黏性泥沙含沙量对高速水流空化空蚀的影响

董志勇,曾 团,贾代鲁,韩 岩

(浙江工业大学 土木工程学院,浙江 杭州 310023)

高速水流空化空蚀有利也有弊,空化空蚀虽然可以去除废水中难降解污染物[1]、杀灭原水中病原微生物[2],但是易使高水头泄水建筑物发生空蚀破坏。在国外,如美国胡佛坝和格伦峡坝泄洪洞的反弧段皆形成长度超30 m,深度超10 m的空蚀坑[3,4]。在我国,如梅山水库,在底孔的通气孔闸门处发生了空蚀,1986年8月丰满水电站溢流坝发现一处宽22 m、高19 m、深2～3 m的空蚀坑,柘溪水电站溢流坝挑流鼻坎最大蚀深达7.76 m[5],鲁布革水电站闸门后混凝土被大面积空蚀,最大长度达9 m,宽达8.8 m,深度最大可达2 m[6]。此外,三门峡水利枢纽、刘家峡水电站、响洪甸水电站[7]和锦江水库[8]等水工建筑物皆发生了空蚀破坏现象。我国多沙河流居多,研究泥沙或固体颗粒对高水头泄水建筑物中高速水流空化空蚀的影响,具有重要的实际意义。针对此类研究,较早的研究工作如Harvey等[9-12]提出颗粒表面会附着气核,气核含量会影响到空泡的形成。常近时[13]提出浑水较清水更易发生空蚀。Xiong等[14]发现静水压强越高空蚀程度越深。鉴于江河泥沙含量较多的特性,国内外许多学者开始研究含沙量对空化空蚀的影响。Liao等[15]采用颗粒轨迹模型研究了不同工况下转轮叶片的磨损区域和程度,结果显示空蚀程度随着含沙量和沙颗粒大小的增大而增强。Romero等[16]对2种粒径、3种含沙量进行了空蚀试验,认为在粒径最大情况下,空蚀量随着含沙量的增大逐渐增加。Hu等[17]对沙悬浮液进行空蚀试验,利用质量损失、扫描电子显微镜等评估空蚀程度,得出空蚀程度随含沙量增大逐渐减小,但是对重量百分比超过3%含沙量的试验并未得出有效结果。Liao等[18]和梁武科等[19]进行了不同含沙量和不同流速的空蚀试验,得出空蚀量随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对空蚀量的影响,得出空蚀量随着含沙量增加而增大。邓军等[22]分析了含沙量对空蚀的影响,得出当含沙量浓度较小时含沙量增大空蚀增强,含沙量浓度较大时对空蚀起抑制作用。赵伟国等[23-24]研究了含沙量对空化特性的影响,含沙量从0.5%变至1.5%时,其表现为先促进空化后抑制,临界含沙量为1.0%。王磊等[25-26]研究黄河水中含沙量对空化特性的影响,得出初生空化与临界空化压强值随着含沙量的增大而增大。Lian等[27]发现泥沙影响空化存在一临界尺寸,此中值粒径约为0.035～0.048 mm。对小于该尺寸的泥沙颗粒,空蚀程度随着含沙量的增加而减小。相比之下,大于此尺寸的泥沙颗粒,空蚀程度随着含沙量的增加而增大。张辉[28]发现空蚀量随泥沙粒径和含沙量的增加而增加,并未发现临界含沙量。梁亮等[29]研究了沙粒浓度对空蚀的影响,得出浓度增大引起空蚀坑深度加深、面积加大。董志勇等[30]研究了非黏性沙含沙量对砼试件空蚀的影响,分别进行了0,2,12,30 kg/m3含沙量的空蚀试验,虽然发现随着含沙量的增加空蚀程度逐渐加深,但是也没有得出临界含沙量。由于含沙量的研究范围不同,得到试验结果也有所不同。当含沙量相对较低时,无法得到临界含沙量,只能得到含沙量增大空蚀增强的结论;当含沙量相对较高时,可以得到含沙量增大空蚀减弱的结论。

笔者在前人研究的基础上,扩大了含沙量的研究范围,得到该试验条件下的临界含沙量。且上述学者主要在振动空化试验台上或静水中研究含沙量对空化空蚀的影响,鲜有关于黏性泥沙含沙量对泄水建筑物中高速水流空化空蚀影响的研究。笔者在小型循环式水洞中进行了黏性泥沙不同含沙量对高速水流空化空蚀影响的试验研究,以探求黏性泥沙含沙量对空化空蚀影响的机理。

1 试验设备与量测技术

试验在浙江工业大学水力学试验室进行,采用自主研发的小型循环式水洞,该设备主要由内外筒水箱、2台并联多级离心泵、文丘里工作段、2台电磁流量计以及循环管道、控制阀等组成,示意图如图1所示。文丘里工作段包含收缩段、喉部和扩散段,喉部为20×20 mm2的方形断面,收缩段与喉部、扩散段与出水管道之间皆由方圆接头连接。

1—内筒工作水箱;2—外筒冷却水箱;3—分流管;4—循环管道;5—多级离心泵;6—内筒排水管道;7—外筒排水管道;8—控制阀;9—电磁流量计;10—文丘里工作段。

在扩散段设有砼试件安放盒,盒中放置7 d龄期,水灰比W/C=0.4,灰砂比C/S=1.5的砼试件,砼试件下表面与高速水流相接,砼试件表面形态及尺寸如图2,3所示。内筒水箱盛放配制的不同含沙量挟沙水样,为防止空泡溃灭产生大量热量导致设备温度过高,外筒设置冷却循环水。内筒挟沙水流通过多级离心泵加压进入循环管路,经收缩段在喉部形成高速水流产生空泡,空泡在砼试件表面溃灭产生空蚀。

图2 试验前砼试件表面形态

图3 砼试件尺寸

在喉部与扩散段下方设有压强测点,测点布置如图4和表1所示。通过压力数据采集系统采集试验过程中各测点的压强,从而进行含沙量对空化区、空蚀区压力的量测与分析。用电子天平对空蚀前后的砼试件称重得出空蚀量以衡量空蚀程度。每进行1 h空蚀试验后,将砼试件由试件盒取出置于鼓风干燥箱以42 ℃低温烘干3 h,在确保砼试件完全去除水分的同时保证砼试件的强度稳定。

表1 测点位置

图4 测点位置(单位:mm)

黏性泥沙由黄沙掺入30%黏土组成,中值粒径d50=0.087 mm,配制不同含沙量S=0,2,12,21,30,40,50 kg/m3的挟沙水样,并用旋转式黏度计在水温为50 ℃下对试验挟沙水流进行黏度测量,得到黏度数据如表2所示。

表2 各含沙量黏度值

2 试验结果与讨论

2.1 含沙量对空化区和空蚀区压强和空化数的影响

黏性泥沙不同含沙量S=0,2,12,21,30,40,50 kg/m3对空化区和空蚀区压强的影响如图5所示。由图5可知:当S<30 kg/m3时,空化区的压强随着含沙量的增大而降低,且为负压;而当S>30 kg/m3时,空化区的压强不断升高。空化区的压强越低,即低于水的饱和蒸气压,易于产生空化。当S<30 kg/m3时,随着含沙量的增大,空化的发生概率也在增大;反之,当含沙量S>30 kg/m3时,随着含沙量的增大,逐渐不利于空化。由图5还可以看出:随着距喉部入口距离的延长,空蚀区压强逐渐增大,这是由于断面面积增大、流速减小从而导致压强增大。当S=30 kg/m3时,空蚀区压强曲线出现拐点;当S<30 kg/m3时,随着含沙量的增大,压强逐渐升高;当S>30 kg/m3时,随着含沙量的增大,压强逐渐降低。空泡在空蚀区会发生溃灭,产生超高温、超高压,加剧空蚀程度。由此可得:S=30 kg/m3为临界含沙量;当S<30 kg/m3时,随着含沙量的增大,空蚀程度加大;当S>30 kg/m3时,随着含沙量的增大空蚀减弱。

图5 不同含沙量时文丘里工作段各测点时均压强

用水流空化数来量化空化的强弱,空化数σ表达式为

(1)

式中:p为绝对压强;pυ为液体的饱和蒸汽压强;ρ为液体的密度;V为喉部流速。

空化区(测点1)的空化数如图6所示。由图6可知:当S<30 kg/m3时,空化数随着含沙量的增加逐渐降低;当S>30 kg/m3时,空化数则随着含沙量的进一步增加而逐渐升高;空化数越低,水流越容易发生空化,即当S=30 kg/m3时最容易发生空化。

图6 不同含沙量时空化区空化数

2.2 含沙量对砼试件空蚀量的影响

通过人工配制含沙量S=0,2,12,21,30,40,50 kg/m3挟沙水流,分别在循环式水洞中进行4 h高速水流空蚀试验,砼试件空蚀量随时间的变化关系如图7所示。由图7可知:当S<30 kg/m3时,随着含沙量的增加,空蚀量随之增大;当S>30 kg/m3时,空蚀量逐渐减小。由此可得,S=30 kg/m3为空蚀试验的临界含沙量。

图7 砼试件累积空蚀量随含沙量的变化关系

图8为不同含沙量时砼试件空蚀状况。由图8可以看出:当S=30 kg/m3时,空蚀程度最为严重,“麻点”最多。当S=0,2,12,21,30 kg/m3时,含沙量的增加使砼试件表面“麻点”数量也逐渐增多;当S=30,40,50 kg/m3时,“麻点”数量逐渐减少,空蚀程度相应降低。由气核理论可知:挟沙水流的泥沙颗粒表面会附着大量气核,随着含气量的增加,临界空化数也会随之增大,而当空化数小于临界空化数时,更容易发生空化。因此,加大含沙量会导致空化发生概率增加,进而促进空泡在砼试件表面发生溃灭,导致空蚀量的上升。然而,对于黏性泥沙,随着含沙量的进一步增大,水流黏度也随之增大,对空蚀具有抑制作用。

图8 不同含沙量时砼试件空蚀状况(V=37.6 m/s)

2.3 流速对不同含沙量砼试件空蚀量的影响

选取试验中的低含沙量(2 kg/m3)、中含沙量(12 kg/m3)和高含沙量(30 kg/m3)3组不同含沙量进行不同流速的空蚀试验,以探究流速对不同含沙量砼试件空蚀量的影响。分别采用37.6 m/s和29.4 m/s两种高、低流速,进行不同含沙量的空蚀试验,具体情况如图9所示。对比图9中3组不同含沙量的砼试件空蚀量,结果表明:随着流速的增大,砼试件的空蚀量也不断增大。这是由于流速增大时,会加剧流场的紊动,使得流场中的压力脉动增大,空泡的产生更加容易,相应生成的空泡数量也增加,当空泡达到溃灭条件时会造成更严重的空蚀效果。

图10为不同流速时砼试件累积空蚀量。由图10可知:在两种不同流速下,砼试件空蚀量均随着含沙量的增大而增强。

图10 不同流速时砼试件累积空蚀量

图11为不同流速下砼试件表面空蚀状况。由图11可以明显看出:当V=29.4 m/s时,空蚀主要发生在砼试件近喉部端;而当V=37.6 m/s时,空蚀覆盖整个砼试件表面,且“麻点”数量也随着流速提高而增加。这是由于当喉部流速较慢时,扩散段右端压强无法达到空泡溃灭要求,从而导致空蚀段区域减小,只集中在砼试件左部区域。

图11 不同流速砼试件空蚀状况

3 结 论

通过试验研究黏性泥沙含沙量对高速水流空化空蚀的影响,得出以下结论:1)空化区压强随着含沙量的变化存在一个临界含沙量30 kg/m3,当含沙量S<30 kg/m3时,空化区压强随着含沙量的增加而减小;当S>30 kg/m3时,空化区压强则随着含沙量的增加而增大。2)空蚀区压强随着含沙量的变化也存在一个临界含沙量30 kg/m3,然而与空化区的压强变化相反,当S<30 kg/m3时,空蚀区压强随含沙量的增加而增大;当S>30 kg/m3时,空蚀区压强则随着含沙量的增加而减小。3)砼试件空蚀量随着含沙量的变化存在相同的临界含沙量30 kg/m3,当S<30 kg/m3时,空蚀量随着含沙量的增加而增大;当S>30 kg/m3时,空蚀量则减小。4)在3种典型含沙量(2,12,30 kg/m3)情况下,砼试件的空蚀量随着流速的提高而增大。