基于渦成因的空化空蝕破壞機理研究

基于渦成因的空化空蝕破壞機理研究

隨著水流的推移，沉積物和微氣核穿過。當流體運動到高速區(qū),壓強減小時,氣核將發(fā)育膨脹,形成空泡或空腔,此過程稱為“空化”?？张堇^續(xù)運動,若運動到壓強大的區(qū)域,將發(fā)生潰滅,造成邊壁的破壞,稱為“空蝕”。水電站過機泥沙粒徑易于檢測,可用最大粒徑、中值粒徑、平均粒徑或泥沙級配曲線等來表述,通過過壩泥沙長時間的檢測,即可了解泥沙粒徑的變化趨勢。三峽水庫蓄水后,水庫下泄的泥沙中值粒徑,實測多年平均值為0.004mm左右,并且懸移質級配非常細。1空化機研究伴隨著壓強的降低,氣核發(fā)育形成空泡。由于紊流中漩渦布滿著整個流場,從渦入手研究脈動壓強、空化與渦之間的關系。1.1不同轉向個體的渦流特性脈動壓強的成因是一個復雜的問題。一般認為,脈動壓強是紊流邊界中多級漩渦隨機混摻而引起的,稱為渦成因說。在湍流運動中,存在無數(shù)多個轉向各異、大小不等的漩渦。各種不同尺度的漩渦充滿整個湍流。在圖1中的升力P足以克服水對渦體的黏滯阻力時,渦體將上升并隨水流運動,進入流速不同的流層,也就產(chǎn)生了質體的摻混作用。在湍流中,轉向各異、大小不同的渦體有無數(shù)多個,所以水流的摻混作用一直雜亂無章地進行著,從而導致水流流速的脈動;根據(jù)能量守恒方程可知壓強也存在脈動。1.2生空化的根源—渦與空化的關系在漩渦旋轉過程中,漩渦轉向與水流方向相同的一側,加速度變大,壓強小;而另一側加速度變小,壓強大。渦體與周圍壓強形成壓力梯度,作用于周圍水體,并吸引顆粒向渦心運動。漩渦流中心的低壓區(qū)往往是產(chǎn)生空化的根源。渦體在高速水流中高速旋轉,在離心力作用下將大粒徑顆粒甩出沖擊邊壁。顆粒的離心運動偏離水流流線,加上顆粒與流體的速度不一致,導致泥沙顆粒周圍產(chǎn)生更小的脫流漩渦,引起局部壓力降低。當壓力降低到臨界汽化壓力時就會產(chǎn)生空泡,促使初生空化提前發(fā)生。當渦體中產(chǎn)生的空穴泡隨渦旋轉時,在低壓區(qū)的空泡會進一步發(fā)育,流到高壓區(qū)一側時則不斷縮小以至潰滅、消失。從而,渦體受到潰滅沖擊波的干擾破碎為更小的漩渦,最終分解為更小的氣泡以熱量的形式散失。在空泡潰滅之后,泡中心受高壓膨脹而產(chǎn)生沖擊波,形成負壓。在含沙水流高速紊動并且受力不平衡的情況下,會再度形成漩渦并滋生空泡。1.3微顆粒的產(chǎn)生作用當水流速度增大時,流體中渦體的數(shù)量和旋轉速度也將隨之增大。從而,吸引更大、更多微顆粒向渦心運動。旋轉的渦體中含有微顆粒,當流體的粘滯力不足以克服大粒徑顆粒需要的向心力時,顆粒將被甩出,為下一步的空化提前發(fā)生創(chuàng)造條件。太大的粒徑不能吸入到渦體中,太小的粒徑不能甩出渦體。合適的粒徑是空化的誘導條件?？梢?在流速變化的條件下,促發(fā)空蝕的粒徑級別,可能是促發(fā)磨損的粒徑級別。2關于空蝕破壞機的研究2.1高壓強區(qū)域的沖擊目前,主要有2個機械破壞模式。①沖擊波破壞模式?？张葸\動到高壓強區(qū)域,四周均勻受到,發(fā)生“向內(nèi)爆炸”式的潰滅?？张莸目臻g被水體占據(jù),形成高壓強區(qū)域。最終,壓強增大時,開始向外輻射圓球開沖擊波。若沖擊波的能量足夠大并傳到邊壁,并大于邊壁的抗壓強度,剛會造成邊壁的空蝕破壞。②微射流破壞模式?？张葸\動到高壓強區(qū)域后,其兩側所受的壓力梯度不等,與空泡壁壓力梯度大的一側在流體的條件下首先變形,最終液體射穿兩層泡壁形成射流,空泡分解成2個不同旋轉方向的渦體。當射流以一定的角度沖擊邊壁并距離邊壁較近時,就會造成邊壁的空蝕破壞。2.2空蝕和空泡空化之間的關系由于湍流中脈動的作用,空泡在瞬間潰滅時,會產(chǎn)生極大的壓強,以沖擊波或微射流的沖蝕邊壁。若空泡潰滅時的壓強足夠大,或離邊壁比較近時,邊壁將受到空蝕并形成凹坑。當空蝕破壞時間足夠長時,凹坑中就會形成水墊,阻止空蝕進一步發(fā)生。在高速流體中,坑底的脈動壓強將會直接影響空泡空化之后輻射能量的大小,進而影響邊壁受空蝕破壞的程度。在高速水流中,無數(shù)多個漩渦充滿著整個湍流。蝕坑底部的壓強是無數(shù)多個漩渦的摻混作用產(chǎn)生的壓強,脈動壓強可由渦成因說解釋?？梢钥闯?蝕坑底部的壓強與脈動壓強息息相關。2.3生的波浪強度空泡潰滅時產(chǎn)生的微射流速度達100~400m/s,產(chǎn)生的沖擊波強度達100~1000MPa,其作用范圍約為1~25μm,溫度可達200℃。正因為如此高的能量傳遞至水輪機葉片,導致葉片呈現(xiàn)藍色斑點,見圖2。2.4含沙水流的邊壁磨損形態(tài)在水輪機葉片遭受輕度破壞時,空蝕破壞形態(tài)表現(xiàn)為針孔和麻點。脈動式地微射流或沖擊波不斷地交替作用,促使孔內(nèi)表層和亞表層由于晶體位移不等產(chǎn)生微裂紋,進而,表層晶體剝落,針孔孔徑不斷增大,最終針孔不斷發(fā)育,并與相鄰針孔相互貫穿,將形成蜂窩狀的空蝕洞。含沙水流對邊壁的磨損是在水動力帶動下對邊壁磨、切、削、犁等作用的結果。大粒徑顆粒撞擊邊壁造成邊壁磨損(見圖3),其磨損形態(tài)主要表現(xiàn)為切削、犁入、嵌套。當水輪機到小粒徑泥沙顆粒磨損失時,初期表現(xiàn)為波浪狀的魚鱗坑。隨著時間的增長,表面破壞加速,成串的魚鱗坑發(fā)展為溝槽。3破壞水流的連續(xù)性高速水流是一種極其紊亂的流體。對于高速含沙水流,顆粒的存在破壞了水流的連續(xù)性,導致水流更加紊亂。此外,顆粒攜帶的氣核促進了空化初生提前發(fā)生,流體的紊動伴隨著脈動壓強的產(chǎn)生,壓強的不斷變化加速了空泡潰滅,同時,加劇了空蝕破壞程度。3.1小顆粒顆粒對邊壁的破壞機制1μm以下的微顆粒能長時間在邊壁區(qū)運動。在微顆粒吸附著氣核并攜帶著氣核在水力牽引力的作用下向邊壁運動的過程中,氣核若經(jīng)過低于汽化壓強的區(qū)域,將迅速發(fā)育。因1μm以下的微顆粒體積相對空泡體積已經(jīng)很小,對空泡四周的壓力梯度影響很小,可忽略不計。之后,遇到高壓強場時,空泡將發(fā)生沖擊式模式的空蝕破壞。同時,液體攜帶著微顆粒向邊壁運動,對邊壁產(chǎn)生磨損破壞?？梢?小粒徑顆粒對邊壁的破壞形式為空蝕和磨損2種形式。并且,空蝕與磨損幾乎同一時間發(fā)生,共同對邊壁產(chǎn)生破壞。研究表明:顆粒位置離邊壁越近,顆粒運動速度越大。由此可知,小顆粒對邊壁的破壞不容忽視。在含小顆粒泥沙水流對邊壁產(chǎn)生磨蝕破壞時,空蝕和磨損破壞可能同等重要,共同對邊壁產(chǎn)生破壞;同時,空蝕和磨損破壞相互耦合。3.2大顆粒顆粒引起的內(nèi)凹變形10μm以上的微顆粒在近壁區(qū)運動時,當其攜帶空泡運動時,因受邊界層的影響而逐漸遠離壁面。大粒徑顆粒攜帶氣核發(fā)育成的空泡在壁面附近運動,若經(jīng)過某高壓強區(qū)域,由于氣泡吸附在大粒徑顆粒上,導致有顆粒吸附的一側和無顆粒吸附一側受液體的壓力梯度不等,無顆粒吸附一側,壓力梯度大,易產(chǎn)生內(nèi)凹變形,最終流體射穿兩層泡壁形成微射流作用在大顆粒表面。部分微射流的能量將傳到邊壁。同時,大顆粒在微射流作用下,可能產(chǎn)生旋轉并撞擊邊壁,通過切削、撞擊磨損邊壁?？梢钥闯?大粒徑顆粒對邊壁的破壞形式以磨損為主,微射流形式的空蝕破壞為輔。多數(shù)大粒徑顆粒同時存在時,旋轉式的撞擊邊壁,掃描式的磨損。當邊壁表面形貌高度在1mm以上,流速達15m/s時,還將引起空化,增加流場中的空泡數(shù)量。顯然,對于三峽水輪機來說,出水邊速度已經(jīng)超過40m/s,若施工工藝不當、檢修不及等不利因素導致表層磨蝕破壞超過1mm時,水輪機的空蝕破壞加劇,可能導致更加嚴重的后果。4三峽挖掘機觀測實例4.1空蝕破壞模式如前述,三峽水電站實測多年平均中值粒徑值為0.004mm,屬于10μm以上的大粒徑所占質量分數(shù)小于50%。含沙水流流經(jīng)水輪機時,小粒徑所占質量分數(shù)大于50%,其小粒徑顆粒數(shù)所占更大的比例。如圖4所示,出水邊出現(xiàn)蜂窩狀的坑,屬空蝕破壞,其破壞模式正是由于小粒徑顆粒攜帶空泡對水輪機葉片造成的磨蝕破壞?？张莞咚贊?產(chǎn)生的高溫高壓,灼燒葉片,使葉片呈現(xiàn)藍色空蝕坑。對于出水邊蜂窩狀蝕坑的周圍,出現(xiàn)了一些閃亮地相對周圍更大的坑。這是因為:小粒徑顆粒從空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波中獲得充足的能量,將對葉片產(chǎn)生沖蝕破壞,最終使葉片晶粒外露,呈現(xiàn)閃亮的磨蝕坑。由于出水邊含沙水流旋轉半徑大,離心加速度及速度比轉輪里的大,壓強低,易發(fā)生空蝕破壞。在空蝕發(fā)生的同時,部分粒徑顆粒對葉片邊壁造成磨損破壞。由此可知:出水邊的蜂窩狀蝕坑是空蝕的產(chǎn)物,并且,空蝕的產(chǎn)生伴隨著泥沙顆粒的磨損作用,蜂窩狀蝕坑周圍閃亮的大坑是磨損造成的(如圖4中細部圖)?？梢?正壓面出水邊的磨蝕是由磨蝕(即空蝕加磨損)破壞造成的。4.2顆粒磨損破壞葉片的大部分區(qū)域(除出水邊以外)受到不規(guī)律的大粒徑顆粒撞擊。大粒徑顆粒隨水流運動,由于慣性力比水大,易產(chǎn)生顆粒偏離流線,沖擊葉片。除此之外,大顆粒吸附的空泡空化時產(chǎn)生微射流作用于顆粒表面,對顆粒施加一定的動量,最終顆?？赡芮邢?、撞擊葉片,造成葉片的磨損破壞。由此可知:葉片的大部分區(qū)域破壞是屬于磨損破壞。4.3含沙水流中顆粒與邊壁相互作用空蝕導致邊壁產(chǎn)生麻點或蜂窩狀的蝕坑,使原本平滑的邊壁變得粗糙,增強了水流的紊動。當含沙水流流經(jīng)邊壁時,高速紊動水流使更多容重較大的顆粒偏離流線,直接撞擊、切削邊壁,造成邊壁的磨損破壞。同時,磨損導致邊壁金結構破裂,晶體析出,邊壁表層達到疲勞強度。高速水流經(jīng)流此處,水流速度突然降低,造成邊壁的空蝕破壞,空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波削掉薄弱層。小粒徑顆粒攜帶氣泡潰滅時,產(chǎn)生沖擊波模式的空蝕破壞作用于葉片表面,同時,沖擊波傳遞一部分于顆粒;最終導致顆粒沖擊邊壁。大粒徑顆粒攜帶的氣泡潰滅時,產(chǎn)生微射流模式的空蝕破壞作用于顆粒。當微射流發(fā)生點與邊壁的距離比較近并指向邊壁時,空泡的剩余能量將以微射流的形式對邊壁產(chǎn)生空蝕破壞。同時,帶有高動量的顆粒將對邊壁產(chǎn)生切削、沖擊、犁耕等磨損作用。含沙水流中,空泡的潰滅伴隨著空蝕與磨損的同時發(fā)生,二者相互耦合作用于邊壁,對邊壁造成破壞。研究表明,表面磨蝕破壞引起的局部高壓將加速空泡的潰滅,同時增大破壞強度。最終導致邊壁不斷遭受破壞。4.4磨蝕和干蝕破壞根據(jù)前述,三峽水輪機左岸11號機組(見圖3)和右岸14號機組(見圖4)均出現(xiàn)磨蝕破壞?？梢钥闯?三峽水輪機葉片的磨蝕是存在的。三峽水電站不同的機組,在轉輪直徑相差很小,幾乎在同一水頭高度運行的情況下,都將出現(xiàn)不同程度地空蝕破壞。其特殊性主要表現(xiàn)在機組運行時間不等和泥沙粒徑級配不同2方面。5微射流破壞模式從渦體的角度對空化空蝕進行機理分析,并結合三峽水電站水輪機磨蝕實際情況,分析了顆粒粒徑對空化空蝕的影響,得出:(1)小粒徑顆粒伴隨沖擊波破壞模式對邊壁產(chǎn)生磨蝕破壞,磨損與空蝕沒有主次之分