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、實機的運轉(zhuǎn)而在短時間內(nèi)對流體機械等構(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)由所述流體機械形成的流路上的使用空穴CFD法所得到的空穴流動場特性，計算在所述流體機械表面的各部位的侵蝕強度分布，并基于所述侵蝕強度分布，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間內(nèi)對流體中的流體機械、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)其在下游消失時產(chǎn)生沖 擊壓，從而浸蝕流體機械等的表面的現(xiàn)象。由于氣蝕的發(fā)展如上述那樣，引起流體機械等構(gòu) 造物的強度降低、流體機械的效率降低，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)測模型流體機械或者實機流體機械中氣蝕的發(fā)生位置，
[0007] 2)由軟質(zhì)金屬構(gòu)成發(fā)生位置，
[0008] 3)使流體機械運轉(zhuǎn)而使軟質(zhì)金屬的表面產(chǎn)生侵蝕，
[0009] 4)由計量單元計量侵蝕的變形量，
[0010] 5)基于變形量來計算該變形量的時間變化亦即變形速度，
[0011] 6)使用變形速度與空穴強度的關(guān)系的數(shù)據(jù)庫來計算空穴強度，
[0012] 7)基于該空穴強度，預(yù)測空穴的侵蝕量。
[0013] 另外，也提出有將振動、噪聲等作為侵蝕量、侵蝕危險度的指標(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
[0015] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開平11-37979號
[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)需要實際制作泵，2)若將涂料的剝離作為指標(biāo)，則在每次改變運轉(zhuǎn)條件時，需要 重新進(jìn)行實驗，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、實機 的運轉(zhuǎn)而在短時間內(nèi)對流體機械等構(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)對由所述流體機械形成的流路使用 空穴CFD法所得到的空穴流動場特性，計算所述流體機械的各部位的侵蝕強度分布，基于 所述侵蝕強度分布，將流體機械的侵蝕后的表面計算為近似侵蝕面，對包含計算出的近似 侵蝕面在內(nèi)的流路使用空穴CFD法，再次計算所述流體機械的各部位的侵蝕強度分布，基 于所述再次計算出的侵蝕強度分布，而再次計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算采用如下構(gòu)成，即，基于所述侵蝕強度分布，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 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：基于所述侵蝕強度分布，進(jìn)一步計算所述流體機械表面 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：在計算所述侵蝕強度分布前，根據(jù)使用空穴CFD法所得到的 空穴流動場特性，計算對于無侵蝕的所述流體機械的初始形狀的各部位的侵蝕強度分布， 基于所述侵蝕強度分布，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 機械表面的各部位的表面粗糙度，再次利用空穴CFD法來計算對于初始形狀的侵蝕強度分 布，基于計算出的所述侵蝕強度分布來進(jìn)行侵蝕預(yù)測。
[0022] 另外，采用如下構(gòu)成，S卩：在計算所述侵蝕強度分布前，測量通過實際的運轉(zhuǎn)已經(jīng) 產(chǎn)生侵蝕的所述流體機械的形狀，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，計算對于所述流體機械的包含侵蝕的形狀的侵蝕強度分布，基于計算出 的侵蝕強度分布來進(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：具有存儲單元以及CPU的計算機、向計算機輸入信息的輸入單元、以及 顯示由計算機計算出的結(jié)果的顯示單元，在所述存儲單元中存儲有用于執(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 入的流體機械的形狀數(shù)據(jù)和材料信息，計算侵蝕后的流體機械的預(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計算流體機械伴隨時間的經(jīng)過的形狀變化，并 以動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)的信息是伴隨時間的經(jīng)過的不同時 刻的至少兩組信息。
[0027] 另外，采用如下構(gòu)成，即：在實施所述空穴CFD時，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：在所述存儲單元中存儲有技術(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是表示實測侵蝕深度分布與計算侵蝕強度分布的關(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是說明在立方體實心模型上制作用正弦曲線表現(xiàn)的具有多個槽的初始凹陷、 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 視點后的立體圖。
[0036] 圖8是表示用相同半徑的球，將立方體實心模型上表面挖除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中壓力變得比飽和蒸氣壓低時，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、噪聲、揚程降低、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，導(dǎo)致?lián)p傷構(gòu)造物的表面的現(xiàn) 象。在氣泡破裂時，產(chǎn)生數(shù)百MPa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 算機解出與流體的運動相關(guān)的方程式，并觀察流動的數(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，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，使用計算機求出 每個網(wǎng)格的流動方程式的近似解。作為計算的結(jié)果，求出各個網(wǎng)格的壓力、流速、密度等。 [0043] 接下來，對本申請發(fā)明的一個實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。這是因為，即使空穴的強 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、射流式試驗標(biāo)準(zhǔn)化。磁致伸 縮式試驗是將試件沉入流體中，對該試件本身施加超聲波振動,使試件的表面產(chǎn)生空穴的 手法。在經(jīng)過規(guī)定的運轉(zhuǎn)時間后，計量試件的變化，并調(diào)查材料的侵蝕特性。另外，也存在 不使試件本身振動，而利用與試件對置地設(shè)置的超聲波振動器，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。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。此外，也存在使用文丘里管的試驗方法。這是使流體在文丘里管的內(nèi)部高速地流動 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。與利用射流進(jìn)行的試驗同樣，能 夠?qū)崿F(xiàn)考慮了空穴系數(shù)、流速、靜壓等的試驗。此外，能夠采用如下的試驗方法：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)生侵蝕的試驗方法； 或者制作與實機類似的泵、水輪機、螺旋槳，并在它們的表面設(shè)置試件或使泵、水輪機、螺旋 槳的表面本身侵蝕的試驗方法。
[0048] 通過上述那樣的試驗，使試件的表面發(fā)生侵蝕，并精密地計量空穴強度和試件的 時間變化，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，對每個重 要的材料取得基于空穴CFD得到的空穴強度與侵蝕的相關(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)過時間的數(shù)據(jù)（多次中斷侵蝕試驗， 分別在中斷時取得侵蝕形狀）。在形狀的計量中可以使用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)時對應(yīng)）。假定上述多次實施的侵蝕面形狀數(shù)據(jù)的變化（差量）與每次計算 所得到的氣蝕強度相互對應(yīng)，并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。試驗方法雖然也能夠?qū)嵤┥鲜鋈我环椒ǎ?是若考慮實施現(xiàn)有的空穴CFD的容易程度，則優(yōu)選應(yīng)用文丘里管、水翼、以及類似于實機的 泵、水輪機、螺旋槳。
[0049] 將上述數(shù)據(jù)庫整理為由計算得到的氣蝕強度分布、侵蝕發(fā)展速度分布、以及表面 性狀的變化分布。具體而言，在每個材料中，使基于空穴CFD得到的侵蝕強度與侵蝕發(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，是表示實測出的侵蝕面形狀與計算出的侵蝕強度分布的關(guān)系 的圖。分別是時刻T 1?T4的各部位的侵蝕面形狀、和T1?T4時刻的還考慮了侵蝕產(chǎn)生的 變形的水翼形狀的由CFD計算出的侵蝕強度分布的曲線圖。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)過時間后得到的量，定義為侵蝕發(fā)展速度。使其與各時刻的侵蝕 強度分布建立關(guān)聯(lián)。作為差量的方法，任意選擇單側(cè)差量、中心差量等計算方法。關(guān)于建立 關(guān)聯(lián)，雖是任意的，但是用多項式進(jìn)行近似、通過最小二乘法等來確定系數(shù)比較簡便。作為 一個例子，對簡單的單側(cè)差量的例子進(jìn)行說明。將從時刻T 1到T2之間的侵蝕的發(fā)展看作與 時刻T1的針對時刻的形狀計算出的侵蝕強度分布對應(yīng)，從T 2時刻的侵蝕深度分布減去T1時 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，將從時刻T 2到T3之間的侵蝕的發(fā)展看作與時刻T2的針對時刻的形狀計算出的侵蝕 強度分布對應(yīng)，從T 3時刻的侵蝕深度分布減去T2時刻的侵蝕深度分布，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時刻的形狀的侵蝕強度分布建立關(guān)聯(lián)。進(jìn) 而，將從時刻T 3到T4之間的侵蝕的發(fā)展看作與時刻T3的針對時刻的形狀計算出的侵蝕強 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，使計算出的侵 蝕強度、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)庫的一個例子。另外，在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫時，無 需對能夠利用的全部材料進(jìn)行試驗。這是因為，能夠基于材料的特性（例如，拉伸強度、硬 度等），根據(jù)試驗過的材料的數(shù)據(jù)，以某種程度的精度，對拉伸強度、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裝置、射流式試驗裝置得到的現(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進(jìn)行了記載。首先，使用三維 (3D)CAD數(shù)據(jù)、實測數(shù)據(jù)等取得試驗對象物的初始形狀。另外，預(yù)先通過實測對表面性狀進(jìn) 行計量。
[0053] 接下來，利用空穴發(fā)生裝置來實際產(chǎn)生空穴，并將試驗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。此時，表面粗糙度對侵蝕特性產(chǎn)生影響。因此，考 慮預(yù)先實地測量出的表面粗糙度來實施CFD。由此，計算從試驗開始到潛伏期結(jié)束（T = T1 經(jīng)過時間）的侵蝕強度分布。
[0054] 在潛伏期結(jié)束時刻暫時停止試驗，并測量試驗對象物的表面形狀。作為計量的內(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，實施CFD。由 此，計算從潛伏期結(jié)束移至侵蝕期時的侵蝕強度分布。此時，對于侵蝕強度分布而言，由于 還考慮了表面形狀，所以能夠計算更接近實際的侵蝕現(xiàn)象的侵蝕強度分布。
[0055] 之后，再次將試驗對象物設(shè)置于空穴發(fā)生裝置，使其產(chǎn)生空穴。在過了潛伏期后， 在試驗對象物的表面產(chǎn)生侵蝕。然后，在從試驗開始到T = T2經(jīng)過時刻停止試驗。然后，實 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，實施CFD。 此時，對于侵蝕強度分布而言，由于也考慮了因侵蝕而變形的試驗對象物的形狀，所以能夠 計算更接近實際的侵蝕現(xiàn)象的侵蝕強度分布。
[0056] 進(jìn)而，再次將試驗對象物設(shè)置于空穴發(fā)生裝置，使其產(chǎn)生空穴。然后，在從試驗開 始到T = T3經(jīng)過時刻停止試驗，并實測侵蝕面的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施CFD。
[0057] 根據(jù)需要而反復(fù)多次進(jìn)行以上實測與CFD的步驟，從而使侵蝕的發(fā)展與由計算得 到的侵蝕強度分布的對應(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 實施空穴CFD，所以能夠構(gòu)建接近實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)庫是用于實施以下說明的侵蝕預(yù)測方法的數(shù)據(jù)庫的一個 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)嶋H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] 計算氣蝕強度分布
[0062] 取得初始形狀數(shù)據(jù)
[0063] 首先，為了實施空穴CFD，需要取得作為預(yù)測對象的流體機械的初始形狀數(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，計量并取得預(yù)測對象的實際的流體機械的形狀。作為計量實際的形 狀的具體的手法的一個例子，有根據(jù)使用激光的表面的計量來重建三維數(shù)據(jù)的手法。這種 手法對作為預(yù)測對象的流體機械的表面照射激光，并用照相機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，為了實施CFD，針對形成于流體機械等的內(nèi)部的流路形成網(wǎng)格。網(wǎng)格的生 成是根據(jù)流體機械的形狀數(shù)據(jù)來計算流路的形狀，然后，根據(jù)計算出的流路的形狀，將各部 分定義為網(wǎng)格的集合。在生成網(wǎng)格時，通過使流體機械的表面附近的網(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)計算精度的提高或者維持，又能夠縮短計算 所需的時間。
[0066] 決定材質(zhì)
[0067] 接下來，決定構(gòu)成流體機械的材質(zhì)。這是因為侵蝕特性因材料的不同而不同。
[0068] 決定運轉(zhuǎn)條件
[0069] 接下來，決定用于預(yù)測侵蝕的運轉(zhuǎn)條件。這是因為，流體機械中產(chǎn)生的侵蝕的速 度、量，因運轉(zhuǎn)條件而受到影響。這里，例如，決定運轉(zhuǎn)時間、運轉(zhuǎn)速度（例如，若為旋轉(zhuǎn)體則 是轉(zhuǎn)速）、流動的流體的特性（例如，流速、壓力、溫度、比重、粘性等）。
[0070] 計算空穴強度分布
[0071] 對于各網(wǎng)格，基于運轉(zhuǎn)條件，進(jìn)行由CFD對初始形狀實施的數(shù)值解析，并計算各部 分的空穴強度分布。雖然由很多研究者提出了空穴的強度分布，但可以使用其中任一個計 算法。在數(shù)據(jù)庫制作階段，可以選擇與實驗結(jié)果的相關(guān)性高的計算法。作為一個例子，以下 示出文獻(xiàn)A(能見，井小萩，伊賀，"運用數(shù)值解析的氣蝕預(yù)測技術(shù)的開發(fā)"，第59次渦輪機械 協(xié)會演講論文集，（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)對由所述流體機械形成的流路使用空穴CFD法所得到的空穴流動場特性，計算所 述流體機械的各部位的侵蝕強度分布， 基于所述侵蝕強度分布，將流體機械的侵蝕后的表面計算為近似侵蝕面， 對包含計算出的近似侵蝕面在內(nèi)的流路使用空穴CFD法，再次計算所述流體機械的各 部位的侵蝕強度分布， 基于所述再次計算出的侵蝕強度分布，而再次計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算中， 基于所述侵蝕強度分布，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， 基于所述侵蝕強度分布，進(jìn)一步計算所述流體機械表面所產(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中任一項所述的侵蝕預(yù)測方法，其特征在于， 在計算所述侵蝕強度分布前， 根據(jù)使用空穴CFD法所得到的空穴流動場特性，計算對于無侵蝕的所述流體機械的初 始形狀的各部位的侵蝕強度分布， 基于所述侵蝕強度分布，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 流體機械表面的各部位的表面粗糙度， 再次利用空穴CFD法來計算對于初始形狀的侵蝕強度分布， 基于計算出的所述侵蝕強度分布來進(jìn)行侵蝕預(yù)測。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1?3中任一項所述的侵蝕預(yù)測方法，其特征在于， 在計算所述侵蝕強度分布前， 測量通過實際的運轉(zhuǎn)已經(jīng)產(chǎn)生侵蝕的所述流體機械的形狀， 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，計算對于所 述流體機械的包含侵蝕的形狀的侵蝕強度分布， 基于計算出的侵蝕強度分布來進(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：具有存儲單元以及CPU的計算機、向計算機輸入信息的輸入單元、以及顯示由計 算機計算出的結(jié)果的顯示單元， 在所述存儲單元中存儲有用于執(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械的形 狀數(shù)據(jù)和材料信息，計算侵蝕后的流體機械的預(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計算流體機械伴隨時間的經(jīng)過的形狀變化，并以動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)的信息是伴隨時間的經(jīng)過的不同時刻的至少兩組信息。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1?5中任一項所述的侵蝕預(yù)測方法，其特征在于， 在實施所述空穴CFD時，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， 在所述存儲單元中存儲有權(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)測程序用于實施權(quán)利要求1?5以及10中任一項所述的侵蝕預(yù)測方法，并 能夠在計算機中執(zhí)行。
【文檔編號】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:株式會社荏原制作所