn)生的流體機(jī)械的侵蝕的 侵蝕預(yù)測方法，該侵蝕預(yù)測方法采用如下構(gòu)成，即：根據(jù)對由所述流體機(jī)械形成的流路使用 空穴CFD法所得到的空穴流動(dòng)場特性，計(jì)算所述流體機(jī)械的各部位的侵蝕強(qiáng)度分布，基于 所述侵蝕強(qiáng)度分布，將流體機(jī)械的侵蝕后的表面計(jì)算為近似侵蝕面，對包含計(jì)算出的近似 侵蝕面在內(nèi)的流路使用空穴CFD法，再次計(jì)算所述流體機(jī)械的各部位的侵蝕強(qiáng)度分布，基 于所述再次計(jì)算出的侵蝕強(qiáng)度分布，而再次計(jì)算所述近似侵蝕面的變形后的形狀。
[0019] 另外，所述近似侵蝕面的計(jì)算采用如下構(gòu)成，即，基于所述侵蝕強(qiáng)度分布，來決定 用于假想特別是在金屬材料中具有可被顯著觀察到的多孔質(zhì)的表面性狀的侵蝕面，將表面 近似作為多個(gè)球面的集合體，并以該球面為代表的球（以下，稱為代表球）的半徑分布、中 心位置分布以及代表球的形狀變形次數(shù)，并且基于決定出的與所述代表球相關(guān)的信息，計(jì) 算所述近似侵蝕面的變形后的形狀。
[0020] 另外，采用如下構(gòu)成，即：基于所述侵蝕強(qiáng)度分布，進(jìn)一步計(jì)算所述流體機(jī)械表面 所產(chǎn)生的侵蝕深度分布，并且也利用該侵蝕深度分布來計(jì)算所述球面的近似侵蝕面的變形 后的形狀。
[0021] 采用如下構(gòu)成，即：在計(jì)算所述侵蝕強(qiáng)度分布前，根據(jù)使用空穴CFD法所得到的 空穴流動(dòng)場特性，計(jì)算對于無侵蝕的所述流體機(jī)械的初始形狀的各部位的侵蝕強(qiáng)度分布， 基于所述侵蝕強(qiáng)度分布，來改變用于假想侵蝕初期的潛伏期的微小變形作用的、所述流體 機(jī)械表面的各部位的表面粗糙度，再次利用空穴CFD法來計(jì)算對于初始形狀的侵蝕強(qiáng)度分 布，基于計(jì)算出的所述侵蝕強(qiáng)度分布來進(jìn)行侵蝕預(yù)測。
[0022] 另外，采用如下構(gòu)成，S卩：在計(jì)算所述侵蝕強(qiáng)度分布前，測量通過實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)已經(jīng) 產(chǎn)生侵蝕的所述流體機(jī)械的形狀，基于其測量結(jié)果，對包含已經(jīng)產(chǎn)生的侵蝕面在內(nèi)的流路 使用空穴CFD法，計(jì)算對于所述流體機(jī)械的包含侵蝕的形狀的侵蝕強(qiáng)度分布，基于計(jì)算出 的侵蝕強(qiáng)度分布來進(jìn)行侵蝕預(yù)測。
[0023] 另外，本發(fā)明提供一種侵蝕預(yù)測系統(tǒng)，用于執(zhí)行上述侵蝕預(yù)測方法，采用如下構(gòu) 成，即：具備：具備：具有存儲(chǔ)單元以及CPU的計(jì)算機(jī)、向計(jì)算機(jī)輸入信息的輸入單元、以及 顯示由計(jì)算機(jī)計(jì)算出的結(jié)果的顯示單元，在所述存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)有用于執(zhí)行所述侵蝕預(yù)測 方法的侵蝕預(yù)測程序，所述CPU從所述存儲(chǔ)單元讀出侵蝕預(yù)測程序，并基于由輸入單元輸 入的流體機(jī)械的形狀數(shù)據(jù)和材料信息，計(jì)算侵蝕后的流體機(jī)械的預(yù)測形狀，并將與該預(yù)測 形狀相關(guān)的信息顯示于所述顯示單元。
[0024] 另外，采用如下構(gòu)成，S卩：所述CPU計(jì)算流體機(jī)械伴隨時(shí)間的經(jīng)過的形狀變化，并 以動(dòng)畫的方式將該形狀變化顯示于所述顯示單元。
[0025] 另外，本發(fā)明提供一種侵蝕特性數(shù)據(jù)庫，是流體機(jī)械所使用的材料的侵蝕特性的 數(shù)據(jù)庫，采用如下構(gòu)成，即：包含材料名、材料特性以及與規(guī)定的侵蝕強(qiáng)度相對的侵蝕特性 的信息，所述侵蝕特性包含侵蝕體積、侵蝕深度、侵蝕深度分布、侵蝕面的表面性狀，所述表 面性狀是流體機(jī)械的表面粗糙度或者表面形狀圖案。
[0026] 另外，采用如下構(gòu)成，S卩：與所述侵蝕特性相關(guān)的信息是伴隨時(shí)間的經(jīng)過的不同時(shí) 刻的至少兩組信息。
[0027] 另外，采用如下構(gòu)成，即：在實(shí)施所述空穴CFD時(shí)，利用技術(shù)方案8或9的侵蝕特性 數(shù)據(jù)庫的信息。
[0028] 并且，采用如下構(gòu)成，S卩：在所述存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)有技術(shù)方案8或9的侵蝕特性數(shù) 據(jù)庫的信息，并且在侵蝕預(yù)測中利用該數(shù)據(jù)庫的信息。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1是表示實(shí)測侵蝕深度分布與計(jì)算侵蝕強(qiáng)度分布的關(guān)系的圖。
[0030] 圖2是表示侵蝕特性數(shù)據(jù)庫的一個(gè)例子的表。
[0031] 圖3是表示構(gòu)建侵蝕特性數(shù)據(jù)庫的順序的圖。
[0032] 圖4是侵蝕預(yù)測過程的流程圖。
[0033] 圖5是說明使用代表球的近似侵蝕面的變化的圖，圖5(A)表示初始形狀，圖 5(B)?（G)分別表示試行次數(shù)1000、2000、3000、4000、5000、6000次的近似侵蝕面，圖5〇1) 表示圖5 (G)的H-H線的剖視圖。
[0034] 圖6是表示利用半徑相同的代表球，將包含使正弦曲線旋轉(zhuǎn)而制成的初始凹陷在 內(nèi)的立方體實(shí)心模型的上表面整體挖除6000次后的狀況的圖，圖6(A)是整體立體圖，圖 6(B)是圖6(A)的B-B線的剖視圖。
[0035] 圖7是說明在立方體實(shí)心模型上制作用正弦曲線表現(xiàn)的具有多個(gè)槽的初始凹陷、 并使用代表球的近似侵蝕面的變化的圖，圖7(A)表示初始形狀，圖7(B)?圖7(G)分別表 示試行次數(shù)1000、2000、3000、4000、5000、6000次的近似侵蝕面，圖7(H)是改變圖7(G)的 視點(diǎn)后的立體圖。
[0036] 圖8是表示用相同半徑的球，將立方體實(shí)心模型上表面挖除10000次后的狀況的、 在中央截面切斷的剖視圖，圖8(A)表示初始形狀，圖8(B)?圖8(G)分別表示試行次數(shù) 1000、2000、3000、8000、9000、10000 次的近似侵蝕面。
[0037] 圖9是表示通過流體側(cè)與材料側(cè)的聯(lián)合解析而求出由砂粒造成的流體機(jī)械（渦輪 翼面）的表面的損傷的結(jié)果的圖，圖9 (A)是前緣附近，圖9 (B)是正壓面，圖9 (C)是負(fù)壓面。
[0038] 圖10是表示發(fā)生了侵蝕的流體機(jī)械的照片，圖9(A)表示泵殼的整體，圖9(B)是 表示圖9(A)的箭頭附近的表面的放大照片。

【具體實(shí)施方式】
[0039] 在本申請發(fā)明中，將用CFD法對由空穴引起的侵蝕進(jìn)行解析作為特征之一。因此， 首先分別概述空穴、侵蝕、CFD法。
[0040] 空穴是指在液體的流動(dòng)中壓力變得比飽和蒸氣壓低時(shí)，液體以存在于液體中的非 常微小的氣泡核為核而沸騰、或因溶解氣體的游離而產(chǎn)生大量小氣泡的現(xiàn)象。成為本申請 所矚目的侵蝕、或泵供水系統(tǒng)的振動(dòng)、噪聲、揚(yáng)程降低、發(fā)生于船舶的螺旋推進(jìn)器的情況下 使推進(jìn)力降低等問題的原因。
[0041] 接下來，侵蝕是指在由上述空穴產(chǎn)生的氣泡破裂時(shí)，導(dǎo)致?lián)p傷構(gòu)造物的表面的現(xiàn) 象。在氣泡破裂時(shí)，產(chǎn)生數(shù)百M(fèi)Pa以上的沖擊力、微射流。因此若氣泡在構(gòu)造物的表面附近 破裂，則因其沖擊力、微射流會(huì)使構(gòu)造物的壁面變形，或使構(gòu)造物的材料從表面缺損。若侵 蝕進(jìn)一步發(fā)展，則會(huì)在構(gòu)造物開孔，或使構(gòu)造物的一部分脫落。這樣，侵蝕對流體機(jī)械來說 是重大問題。
[0042] 此外，CFD法是指數(shù)值流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics)，是通過由計(jì) 算機(jī)解出與流體的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的方程式，并觀察流動(dòng)的數(shù)值解析、預(yù)測手法。作為順序按照如 下的步驟進(jìn)行計(jì)算：1)模型數(shù)據(jù)制作，2)生成網(wǎng)格，3)解析。具體而言，在模型數(shù)據(jù)制作步 驟中，制作將對象物體的形狀再現(xiàn)的3D或者2D模型。大多在設(shè)計(jì)上使用CAD，并應(yīng)用其數(shù) 據(jù)。對于網(wǎng)格生成步驟，為了在數(shù)值流體力學(xué)中離散地處理空間，需要將物體形狀以及周圍 的空間離散化，一般用網(wǎng)格（也稱為格網(wǎng)或者網(wǎng)孔）來表現(xiàn)。在生成網(wǎng)格時(shí)，存在使用四面 體的非構(gòu)造網(wǎng)格法、使用立方體的正交網(wǎng)格法等各種手法。在解析步驟中，使用計(jì)算機(jī)求出 每個(gè)網(wǎng)格的流動(dòng)方程式的近似解。作為計(jì)算的結(jié)果，求出各個(gè)網(wǎng)格的壓力、流速、密度等。 [0043] 接下來，對本申請發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的侵蝕特性數(shù)據(jù)庫及其構(gòu)建方法、使用該 數(shù)據(jù)庫的侵蝕預(yù)測方法以及侵蝕預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行說明。
[0044] 侵蝕特性數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建
[0045] 在侵蝕預(yù)測之前，需要構(gòu)建各種材料的侵蝕特性數(shù)據(jù)庫。這是因?yàn)?，即使空穴的?qiáng) 度相同，侵蝕特性也因構(gòu)造物的材料的不同而不同。
[0046] 為了調(diào)查材料與侵蝕特性的關(guān)系，使磁致伸縮式試驗(yàn)、射流式試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化。磁致伸 縮式試驗(yàn)是將試件沉入流體中，對該試件本身施加超聲波振動(dòng),使試件的表面產(chǎn)生空穴的 手法。在經(jīng)過規(guī)定的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間后，計(jì)量試件的變化，并調(diào)查材料的侵蝕特性。另外，也存在 不使試件本身振動(dòng)，而利用與試件對置地設(shè)置的超聲波振動(dòng)器，使試件上產(chǎn)生氣泡，并利用 該氣泡對試件產(chǎn)生侵蝕的情況。
[0047] 另外，也存在利用空穴射流進(jìn)行的試驗(yàn)。這是向水中噴射高速的水射流，并利用在 射流的周圍產(chǎn)生的空穴來進(jìn)行試驗(yàn)的方法。能夠?qū)崿F(xiàn)考慮了流體的流速、靜壓、空穴系數(shù)的 試驗(yàn)。此外，也存在使用文丘里管的試驗(yàn)方法。這是使流體在文丘里管的內(nèi)部高速地流動(dòng) 而產(chǎn)生空穴，并在該空穴產(chǎn)生區(qū)域設(shè)置試件來進(jìn)行的試驗(yàn)。與利用射流進(jìn)行的試驗(yàn)同樣，能 夠?qū)崿F(xiàn)考慮了空穴系數(shù)、流速、靜壓等的試驗(yàn)。此外，能夠采用如下的試驗(yàn)方法：在設(shè)置于流 路的水翼的翼面上設(shè)置試件，并利用在水翼上產(chǎn)生的空穴而使試件產(chǎn)生侵蝕的試驗(yàn)方法； 或者制作與實(shí)機(jī)類似的泵、水輪機(jī)、螺旋槳，并在它們的表面設(shè)置試件或使泵、水輪機(jī)、螺旋 槳的表面本身侵蝕的試驗(yàn)方法。
[0048] 通過上述那樣的試驗(yàn)，使試件的表面發(fā)生侵蝕，并精密地計(jì)量空穴強(qiáng)度和試件的 時(shí)間變化，從而構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。具體而言，使用上述那樣的各種標(biāo)準(zhǔn)侵蝕發(fā)生裝置，對每個(gè)重 要的材料取得基于空穴CFD得到的空穴強(qiáng)度與侵蝕的相關(guān)數(shù)據(jù)。作為侵蝕特性的數(shù)據(jù)，不 僅取得每個(gè)重要的材料的侵蝕體積、平均侵蝕深度，也取得侵蝕深度分布以及侵蝕面的表 面性狀（表面粗糙度、表面形狀圖案），還取得它們的經(jīng)過時(shí)間的數(shù)據(jù)（多次中斷侵蝕試驗(yàn)， 分別在中斷時(shí)取得侵蝕形狀）。在形狀的計(jì)量中可以使用3D激光掃描儀、印模材料。關(guān)于 空穴CFD，是根據(jù)表面侵蝕的發(fā)展，多次實(shí)施考慮了由侵蝕引起的形狀變化的解析（與取得 上述侵蝕數(shù)據(jù)時(shí)對應(yīng)）。假定上述多次實(shí)施的侵蝕面形狀數(shù)據(jù)的變化（差量）與每次計(jì)算 所得到的氣蝕強(qiáng)度相互對應(yīng)，并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。試驗(yàn)方法雖然也能夠?qū)嵤┥鲜鋈我环椒ǎ?是若考慮實(shí)施現(xiàn)有的空穴CFD的容易程度，則優(yōu)選應(yīng)用文丘里管、水翼、以及類似于實(shí)機(jī)的 泵、水輪機(jī)、螺旋槳。
[0049] 將上述數(shù)據(jù)庫整理為由計(jì)算得到的氣蝕強(qiáng)度分布、侵蝕發(fā)展速度分布、以及表面 性狀的變化分布。具體而言，在每個(gè)材料中，使基于空穴CFD得到的侵蝕強(qiáng)度與侵蝕發(fā)展速 度（取大致相對于侵蝕面垂直的方向的速度）近似函數(shù)化。另外，關(guān)于表面性狀，形成三維 數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。另外，眾所周知，在潛伏期內(nèi)雖然不發(fā)生體積減少，但是會(huì)有被稱為凹坑的 微小的凹陷增加的現(xiàn)象。對于該凹坑的數(shù)量密度、形狀也優(yōu)選數(shù)據(jù)庫化。另外，作為其結(jié)果， 作于表面粗糙度的變化也優(yōu)選數(shù)據(jù)庫化。
[0050] 圖1是水翼的例子，是表示實(shí)測出的侵蝕面形狀與計(jì)算出的侵蝕強(qiáng)度分布的關(guān)系 的圖。分別是時(shí)刻T 1?T4的各部位的侵蝕面形狀、和T1?T4時(shí)刻的還考慮了侵蝕產(chǎn)生的 變形的水翼形狀的由CFD計(jì)算出的侵蝕強(qiáng)度分布的曲線圖。侵蝕面形狀考慮為表面的局部 平均的侵蝕深度分布與局部的性狀（多孔質(zhì)表面的三維粗糙度分布）的組合，將侵蝕深度 分布的局部的差量除以經(jīng)過時(shí)間后得到的量，定義為侵蝕發(fā)展速度。使其與各時(shí)刻的侵蝕 強(qiáng)度分布建立關(guān)聯(lián)。作為差量的方法，任意選擇單側(cè)差量、中心差量等計(jì)算方法。關(guān)于建立 關(guān)聯(lián)，雖是任意的，但是用多項(xiàng)式進(jìn)行近似、通過最小二乘法等來確定系數(shù)比較簡便。作為 一個(gè)例子，對簡單的單側(cè)差量的例子進(jìn)行說明。將從時(shí)刻T 1到T2之間的侵蝕的發(fā)展看作與 時(shí)刻T1的針對時(shí)刻的形狀計(jì)算出的侵蝕強(qiáng)度分布對應(yīng)，從T 2時(shí)刻的侵蝕深度分布減去T1時(shí) 刻的侵蝕深度分布，將它們的差量的侵蝕深度分布除以△ T21 = T2-T1。若該侵蝕速度分布與 侵蝕強(qiáng)度分布形狀為曲線而很一致，則例如能夠假定為一次函數(shù)，并能夠求出其比例系數(shù)。 同樣，將從時(shí)刻T 2到T3之間的侵蝕的發(fā)展看作與時(shí)刻T2的針對時(shí)刻的形狀計(jì)算出的侵蝕 強(qiáng)度分布對應(yīng)，從T 3時(shí)刻的侵蝕深度分布減去T2時(shí)刻的侵蝕深度分布，將它們的差量的侵 蝕深度分布除以Λ T32 = T3-T2。使其與相對于T2時(shí)刻的形狀的侵蝕強(qiáng)度分布建立關(guān)聯(lián)。進(jìn) 而，將從時(shí)刻T 3到T4之間的侵蝕的發(fā)展看作與時(shí)刻T3的針對時(shí)刻的形狀計(jì)算出的侵蝕強(qiáng) 度分布對應(yīng)，以下，反復(fù)進(jìn)行任意步驟數(shù)的關(guān)聯(lián)。利用上述多次的關(guān)聯(lián)，能夠高精度地求出 將侵蝕強(qiáng)度分布作為輸入而求出侵蝕速度的近似函數(shù)。另外，與其相配合地，使計(jì)算出的侵 蝕強(qiáng)度、侵蝕深度分布、流體條件、以及材料條件等與侵蝕面局部的性狀關(guān)系數(shù)據(jù)庫化。由 此，能夠通過計(jì)算對發(fā)展的侵蝕面預(yù)測侵蝕深度的變化和表面性狀的變化。
[0051] 在圖2中示出各種材料的侵蝕特性數(shù)據(jù)庫的一個(gè)例子。另外，在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫時(shí)，無 需對能夠利用的全部材料進(jìn)行試驗(yàn)。這是因?yàn)?，能夠基于材料的特性（例如，拉伸?qiáng)度、硬 度等），根據(jù)試驗(yàn)過的材料的數(shù)據(jù)，以某種程度的精度，對拉伸強(qiáng)度、硬度的值相近的材料推 測侵蝕特性。另外，也能夠從基于磁致伸縮式試驗(yàn)裝置、射流式試驗(yàn)裝置得到的現(xiàn)有的侵蝕 數(shù)據(jù)、與基于它的各材料之間的耐氣蝕性的相對比較來進(jìn)行推定。
[0052] 圖3是用于對構(gòu)建侵蝕特性數(shù)據(jù)庫的階段進(jìn)行說明的示意圖。在此，對使用實(shí)際 的水翼的標(biāo)準(zhǔn)空穴發(fā)生裝置所執(zhí)行的某種材料的侵蝕試驗(yàn)進(jìn)行了記載。首先，使用三維 (3D)CAD數(shù)據(jù)、實(shí)測數(shù)據(jù)等取得試驗(yàn)對象物的初始形狀。另外，預(yù)先通過實(shí)測對表面性狀進(jìn) 行計(jì)量。
[0053] 接下來，利用空穴發(fā)生裝置來實(shí)際產(chǎn)生空穴，并將試驗(yàn)對象物配置在空穴產(chǎn)生區(qū) 域。由此，開始用于數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的試驗(yàn)。此時(shí)，表面粗糙度對侵蝕特性產(chǎn)生影響。因此，考 慮預(yù)先實(shí)地測量出的表面粗糙度來實(shí)施CFD。由此，計(jì)算從試驗(yàn)開始到潛伏期結(jié)束（T = T1 經(jīng)過時(shí)間）的侵蝕強(qiáng)度分布。
[0054] 在潛伏期結(jié)束時(shí)刻暫時(shí)停止試驗(yàn)，并測量試驗(yàn)對象物的表面形狀。作為計(jì)量的內(nèi) 容，有凹坑數(shù)、凹坑形狀、表面粗糙度分布等。然后，考慮所得到的表面形狀，實(shí)施CFD。由 此，計(jì)算從潛伏期結(jié)束移至侵蝕期時(shí)的侵蝕強(qiáng)度分布。此時(shí)，對于侵蝕強(qiáng)度分布而言，由于 還考慮了表面形狀，所以能夠計(jì)算更接近實(shí)際的侵蝕現(xiàn)象的侵蝕強(qiáng)度分布。
[0055] 之后，再次將試驗(yàn)對象物設(shè)置于空穴發(fā)生裝置，使其產(chǎn)生空穴。在過了潛伏期后， 在試驗(yàn)對象物的表面產(chǎn)生侵蝕。然后，在從試驗(yàn)開始到T = T2經(jīng)過時(shí)刻停止試驗(yàn)。然后，實(shí) 測侵蝕面的3D形狀（侵蝕深度分布、表面性狀）。然后，考慮所得到的表面形狀，實(shí)施CFD。 此時(shí)，對于侵蝕強(qiáng)度分布而言，由于也考慮了因侵蝕而變形的試驗(yàn)對象物的形狀，所以能夠 計(jì)算更接近實(shí)際的侵蝕現(xiàn)象的侵蝕強(qiáng)度分布。
[0056] 進(jìn)而，再次將試驗(yàn)對象物設(shè)置于空穴發(fā)生裝置，使其產(chǎn)生空穴。然后，在從試驗(yàn)開 始到T = T3經(jīng)過時(shí)刻停止試驗(yàn)，并實(shí)測侵蝕面的3D形狀（侵蝕深度分布、表面性狀）。然 后，考慮所得到的表面形狀實(shí)施CFD。
[0057] 根據(jù)需要而反復(fù)多次進(jìn)行以上實(shí)測與CFD的步驟，從而使侵蝕的發(fā)展與由計(jì)算得 到的侵蝕強(qiáng)度分布的對應(yīng)關(guān)系變得清楚，由此能夠構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。
[0058] 以上，本實(shí)施方式的侵蝕特性數(shù)據(jù)庫，由于考慮了由侵蝕引起的構(gòu)造物的變形而 實(shí)施空穴CFD，所以能夠構(gòu)建接近實(shí)際的侵蝕的侵蝕特性的數(shù)據(jù)庫。
[0059] 另外，上述侵蝕特性數(shù)據(jù)庫是用于實(shí)施以下說明的侵蝕預(yù)測方法的數(shù)據(jù)庫的一個(gè) 例子，而未必是必須的。即，只要能夠規(guī)定材料與侵蝕的關(guān)系，即使是其他數(shù)據(jù)庫，也能夠在 以下的侵蝕預(yù)測方法的實(shí)施中加以利用。
[0060] 接下來，使用上述侵蝕特性數(shù)據(jù)庫，按順序?qū)?shí)際侵蝕預(yù)測的方法進(jìn)行說明。在圖 4中示出侵蝕預(yù)測的概略流程圖。在該圖中，示出流體機(jī)械為新產(chǎn)品的情況（案例1)、和已 經(jīng)被使用而發(fā)生了侵蝕的情況（案例2)這兩方。
[0061] 計(jì)算氣蝕強(qiáng)度分布
[0062] 取得初始形狀數(shù)據(jù)
[0063] 首先，為了實(shí)施空穴CFD，需要取得作為預(yù)測對象的流體機(jī)械的初始形狀數(shù)據(jù)。在 存在CAD數(shù)據(jù)的情況下，流體機(jī)械的初始形狀能夠直接使用該CAD數(shù)據(jù)。另一方面，在不存 在CAD數(shù)據(jù)的情況下，計(jì)量并取得預(yù)測對象的實(shí)際的流體機(jī)械的形狀。作為計(jì)量實(shí)際的形 狀的具體的手法的一個(gè)例子，有根據(jù)使用激光的表面的計(jì)量來重建三維數(shù)據(jù)的手法。這種 手法對作為預(yù)測對象的流體機(jī)械的表面照射激光，并用照相機(jī)來拍攝反射出的激光，從而 將其轉(zhuǎn)換為三維形狀數(shù)據(jù)。
[0064] 生成網(wǎng)格
[0065] 接下來，為了實(shí)施CFD，針對形成于流體機(jī)械等的內(nèi)部的流路形成網(wǎng)格。網(wǎng)格的生 成是根據(jù)流體機(jī)械的形狀數(shù)據(jù)來計(jì)算流路的形狀，然后，根據(jù)計(jì)算出的流路的形狀，將各部 分定義為網(wǎng)格的集合。在生成網(wǎng)格時(shí)，通過使流體機(jī)械的表面附近的網(wǎng)格尺寸較小，使除此 之外的區(qū)域的網(wǎng)格尺寸較大，從而既能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算精度的提高或者維持，又能夠縮短計(jì)算 所需的時(shí)間。
[0066] 決定材質(zhì)
[0067] 接下來，決定構(gòu)成流體機(jī)械的材質(zhì)。這是因?yàn)榍治g特性因材料的不同而不同。
[0068] 決定運(yùn)轉(zhuǎn)條件
[0069] 接下來，決定用于預(yù)測侵蝕的運(yùn)轉(zhuǎn)條件。這是因?yàn)?，流體機(jī)械中產(chǎn)生的侵蝕的速 度、量，因運(yùn)轉(zhuǎn)條件而受到影響。這里，例如，決定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、運(yùn)轉(zhuǎn)速度（例如，若為旋轉(zhuǎn)體則 是轉(zhuǎn)速）、流動(dòng)的流體的特性（例如，流速、壓力、溫度、比重、粘性等）。
[0070] 計(jì)算空穴強(qiáng)度分布
[0071] 對于各網(wǎng)格，基于運(yùn)轉(zhuǎn)條件，進(jìn)行由CFD對初始形狀實(shí)施的數(shù)值解析，并計(jì)算各部 分的空穴強(qiáng)度分布。雖然由很多研究者提出了空穴的強(qiáng)度分布，但可以使用其中任一個(gè)計(jì) 算法。在數(shù)據(jù)庫制作階段，可以選擇與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性高的計(jì)算法。作為一個(gè)例子，以下 示出文獻(xiàn)A(能見，井小萩，伊賀，"運(yùn)用數(shù)值解析的氣蝕預(yù)測技術(shù)的開發(fā)"，第59次渦輪機(jī)械 協(xié)會(huì)演講論文集，（2008)，pp49-54)的例子。若以p表不局部壓力、以α表不局部氣泡量 (氣泡的體積率亦即空隙率）、以D P/Dt表示局部的壓力上升的大小，以-D a /Dt表示局部 的氣泡破裂的大小，則流體中的局部的侵蝕強(qiáng)度Ca如下。
[0072] 【公式1】

【權(quán)利要求】
1. 一種侵蝕預(yù)測方法，是預(yù)測流體機(jī)械因空穴產(chǎn)生的侵蝕的方法，所述侵蝕預(yù)測方法 的特征在于， 根據(jù)對由所述流體機(jī)械形成的流路使用空穴CFD法所得到的空穴流動(dòng)場特性，計(jì)算所 述流體機(jī)械的各部位的侵蝕強(qiáng)度分布， 基于所述侵蝕強(qiáng)度分布，將流體機(jī)械的侵蝕后的表面計(jì)算為近似侵蝕面， 對包含計(jì)算出的近似侵蝕面在內(nèi)的流路使用空穴CFD法，再次計(jì)算所述流體機(jī)械的各 部位的侵蝕強(qiáng)度分布， 基于所述再次計(jì)算出的侵蝕強(qiáng)度分布，而再次計(jì)算所述近似侵蝕面的變形后的形狀。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的侵蝕預(yù)測方法，其特征在于， 在所述近似侵蝕面的計(jì)算中， 基于所述侵蝕強(qiáng)度分布，來決定用于假想具有多孔質(zhì)的表面性狀的侵蝕面的代表球的 半徑分布、中心位置分布以及代表球的形狀變形次數(shù)， 基于所決定的與所述代表球相關(guān)的信息，計(jì)算所述近似侵蝕面的變形后的形狀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的侵蝕預(yù)測方法，其特征在于， 基于所述侵蝕強(qiáng)度分布，進(jìn)一步計(jì)算所述流體機(jī)械表面所產(chǎn)生的侵蝕深度分布，并且 也利用該侵蝕深度分布來計(jì)算所述近似侵蝕面的變形后的形狀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1?3中任一項(xiàng)所述的侵蝕預(yù)測方法，其特征在于， 在計(jì)算所述侵蝕強(qiáng)度分布前， 根據(jù)使用空穴CFD法所得到的空穴流動(dòng)場特性，計(jì)算對于無侵蝕的所述流體機(jī)械的初 始形狀的各部位的侵蝕強(qiáng)度分布， 基于所述侵蝕強(qiáng)度分布，來改變用于假想侵蝕初期的潛伏期的微小變形作用的、所述 流體機(jī)械表面的各部位的表面粗糙度， 再次利用空穴CFD法來計(jì)算對于初始形狀的侵蝕強(qiáng)度分布， 基于計(jì)算出的所述侵蝕強(qiáng)度分布來進(jìn)行侵蝕預(yù)測。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1?3中任一項(xiàng)所述的侵蝕預(yù)測方法，其特征在于， 在計(jì)算所述侵蝕強(qiáng)度分布前， 測量通過實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)已經(jīng)產(chǎn)生侵蝕的所述流體機(jī)械的形狀， 基于其測量結(jié)果，對包含已經(jīng)產(chǎn)生的侵蝕面在內(nèi)的流路使用空穴CFD法，計(jì)算對于所 述流體機(jī)械的包含侵蝕的形狀的侵蝕強(qiáng)度分布， 基于計(jì)算出的侵蝕強(qiáng)度分布來進(jìn)行侵蝕預(yù)測。
6. -種侵蝕預(yù)測系統(tǒng)，用于執(zhí)行權(quán)利要求1?5中任一項(xiàng)所述的侵蝕預(yù)測方法，所述侵 蝕預(yù)測系統(tǒng)的特征在于， 具備：具有存儲(chǔ)單元以及CPU的計(jì)算機(jī)、向計(jì)算機(jī)輸入信息的輸入單元、以及顯示由計(jì) 算機(jī)計(jì)算出的結(jié)果的顯示單元， 在所述存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)有用于執(zhí)行所述侵蝕預(yù)測方法的侵蝕預(yù)測程序， 所述CPU從所述存儲(chǔ)單元讀出侵蝕預(yù)測程序，并基于由輸入單元輸入的流體機(jī)械的形 狀數(shù)據(jù)和材料信息，計(jì)算侵蝕后的流體機(jī)械的預(yù)測形狀，并將與該預(yù)測形狀相關(guān)的信息顯 示于所述顯示單元。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的侵蝕預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于， 所述CPU計(jì)算流體機(jī)械伴隨時(shí)間的經(jīng)過的形狀變化，并以動(dòng)畫的方式將該形狀變化顯 示于所述顯示單元。
8. -種侵蝕特性數(shù)據(jù)庫，是流體機(jī)械所使用的材料的侵蝕特性的數(shù)據(jù)庫，所述侵蝕特 性數(shù)據(jù)庫的特征在于， 包含材料名、材料特性以及與規(guī)定的侵蝕強(qiáng)度相對的侵蝕特性的信息， 所述侵蝕特性包含侵蝕體積、侵蝕深度、侵蝕深度分布、侵蝕面的表面性狀， 所述表面性狀是流體機(jī)械的表面粗糙度或者表面形狀圖案。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的侵蝕特性數(shù)據(jù)庫，其特征在于， 與所述侵蝕特性相關(guān)的信息是伴隨時(shí)間的經(jīng)過的不同時(shí)刻的至少兩組信息。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1?5中任一項(xiàng)所述的侵蝕預(yù)測方法，其特征在于， 在實(shí)施所述空穴CFD時(shí)，利用權(quán)利要求8或9的侵蝕特性數(shù)據(jù)庫的信息。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的侵蝕預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于， 在所述存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)有權(quán)利要求8或9的侵蝕特性數(shù)據(jù)庫的信息，并且在侵蝕預(yù)測 中利用該數(shù)據(jù)庫的信息。
12. -種侵蝕預(yù)測程序，其特征在于， 所述侵蝕預(yù)測程序用于實(shí)施權(quán)利要求1?5以及10中任一項(xiàng)所述的侵蝕預(yù)測方法，并 能夠在計(jì)算機(jī)中執(zhí)行。
【文檔編號(hào)】F04D29/66GK104334890SQ201380028618
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月1日
【發(fā)明者】能見基彥, 八鍬浩, 早房敬祐, 中本浩章 申請人:株式會(huì)社荏原制作所