黏性泥沙含沙量對高速水流空化空蝕的影響

董志勇,曾 團(tuán),賈代魯,韓 巖

(浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)

高速水流空化空蝕有利也有弊,空化空蝕雖然可以去除廢水中難降解污染物[1]、殺滅原水中病原微生物[2],但是易使高水頭泄水建筑物發(fā)生空蝕破壞。在國外,如美國胡佛壩和格倫峽壩泄洪洞的反弧段皆形成長度超30 m,深度超10 m的空蝕坑[3,4]。在我國,如梅山水庫,在底孔的通氣孔閘門處發(fā)生了空蝕,1986年8月豐滿水電站溢流壩發(fā)現(xiàn)一處寬22 m、高19 m、深2～3 m的空蝕坑,柘溪水電站溢流壩挑流鼻坎最大蝕深達(dá)7.76 m[5],魯布革水電站閘門后混凝土被大面積空蝕,最大長度達(dá)9 m,寬達(dá)8.8 m,深度最大可達(dá)2 m[6]。此外,三門峽水利樞紐、劉家峽水電站、響洪甸水電站[7]和錦江水庫[8]等水工建筑物皆發(fā)生了空蝕破壞現(xiàn)象。我國多沙河流居多,研究泥沙或固體顆粒對高水頭泄水建筑物中高速水流空化空蝕的影響,具有重要的實際意義。針對此類研究,較早的研究工作如Harvey等[9-12]提出顆粒表面會附著氣核,氣核含量會影響到空泡的形成。常近時[13]提出渾水較清水更易發(fā)生空蝕。Xiong等[14]發(fā)現(xiàn)靜水壓強(qiáng)越高空蝕程度越深。鑒于江河泥沙含量較多的特性,國內(nèi)外許多學(xué)者開始研究含沙量對空化空蝕的影響。Liao等[15]采用顆粒軌跡模型研究了不同工況下轉(zhuǎn)輪葉片的磨損區(qū)域和程度,結(jié)果顯示空蝕程度隨著含沙量和沙顆粒大小的增大而增強(qiáng)。Romero等[16]對2種粒徑、3種含沙量進(jìn)行了空蝕試驗,認(rèn)為在粒徑最大情況下,空蝕量隨著含沙量的增大逐漸增加。Hu等[17]對沙懸浮液進(jìn)行空蝕試驗,利用質(zhì)量損失、掃描電子顯微鏡等評估空蝕程度,得出空蝕程度隨含沙量增大逐漸減小,但是對重量百分比超過3%含沙量的試驗并未得出有效結(jié)果。Liao等[18]和梁武科等[19]進(jìn)行了不同含沙量和不同流速的空蝕試驗,得出空蝕量隨含沙量和流速的增大而增加。田立言等[20-21]研究了含沙量和水流流速對空蝕量的影響,得出空蝕量隨著含沙量增加而增大。鄧軍等[22]分析了含沙量對空蝕的影響,得出當(dāng)含沙量濃度較小時含沙量增大空蝕增強(qiáng),含沙量濃度較大時對空蝕起抑制作用。趙偉國等[23-24]研究了含沙量對空化特性的影響,含沙量從0.5%變至1.5%時,其表現(xiàn)為先促進(jìn)空化后抑制,臨界含沙量為1.0%。王磊等[25-26]研究黃河水中含沙量對空化特性的影響,得出初生空化與臨界空化壓強(qiáng)值隨著含沙量的增大而增大。Lian等[27]發(fā)現(xiàn)泥沙影響空化存在一臨界尺寸,此中值粒徑約為0.035～0.048 mm。對小于該尺寸的泥沙顆粒,空蝕程度隨著含沙量的增加而減小。相比之下,大于此尺寸的泥沙顆粒,空蝕程度隨著含沙量的增加而增大。張輝[28]發(fā)現(xiàn)空蝕量隨泥沙粒徑和含沙量的增加而增加,并未發(fā)現(xiàn)臨界含沙量。梁亮等[29]研究了沙粒濃度對空蝕的影響,得出濃度增大引起空蝕坑深度加深、面積加大。董志勇等[30]研究了非黏性沙含沙量對砼試件空蝕的影響,分別進(jìn)行了0,2,12,30 kg/m3含沙量的空蝕試驗,雖然發(fā)現(xiàn)隨著含沙量的增加空蝕程度逐漸加深,但是也沒有得出臨界含沙量。由于含沙量的研究范圍不同,得到試驗結(jié)果也有所不同。當(dāng)含沙量相對較低時,無法得到臨界含沙量,只能得到含沙量增大空蝕增強(qiáng)的結(jié)論;當(dāng)含沙量相對較高時,可以得到含沙量增大空蝕減弱的結(jié)論。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上,擴(kuò)大了含沙量的研究范圍,得到該試驗條件下的臨界含沙量。且上述學(xué)者主要在振動空化試驗臺上或靜水中研究含沙量對空化空蝕的影響,鮮有關(guān)于黏性泥沙含沙量對泄水建筑物中高速水流空化空蝕影響的研究。筆者在小型循環(huán)式水洞中進(jìn)行了黏性泥沙不同含沙量對高速水流空化空蝕影響的試驗研究,以探求黏性泥沙含沙量對空化空蝕影響的機(jī)理。

1 試驗設(shè)備與量測技術(shù)

試驗在浙江工業(yè)大學(xué)水力學(xué)試驗室進(jìn)行,采用自主研發(fā)的小型循環(huán)式水洞,該設(shè)備主要由內(nèi)外筒水箱、2臺并聯(lián)多級離心泵、文丘里工作段、2臺電磁流量計以及循環(huán)管道、控制閥等組成,示意圖如圖1所示。文丘里工作段包含收縮段、喉部和擴(kuò)散段,喉部為20×20 mm2的方形斷面,收縮段與喉部、擴(kuò)散段與出水管道之間皆由方圓接頭連接。

1—內(nèi)筒工作水箱;2—外筒冷卻水箱;3—分流管;4—循環(huán)管道;5—多級離心泵;6—內(nèi)筒排水管道;7—外筒排水管道;8—控制閥;9—電磁流量計;10—文丘里工作段。

在擴(kuò)散段設(shè)有砼試件安放盒,盒中放置7 d齡期,水灰比W/C=0.4,灰砂比C/S=1.5的砼試件,砼試件下表面與高速水流相接,砼試件表面形態(tài)及尺寸如圖2,3所示。內(nèi)筒水箱盛放配制的不同含沙量挾沙水樣,為防止空泡潰滅產(chǎn)生大量熱量導(dǎo)致設(shè)備溫度過高,外筒設(shè)置冷卻循環(huán)水。內(nèi)筒挾沙水流通過多級離心泵加壓進(jìn)入循環(huán)管路,經(jīng)收縮段在喉部形成高速水流產(chǎn)生空泡,空泡在砼試件表面潰滅產(chǎn)生空蝕。

圖2 試驗前砼試件表面形態(tài)

圖3 砼試件尺寸

在喉部與擴(kuò)散段下方設(shè)有壓強(qiáng)測點(diǎn),測點(diǎn)布置如圖4和表1所示。通過壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗過程中各測點(diǎn)的壓強(qiáng),從而進(jìn)行含沙量對空化區(qū)、空蝕區(qū)壓力的量測與分析。用電子天平對空蝕前后的砼試件稱重得出空蝕量以衡量空蝕程度。每進(jìn)行1 h空蝕試驗后,將砼試件由試件盒取出置于鼓風(fēng)干燥箱以42 ℃低溫烘干3 h,在確保砼試件完全去除水分的同時保證砼試件的強(qiáng)度穩(wěn)定。

表1 測點(diǎn)位置

圖4 測點(diǎn)位置(單位:mm)

黏性泥沙由黃沙摻入30%黏土組成,中值粒徑d50=0.087 mm,配制不同含沙量S=0,2,12,21,30,40,50 kg/m3的挾沙水樣,并用旋轉(zhuǎn)式黏度計在水溫為50 ℃下對試驗挾沙水流進(jìn)行黏度測量,得到黏度數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各含沙量黏度值

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 含沙量對空化區(qū)和空蝕區(qū)壓強(qiáng)和空化數(shù)的影響

黏性泥沙不同含沙量S=0,2,12,21,30,40,50 kg/m3對空化區(qū)和空蝕區(qū)壓強(qiáng)的影響如圖5所示。由圖5可知:當(dāng)S<30 kg/m3時,空化區(qū)的壓強(qiáng)隨著含沙量的增大而降低,且為負(fù)壓;而當(dāng)S>30 kg/m3時,空化區(qū)的壓強(qiáng)不斷升高?？栈瘏^(qū)的壓強(qiáng)越低,即低于水的飽和蒸氣壓,易于產(chǎn)生空化。當(dāng)S<30 kg/m3時,隨著含沙量的增大,空化的發(fā)生概率也在增大;反之,當(dāng)含沙量S>30 kg/m3時,隨著含沙量的增大,逐漸不利于空化。由圖5還可以看出:隨著距喉部入口距離的延長,空蝕區(qū)壓強(qiáng)逐漸增大,這是由于斷面面積增大、流速減小從而導(dǎo)致壓強(qiáng)增大。當(dāng)S=30 kg/m3時,空蝕區(qū)壓強(qiáng)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn);當(dāng)S<30 kg/m3時,隨著含沙量的增大,壓強(qiáng)逐漸升高;當(dāng)S>30 kg/m3時,隨著含沙量的增大,壓強(qiáng)逐漸降低?？张菰诳瘴g區(qū)會發(fā)生潰滅,產(chǎn)生超高溫、超高壓,加劇空蝕程度。由此可得:S=30 kg/m3為臨界含沙量;當(dāng)S<30 kg/m3時,隨著含沙量的增大,空蝕程度加大;當(dāng)S>30 kg/m3時,隨著含沙量的增大空蝕減弱。

圖5 不同含沙量時文丘里工作段各測點(diǎn)時均壓強(qiáng)

用水流空化數(shù)來量化空化的強(qiáng)弱,空化數(shù)σ表達(dá)式為

(1)

式中:p為絕對壓強(qiáng);pυ為液體的飽和蒸汽壓強(qiáng);ρ為液體的密度;V為喉部流速。

空化區(qū)(測點(diǎn)1)的空化數(shù)如圖6所示。由圖6可知:當(dāng)S<30 kg/m3時,空化數(shù)隨著含沙量的增加逐漸降低;當(dāng)S>30 kg/m3時,空化數(shù)則隨著含沙量的進(jìn)一步增加而逐漸升高;空化數(shù)越低,水流越容易發(fā)生空化,即當(dāng)S=30 kg/m3時最容易發(fā)生空化。

圖6 不同含沙量時空化區(qū)空化數(shù)

2.2 含沙量對砼試件空蝕量的影響

通過人工配制含沙量S=0,2,12,21,30,40,50 kg/m3挾沙水流,分別在循環(huán)式水洞中進(jìn)行4 h高速水流空蝕試驗,砼試件空蝕量隨時間的變化關(guān)系如圖7所示。由圖7可知:當(dāng)S<30 kg/m3時,隨著含沙量的增加,空蝕量隨之增大;當(dāng)S>30 kg/m3時,空蝕量逐漸減小。由此可得,S=30 kg/m3為空蝕試驗的臨界含沙量。

圖7 砼試件累積空蝕量隨含沙量的變化關(guān)系

圖8為不同含沙量時砼試件空蝕狀況。由圖8可以看出:當(dāng)S=30 kg/m3時,空蝕程度最為嚴(yán)重,“麻點(diǎn)”最多。當(dāng)S=0,2,12,21,30 kg/m3時,含沙量的增加使砼試件表面“麻點(diǎn)”數(shù)量也逐漸增多;當(dāng)S=30,40,50 kg/m3時,“麻點(diǎn)”數(shù)量逐漸減少,空蝕程度相應(yīng)降低。由氣核理論可知:挾沙水流的泥沙顆粒表面會附著大量氣核,隨著含氣量的增加,臨界空化數(shù)也會隨之增大,而當(dāng)空化數(shù)小于臨界空化數(shù)時,更容易發(fā)生空化。因此,加大含沙量會導(dǎo)致空化發(fā)生概率增加,進(jìn)而促進(jìn)空泡在砼試件表面發(fā)生潰滅,導(dǎo)致空蝕量的上升。然而,對于黏性泥沙,隨著含沙量的進(jìn)一步增大,水流黏度也隨之增大,對空蝕具有抑制作用。

圖8 不同含沙量時砼試件空蝕狀況(V=37.6 m/s)

2.3 流速對不同含沙量砼試件空蝕量的影響

選取試驗中的低含沙量(2 kg/m3)、中含沙量(12 kg/m3)和高含沙量(30 kg/m3)3組不同含沙量進(jìn)行不同流速的空蝕試驗,以探究流速對不同含沙量砼試件空蝕量的影響。分別采用37.6 m/s和29.4 m/s兩種高、低流速,進(jìn)行不同含沙量的空蝕試驗,具體情況如圖9所示。對比圖9中3組不同含沙量的砼試件空蝕量,結(jié)果表明:隨著流速的增大,砼試件的空蝕量也不斷增大。這是由于流速增大時,會加劇流場的紊動,使得流場中的壓力脈動增大,空泡的產(chǎn)生更加容易,相應(yīng)生成的空泡數(shù)量也增加,當(dāng)空泡達(dá)到潰滅條件時會造成更嚴(yán)重的空蝕效果。

圖10為不同流速時砼試件累積空蝕量。由圖10可知:在兩種不同流速下,砼試件空蝕量均隨著含沙量的增大而增強(qiáng)。

圖10 不同流速時砼試件累積空蝕量

圖11為不同流速下砼試件表面空蝕狀況。由圖11可以明顯看出:當(dāng)V=29.4 m/s時,空蝕主要發(fā)生在砼試件近喉部端;而當(dāng)V=37.6 m/s時,空蝕覆蓋整個砼試件表面,且“麻點(diǎn)”數(shù)量也隨著流速提高而增加。這是由于當(dāng)喉部流速較慢時,擴(kuò)散段右端壓強(qiáng)無法達(dá)到空泡潰滅要求,從而導(dǎo)致空蝕段區(qū)域減小,只集中在砼試件左部區(qū)域。

圖11 不同流速砼試件空蝕狀況

3 結(jié) 論

通過試驗研究黏性泥沙含沙量對高速水流空化空蝕的影響,得出以下結(jié)論:1)空化區(qū)壓強(qiáng)隨著含沙量的變化存在一個臨界含沙量30 kg/m3,當(dāng)含沙量S<30 kg/m3時,空化區(qū)壓強(qiáng)隨著含沙量的增加而減小;當(dāng)S>30 kg/m3時,空化區(qū)壓強(qiáng)則隨著含沙量的增加而增大。2)空蝕區(qū)壓強(qiáng)隨著含沙量的變化也存在一個臨界含沙量30 kg/m3,然而與空化區(qū)的壓強(qiáng)變化相反,當(dāng)S<30 kg/m3時,空蝕區(qū)壓強(qiáng)隨含沙量的增加而增大;當(dāng)S>30 kg/m3時,空蝕區(qū)壓強(qiáng)則隨著含沙量的增加而減小。3)砼試件空蝕量隨著含沙量的變化存在相同的臨界含沙量30 kg/m3,當(dāng)S<30 kg/m3時,空蝕量隨著含沙量的增加而增大;當(dāng)S>30 kg/m3時,空蝕量則減小。4)在3種典型含沙量(2,12,30 kg/m3)情況下,砼試件的空蝕量隨著流速的提高而增大。