水流含沙量对磨蚀的影响

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1、水流含沙量对磨蚀的影响摘要：在前人研究的基础上，分析了含沙量对磨损和气蚀的影响，提出了由湍流猝发现象而引起的扫荡磨损的概念，认为含沙量的增加将增加星度微切削破坏作用和扫荡磨损，降低单颗粒泥沙的破坏作用；含沙量小时促进气蚀，而含沙量大时则制约气蚀。提出了临界含沙量Scr有可能不存在的情况，解释了2湍流的拟序结构对磨蚀的影响.L.编辑。　　早期的湍流边界层理论认为贴近壁面处的流动是层流，并称之为层流底层，自从50年代以后美国Stanford大学的湍流学派认为层流底层触发湍流的重要区域，粗糙壁面可能不存在层流底层。当底层出现条带后，边界层的速度剖面逐渐发生扭

2、曲，条带逐渐升起，当速度剖面扭曲相当严重时，由于流动不稳定性流场发生振荡并产生强烈的展向涡，最后强烈的振荡把条带打碎产生极大的脉冲，称为猝发现象。伴随猝发一部分底层流体向外抽出将强烈湍流脉动输送到外层，与此同时，由于流动的连续性，外层一部分流体卷向底层，这种补充的水体受到压力波的加速作用，以与边壁成5°～15°的微星度扫荡底面，并略带侧向推挤[4]。其示意图见图3。　　含沙高速水流每次发生猝发现象时，必然造成一次扫荡底流挟带悬沙对边壁的5°～15°的微星度磨损，这种磨损现象属于微切削磨损，这是由于猝发现象所引起的高速流团向壁面的扫掠而造成的猝然加剧的磨损

3、，本文将其称为扫荡磨损。由于至今仍无水流含沙对猝发现象影响的研究报告，我们仍可按照湍流理论关于猝发现象的研究结果，认为这种猝发性的扫荡磨损现象也是随机的，由于猝发现象与紊流的拟序结构有关，因而，扫荡磨损的特性也与含沙水流的紊流拟序结构有关，猝发性的扫荡磨损必然随水流含沙量的增加而增加。3泥沙含量对水流紊动性的影响图3紊流猝发过程示意图Sketchmapofturbulenceprocess　　一般来说，当水中存在泥沙时，其粘性增加。当含沙量较小时，如体积比含沙量在10%以下时，含沙水流将保持牛顿流体的特性。此时由于沙粒之间的距离较大，某一颗粒到达另一颗粒

4、所在位置时，前一颗粒的影响已可被忽略；所以对于任一点水流来说，泥沙的存在对它的影响可以看成是附近所有沙粒在该点所产生的独立影响的代数和，爱因斯坦推导出如下公式[5]μr=1+2.5Sv(2)式中μr为相对粘滞系数，即浑水粘滞系数与同温度清水粘滞系数的比值；Sv为体积比含沙量。　　若含沙量Sv=10%,则浑水粘滞系数将增加25%。若含沙量比较大，浑水还可能从牛顿流体转变为宾汉体，此时其相对粘滞系数则由下式表示μr=(1+2.9Sv)-2.5(3)　　若含沙量Sv=11%,则μr=2.6，粘滞系数比清水增加了1.6倍，增加是很显著的。　　水流紊动的生成，发展

5、与耗散过程也就是水流中旋涡的形成，发展与碎裂过程。水流的粘滞性既影响旋涡的生成与发展，也促进旋涡的磨灭，消亡，所以粘滞性的增加将降低水流的紊动强度。拜格诺(Bagnold.R)在水槽中进行的试验[5]，试验用砂粒粒径为1.36mm比重为1.004，模型沙为石蜡—铅球粉。随着含沙量的增加，紊动强度愈受制约，当体积比含沙量为25%时，不规则的紊动现象逐渐被规则的副流所代替，当体积比含沙量达30%时，紊动已显著减弱，当体积比含沙量达到35%以上时，紊动及副流现象均已消失。这一试验充分证明，含沙量的增加将降低水流的紊动强度。4泥沙含量对空化空蚀的影响　　当含沙量

6、增加时，紊动强度降低，脉动压力减小，根据在水洞中垂直升坎空化影响试验的结果可知，脉动压力减小时，初生空化数也减小，初生空化数按下式表示k=P0-Pv/ρV20/2(4)式中P0为试件前无干扰处的压力；Pv为相应水温下的饱和蒸气压力；V0为试件前无干扰处的流速；ρ为液体的密度。　　图4为刘一心在循环水洞中的试验得出的初生空化数和泥沙含量的关系曲线[7]，从中可看出，泥沙含量S对初生空化数有两种相反的作用，当含沙量较小时，它促进空化提前发生，这可能是由于泥沙引起气核变化的影响大于它对紊动强度影响作用的缘故，与此相反，当泥沙含量较大时则制约空化的发生。图4初生

7、空化数和含沙量的关系Relationbetentconcentrationandcavitation5结论　　泥沙含量对磨蚀的影响是非常复杂的，特别是高速含沙水流，空化空蚀和磨蚀常相伴发生并相互影响，综合上述分析可得出以下结论：　　1.随着水流含沙量的增加，小冲角的微切削破坏作用也相应增加。　　2.随着水流含沙量的增加，由猝发现象而引起的扫荡磨损增加。　　3.当水流含沙量相当大时，水流的粘滞性明显增加，紊动强度明显减弱，由紊动传递给单颗粒泥沙的能量减少，从而使单颗粒泥沙的破坏作用减轻。　　4.随着水流含沙量的增加，当含沙量较小时，沙粒所带气核对空化空蚀的

8、影响大于沙粒对脉动压力的影响，此时促进空化空蚀；而当含沙量较大时则相反，从而制约