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摘要摘要：在前人探究的基礎(chǔ)上，分析了含沙量對(duì)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(rèn)為含沙量的增加將增加星度微切削破壞功能和掃蕩磨損，降低單顆粒泥沙的破壞功能；含沙量小時(shí)促進(jìn)氣蝕，而含沙量大時(shí)則制約氣蝕。提出了臨界含沙量Scr有可能不存在的情況，解釋了文獻(xiàn)[1、[2的結(jié)論。

摘要：磨蝕掃蕩磨損氣蝕紊動(dòng)

我國(guó)河流中大多數(shù)含有泥沙，有的含沙量很大。如聞名的黃河干流多年平均含沙量達(dá)37kg/m3,長(zhǎng)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6～9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(shí)，將對(duì)閘門(mén)槽、底板、泄洪排沙底孔、溢流面等造成磨損，嚴(yán)重者直接危害到水工建筑物的平安，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，故對(duì)含沙水流的磨蝕規(guī)律進(jìn)行探究很有必要。

圖1含沙量和磨蝕失重的關(guān)系

Relationbetweensedimentconcentrationandabrasionrateofdifferentmaterials

目前，對(duì)于水流含沙量對(duì)磨損的影響理論上的探究還很不成熟，主要靠實(shí)驗(yàn)的手段來(lái)加以探究，不同的學(xué)者采用不同的方法在這方面做了許多探究，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)探究院在各種空化試驗(yàn)設(shè)備上如水洞、轉(zhuǎn)盤(pán)儀和磁致伸縮儀上進(jìn)行的試驗(yàn)，以及采用黃河沙和塑料沙進(jìn)行的空化和磨蝕試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在含沙量小時(shí)，含沙量的增加對(duì)空化和磨蝕起促進(jìn)功能，在含沙量大時(shí)，含沙量的增加對(duì)空化和磨蝕起制約功能(如圖1)，在兩種相反功能之間存在一稱為臨界含沙量Scr的轉(zhuǎn)變點(diǎn)[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(yàn)探究表明，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(méi)有明顯的峰值[2(如圖2)。

1含沙水流的沖磨機(jī)理

圖2不同材料的磨蝕率和含沙量的關(guān)系

Relationbetweensedimentconcentrationandabrasion

含沙水流的磨蝕，屬于水沙二相流新問(wèn)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(dòng)能，它所具有的能量來(lái)源于挾沙水流，當(dāng)沙粒沖磨固體壁面材料時(shí)，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(guò)探究認(rèn)為摘要：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(guò)于復(fù)雜的公式經(jīng)J.M.Neilson和A.Gildrist簡(jiǎn)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);α為沖角。臨界沖角α0=π/2n;n為水平回彈率因素(無(wú)量綱)；ε為沖擊變形磨損耗能回?cái)?shù)(kg.m/g);φ為微切削磨損耗能回?cái)?shù)(kg.m/g);K為臨界磨損沙速(m/s)。

他們對(duì)柔性金屬軟鋼、鋁等所做的磨損實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其磨損曲線上有一個(gè)低沖角的微切削磨損高峰。而在對(duì)巖石、玻璃等脆性材料的磨損實(shí)驗(yàn)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(lái)等對(duì)沖磨機(jī)理的探究表明，對(duì)同一種材料而言，沖角的大小決定著沖磨破壞的機(jī)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(chǎng)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(dòng)強(qiáng)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(duì)過(guò)流表面材料磨損的沙粒也應(yīng)相對(duì)增加，磨損強(qiáng)度也應(yīng)隨之增大。

2湍流的擬序結(jié)構(gòu)對(duì)磨蝕的影響

早期的湍流邊界層理論認(rèn)為貼近壁面處的流動(dòng)是層流，并稱之為層流底層，自從50年代以后美國(guó)Stanford大學(xué)的湍流學(xué)派認(rèn)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(yán)重時(shí)，由于流動(dòng)不穩(wěn)定性流場(chǎng)發(fā)生振蕩并產(chǎn)生強(qiáng)烈的展向渦，最后強(qiáng)烈的振蕩把條帶打壞產(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(qiáng)烈湍流脈動(dòng)輸送到外層，和此同時(shí)，由于流動(dòng)的連續(xù)性，外層一部分流體卷向底層，這種補(bǔ)充的水體受到壓力波的加速功能，以和邊壁成5°～15°的微星度掃蕩底面，并略帶側(cè)向推擠[4。其示意圖見(jiàn)圖3。

含沙高速水流每次發(fā)生猝發(fā)現(xiàn)象時(shí)，必然造成一次掃蕩底流挾帶懸沙對(duì)邊壁的5°～15°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(tuán)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(wú)水流含沙對(duì)猝發(fā)現(xiàn)象影響的探究報(bào)告，我們?nèi)钥砂凑胀牧骼碚撚嘘P(guān)猝發(fā)現(xiàn)象的探究結(jié)果，認(rèn)為這種猝發(fā)性的掃蕩磨損現(xiàn)象也是隨機(jī)的，由于猝發(fā)現(xiàn)象和紊流的擬序結(jié)構(gòu)有關(guān)，因而，掃蕩磨損的特性也和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(duì)水流紊動(dòng)性的影響

圖3紊流猝發(fā)過(guò)程示意圖

Sketchmapofturbulenceprocess

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)水中存在泥沙時(shí)，其粘性增加。當(dāng)含沙量較小時(shí)，如體積比含沙量在10%以下時(shí)，含沙水流將保持牛頓流體的特性。此時(shí)由于沙粒之間的距離較大，某一顆粒到達(dá)另一顆粒所在位置時(shí)，前一顆粒的影響已可被忽略；所以對(duì)于任一點(diǎn)水流來(lái)說(shuō)，泥沙的存在對(duì)它的影響可以看成是四周所有沙粒在該點(diǎn)所產(chǎn)生的獨(dú)立影響的代數(shù)和，愛(ài)因斯坦推導(dǎo)出如下公式[5

μr=1+2.5Sv

(2)

式中μr為相對(duì)粘滯系數(shù)，即渾水粘滯系數(shù)和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(shí)其相對(duì)粘滯系數(shù)則由下式表示

μr=(1+2.9Sv)-2.5

(3)

若含沙量Sv=11%,則μr=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(dòng)的生成，發(fā)展和耗散過(guò)程也就是水流中旋渦的形成，發(fā)展和碎裂過(guò)程。水流的粘滯性既影響旋渦的生成和發(fā)展，也促進(jìn)旋渦的磨滅，消亡，所以粘滯性的增加將降低水流的紊動(dòng)強(qiáng)度。拜格諾(Bagnold.R)在水槽中進(jìn)行的試驗(yàn)[5，試驗(yàn)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(dòng)強(qiáng)度愈受制約，當(dāng)體積比含沙量為25%時(shí)，不規(guī)則的紊動(dòng)現(xiàn)象逐漸被規(guī)則的副流所代替，當(dāng)體積比含沙量達(dá)30%時(shí)，紊動(dòng)已顯著減弱，當(dāng)體積比含沙量達(dá)到35%以上時(shí)，紊動(dòng)及副流現(xiàn)象均已消失。這一試驗(yàn)充分證實(shí)，含沙量的增加將降低水流的紊動(dòng)強(qiáng)度。

4泥沙含量對(duì)空化空蝕的影響

當(dāng)含沙量增加時(shí)，紊動(dòng)強(qiáng)度降低，脈動(dòng)壓力減小，根據(jù)在水洞中垂直升坎空化影響試驗(yàn)的結(jié)果可知，脈動(dòng)壓力減小時(shí)，初生空化數(shù)也減小，初生空化數(shù)按下式表示

k=P0-Pv/ρV20/2

(4)

式中P0為試件前無(wú)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(wú)干擾處的流速；ρ為液體的密度。

圖4為劉一心在循環(huán)水洞中的試驗(yàn)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(duì)初生空化數(shù)有兩種相反的功能，當(dāng)含沙量較小時(shí)，它促進(jìn)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(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度影響功能的緣故，和此相反，當(dāng)泥沙含量較大時(shí)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

Relationbetweensedimentconcentrationandcavitation

5結(jié)論

泥沙含量對(duì)磨蝕的影響是非常復(fù)雜的，非凡是高速含沙水流，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)論摘要：

1.隨著水流含沙量的增加，小沖角的微切削破壞功能也相應(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(shí)，水流的粘滯性明顯增加，紊動(dòng)強(qiáng)度明顯減弱，由紊動(dòng)傳遞給單顆粒泥沙的能量減少，從而使單顆粒泥沙的破壞功能減輕。

4.隨著水流含沙量的增加，當(dāng)含沙量較小時(shí)，沙粒所帶氣核對(duì)空化空蝕的影響大于沙粒對(duì)脈動(dòng)壓力的影響，此時(shí)促進(jìn)空化空蝕；而當(dāng)含沙量較大時(shí)則相反，從而制約空化空蝕功能。所以當(dāng)含沙量較小時(shí)，隨著含沙量的增加，空化空蝕和磨蝕都不斷增加，此時(shí)泥沙對(duì)磨損起促進(jìn)功能，而當(dāng)泥沙含量較大時(shí)，隨著含沙量的增加若它對(duì)1、2兩項(xiàng)的影響仍大于對(duì)3、4兩項(xiàng)的影響則繼續(xù)表現(xiàn)為促進(jìn)磨蝕，文獻(xiàn)[2中的試驗(yàn)屬于此類(lèi)情況，尚未發(fā)現(xiàn)臨界含沙量；若它對(duì)1、2兩項(xiàng)的影響在某一含沙量時(shí)小于對(duì)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(xiàn)［1］中的試驗(yàn)屬于此類(lèi)情況。但Scr和水流條件、泥沙特性和壁面材料等有關(guān)，且泥沙含量對(duì)各種功能的影響仍無(wú)定量的結(jié)論，故尚不能確定Scr的大小，須進(jìn)一步探究。非凡是南方山區(qū)潮河流，懸移質(zhì)泥沙含量往往很小，可能遠(yuǎn)小于臨界含沙量，因而，含沙量的增加總是使磨損加劇。

參考文獻(xiàn)

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[2黃繼湯，田立春，李玉柱。在清水及挾沙水流中混凝土等脆性材料抗磨蝕性能的試驗(yàn)探究。水利水電技術(shù)。1985，(9).

[3白福來(lái)，李亞杰，傅智。高速挾沙水流對(duì)水工建筑物的磨損機(jī)理及估算。人民黃河。1987，(1).

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[7劉一心。懸移泥沙對(duì)水流空化狀態(tài)的影響。水利學(xué)報(bào)。1983，(3).