水利工程論文-水流含沙量對磨蝕的影響摘要：在前人研究的基礎(chǔ)上，分析了含沙量對磨損和氣蝕的影響，提出了由湍流猝發(fā)現(xiàn)象而引起的掃蕩磨損的概念，認為含沙量的增加將增加星度微切削破壞作用和掃蕩磨損，降低單顆粒泥沙的破壞作用；含沙量小時促進氣蝕，而含沙量大時則制約氣蝕。提出了臨界含沙量Scr1、2的結(jié)論。關(guān)鍵詞：磨蝕掃蕩磨損氣蝕紊動我國河流中大多數(shù)含有泥沙，有的含沙量很大。如著名的黃河干流多年平均含沙量達37kg/m3,長江含沙量較少，上游多年平均含沙量約為1.7kg/m3,輸沙量大多集中在每年69月的洪水期，當(dāng)挾沙水流以較高的流速流經(jīng)泄水或排水建筑物時，將對閘門槽、底板、泄洪排沙底孔、溢流面等造成磨損，嚴重者直接危害到水工建筑物的安全，造成很大的經(jīng)濟損失，故對含沙水流的磨蝕規(guī)律進行研究很有必要。圖1含沙量和磨蝕失重的關(guān)系Relationbetweensedimentconcentrationandabrasionrateofdifferentmaterials目前，對于水流含沙量對磨損的影響理論上的研究還很不成熟，主要靠實驗的手段來加以研究，不同的學(xué)者采用不同的方法在這方面做了許多研究，但他們的結(jié)果很不一致，有的甚至是相互矛盾的。水利水電科學(xué)研究院在各種空化試驗設(shè)備上如水洞、轉(zhuǎn)盤儀和磁致伸縮儀上進行的試驗，以及采用黃河沙和塑料沙進行的空化和磨蝕試驗發(fā)現(xiàn)，在含沙量小時，含沙量的增加對空化和磨蝕起促進作用，在含沙量大時，含沙量的增加對空化和磨蝕起制約作用(如圖1)，在兩種相反作用之間存在一稱為臨界含沙量Scr的轉(zhuǎn)變點1。而清華大學(xué)在二元文丘里管中，采用黃河小浪底河灘的天然砂做的試驗研究表明，混凝土等脆性材料的平均磨蝕率均隨水流含沙量的增大而增大，并沒有明顯的峰值2(如圖2)。1含沙水流的沖磨機理圖2不同材料的磨蝕率與含沙量的關(guān)系Relationbetweensedimentconcentrationandabrasion含沙水流的磨蝕，屬于水沙二相流問題，水流中的沙石之所以能造成材料的磨損，是由于水流中的沙粒具有足夠的動能，它所具有的能量來源于挾沙水流，當(dāng)沙粒沖磨固體壁面材料時，把一部分或全部能量傳給壁面材料，在材料表層轉(zhuǎn)化為表面變形能從而造成材料的磨損。1960年J.G.Bitler通過研究認為：金屬材料的磨損是垂直變形磨損和水平微切削磨損的疊加復(fù)合磨粒磨損。他的過于復(fù)雜的公式經(jīng)J.M.Neilson和A.Gildrist簡化后，得到如下沖磨函數(shù)。(1)式中W為沖磨失重(g)；Ms為磨粒質(zhì)量；Ms=Ws/g(kg/m/s2)；g=9.8m/s2；Ws為磨粒重量(kg)；Vs為沙速(m/s)；為沖角。臨界沖角0=/2n；n為水平回彈率因素(無量綱)；為沖擊變形磨損耗能回數(shù)(kg.m/g)；為微切削磨損耗能回數(shù)(kg.m/g)；K為臨界磨損沙速(m/s)。他們對柔性金屬軟鋼、鋁等所做的磨損實驗，發(fā)現(xiàn)其磨損曲線上有一個低沖角的微切削磨損高峰。而在對巖石、玻璃等脆性材料的磨損實驗中，發(fā)現(xiàn)這些材料的磨損是單純的沖擊變形磨損。白福來等對沖磨機理的研究表明，對同一種材料而言，沖角的大小決定著沖磨破壞的機理，在高速挾沙水流中，沖角小，以微切削破壞為主；在流速較小，大粒徑滾跳磨損的場合，沖角大，以沖擊變形磨損為主3。高速含懸沙水流應(yīng)屬于小沖角的微切削破壞，這種水流由于紊動強度大，其含沙量沿垂線分布可看作均勻分布，所以隨著含沙量的增加，對過流表面材料磨損的沙粒也應(yīng)相對增加，磨損強度也應(yīng)隨之增大。2湍流的擬序結(jié)構(gòu)對磨蝕的影響早期的湍流邊界層理論認為貼近壁面處的流動是層流，并稱之為層流底層，自從50年代以后美國Stanford大學(xué)的湍流學(xué)派認為層流底層觸發(fā)湍流的重要區(qū)域，粗糙壁面可能不存在層流底層。當(dāng)?shù)讓映霈F(xiàn)條帶后，邊界層的速度剖面逐漸發(fā)生扭曲，條帶逐漸升起，當(dāng)速度剖面扭曲相當(dāng)嚴重時，由于流動不穩(wěn)定性流場發(fā)生振蕩并產(chǎn)生強烈的展向渦，最后強烈的振蕩把條帶打碎產(chǎn)生極大的脈沖，稱為猝發(fā)現(xiàn)象。伴隨猝發(fā)一部分底層流體向外抽出將強烈湍流脈動輸送到外層，與此同時，由于流動的連續(xù)性，外層一部分流體卷向底層，這種補充的水體受到壓力波的加速作用，以與邊壁成515的微星度掃蕩底面，并略帶側(cè)向推擠4。其示意圖見圖3。含沙高速水流每次發(fā)生猝發(fā)現(xiàn)象時，必然造成一次掃蕩底流挾帶懸沙對邊壁的515的微星度磨損，這種磨損現(xiàn)象屬于微切削磨損，這是由于猝發(fā)現(xiàn)象所引起的高速流團向壁面的掃掠而造成的猝然加劇的磨損，本文將其稱為掃蕩磨損。由于至今仍無水流含沙對猝發(fā)現(xiàn)象影響的研究報告，我們?nèi)钥砂凑胀牧骼碚撽P(guān)于猝發(fā)現(xiàn)象的研究結(jié)果，認為這種猝發(fā)圖3紊流猝發(fā)過程示意圖Sketchmapofturbulenceprocess性的掃蕩磨損現(xiàn)象也是隨機的，由于猝發(fā)現(xiàn)象與紊流的擬序結(jié)構(gòu)有關(guān)，因而，掃蕩磨損的特性也與含沙水流的紊流擬序結(jié)構(gòu)有關(guān)，猝發(fā)性的掃蕩磨損必然隨水流含沙量的增加而增加。3泥沙含量對水流紊動性的影響一般來說，當(dāng)水中存在泥沙時，其粘性增加。當(dāng)含沙量較小時，如體積比含沙量在10%以下時，含沙水流將保持牛頓流體的特性。此時由于沙粒之間的距離較大，某一顆粒到達另一顆粒所在位置時，前一顆粒的影響已可被忽略；所以對于任一點水流來說，泥沙的存在對它的影響可以看成是附近所有沙粒在該點所產(chǎn)生的獨立影響的代數(shù)和，愛因斯坦推導(dǎo)出如下公式5r=1+2.5Sv(2)式中r為相對粘滯系數(shù)，即渾水粘滯系數(shù)與同溫度清水粘滯系數(shù)的比值；Sv為體積比含沙量。若含沙量Sv=10%,則渾水粘滯系數(shù)將增加25%。若含沙量比較大，渾水還可能從牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢體，此時其相對粘滯系數(shù)則由下式表示r=(1+2.9Sv)-2.5(3)若含沙量Sv=11%,則r=2.6，粘滯系數(shù)比清水增加了1.6倍，增加是很顯著的。水流紊動的生成，發(fā)展與耗散過程也就是水流中旋渦的形成，發(fā)展與碎裂過程。水流的粘滯性既影響旋渦的生成與發(fā)展，也促進旋渦的磨滅，消亡，所以粘滯性的增加將降低水流的紊動強度。拜格諾(Bagnold.R)在水槽中進行的試驗5，試驗用砂粒粒徑為1.36mm比重為1.004，模型沙為石蠟鉛球粉。隨著含沙量的增加，紊動強度愈受制約，當(dāng)體積比含沙量為25%時，不規(guī)則的紊動現(xiàn)象逐漸被規(guī)則的副流所代替，當(dāng)體積比含沙量達30%時，紊動已顯著減弱，當(dāng)體積比含沙量達到35%以上時，紊動及副流現(xiàn)象均已消失。這一試驗充分證明，含沙量的增加將降低水流的紊動強度。4泥沙含量對空化空蝕的影響當(dāng)含沙量增加時，紊動強度降低，脈動壓力減小，根據(jù)在水洞中垂直升坎空化影響試驗的結(jié)果可知，脈動壓力減小時，初生空化數(shù)也減小，初生空化數(shù)按下式表示k=P0-Pv/V20/2(4)式中P0為試件前無干擾處的壓力；Pv為相應(yīng)水溫下的飽和蒸氣壓力；V0為試件前無干擾處的流速；為液體的密度。圖4為劉一心在循環(huán)水洞中的試驗得出的初生空化數(shù)和泥沙含量的關(guān)系曲線7，從中可看出，泥沙含量S對初生空化數(shù)有兩種相反的作用，當(dāng)含沙量較小時，它促進空化提前發(fā)生，這可能是由于泥沙引起氣核變化的影響大于它對紊動強度影響作用的緣故，與此相反，當(dāng)泥沙含量較大時則制約空化的發(fā)生。圖4初生空化數(shù)和含沙量的關(guān)系Relationbetweensedimentconcentrationandcavitation5結(jié)論泥沙含量對磨蝕的影響是非常復(fù)雜的，特別是高速含沙水流，空化空蝕和磨蝕常相伴發(fā)生并相互影響，綜合上述分析可得出以下結(jié)論：1.隨著水流含沙量的增加，小沖角的微切削破壞作用也相應(yīng)增加。2.隨著水流含沙量的增加，由猝發(fā)現(xiàn)象而引起的掃蕩磨損增加。3.當(dāng)水流含沙量相當(dāng)大時，水流的粘滯性明顯增加，紊動強度明顯減弱，由紊動傳遞給單顆粒泥沙的能量減少，從而使單顆粒泥沙的破壞作用減輕。4.隨著水流含沙量的增加，當(dāng)含沙量較小時，沙粒所帶氣核對空化空蝕的影響大于沙粒對脈動壓力的影響，此時促進空化空蝕；而當(dāng)含沙量較大時則相反，從而制約空化空蝕作用。所以當(dāng)含沙量較小時，隨著含沙量的增加，空化空蝕和磨蝕都不斷增加，此時泥沙對磨損起促進作用，而當(dāng)泥沙含量較大時，隨著含沙量的增加若它對1、2兩項的影響仍大于對3、4兩項的影響則繼續(xù)表現(xiàn)為促進磨蝕，文獻2中的試驗屬于此類情況，尚未發(fā)現(xiàn)臨界含沙量；若它對1、2兩項的影響在某一含沙量時小于對3、4的影響，則表現(xiàn)為抑制磨蝕，此含沙量稱為飽和含沙量Scr，文獻1中的試驗屬于此類情況。但Scr與水流條件、泥沙特性和壁面材料等有關(guān)，且泥沙含量對各種作用的影響仍無定量的結(jié)論，故尚不能確定Scr的大小，須進一步研究。特別是南方山區(qū)潮河流，懸移質(zhì)泥沙含量往往很小，可能遠小于臨界含沙