含沙高速水流中混凝土材料的磨蚀研究

含沙高速水流中混凝土材料的磨蚀研究

随着水利水电的发展，高流量的水工建筑物往往是不可避免的，建筑物的腐蚀变得越来越突出。这是设计、建造、运营和管理中的一个难题。如何预测和减少影响沙水流量的侵蚀，是当前和当前水电工程必须尽快解决的重要问题之一。为抵抗磨蚀,前人的研究较集中于各种材料的抗磨性能方面。提高建筑物材料的抗磨强度,加设新的护面等措施固然可解决问题,但较为被动,往往以提高工程建设成本为代价。为此本文拟从含沙水流的运动特性出发,通过探讨壁面的磨蚀机理,分析影响壁面磨蚀的水力因素,提出掺气抗磨蚀的可能性,导出无掺气高速含沙水流对壁面的磨蚀量计算式,并根据试验数据进行因次及回归分析,得到掺气水流中泥沙磨蚀率的估算公式。1紊流边界层的流动及其特征材料遭磨蚀与泥沙的冲角、材料的特性有很大关系,冲角的大小决定着冲磨破坏机理。在含沙高速水流的作用下为什么某些材料表面会出现波纹状或鱼鳞坑的破坏特征?对于波纹的成因,通常认为是高速含沙水流中沙粒以小冲角度撞击表面的结果。Karimi和Schmid综述了流体动力学各领域中有关波纹边界轮廓形成原因的主要假说,并以实验结果为依据提出了波纹形成的物理模型,认为表面波纹是表面遭受初步磨蚀后的表面几何形状与流体相互作用的结果。大家知道,在壁面附近,水流流速沿边界法向梯度较大,水流流动呈层流或紊流边界层型流动,流动区域存在着大量旋涡。由于层流边界层中各层间无质量交换,颗粒沿流线运动,不能触击壁面,所以波纹状或鱼鳞坑的破坏一定发生在紊流边界层中。文献通过壁面压强及边界剪切力的量测已证实了这一点。研究表明,紊流边界层存在着复杂的流动现象。当流体中含有固体颗粒时,由于两相的耦合作用,流动更为复杂。虽然紊流在时间及空间上,许多因素表现为随机性,但最近几年的研究结果显示,紊流流动中具有某种非严格的周期性,即紊流的拟序结构。由于壁面的存在,水流紊动的法向分量被抑制,并在平均剪应力的作用下产生拟序结构,出现纵向和横向涡旋的条纹结构;在条纹结构上面附近壁层是经常发生猝发的紊流层,猝发结果是壁面附近低动量的流体随机地突然喷向主流区域,接着高动量的水体掠向壁面。猝发层的最大特点是紊动发生率最大,在某些量测资料中,曾出现过瞬时雷诺应力为时均值的60倍。作者对边界剪应力进行量测也发现了紊动值也是一较大的量。根据Popovich和Hummel所观察到整个扫掠运动过程,扫掠指向壁面的速度向量与壁面的夹角在5°～15°之间。正是由于猝发所引起的高速含沙涡体对壁面的反复扫掠和压力波的推挤作用,使壁面受到水流的不断冲击和切削,造成壁面的磨蚀,并在一定的条件下形成鱼鳞坑或波纹状的典型破坏轮廓。实验观测表明除了猝发磨蚀外,还有滑切磨蚀形成的沟槽。2泥沙颗粒与含沙量复合作用的机制影响含沙高速水流对壁面的磨蚀因素很多,涉及到多相介质的运动特性和相互作用,但主要影响因素可归纳为3类:水力特性、泥沙特性和材料特性。泥沙特性主要涉及到泥沙颗粒的粗细、形状、矿物成份和密度,材料特性则涉及到不同材料的抗磨抗冲性能。因而磨蚀是个十分复杂的物理过程。影响磨蚀的水力参数主要有水流速度、水流流态、过流历时和水中含沙量。(1)水流速度是影响过流面材料磨蚀决定因素。实际上,材料被磨蚀状况很大程度取决于泥沙颗粒的动能,即磨蚀量应大体与泥沙速度的平方成正比。在高速挟沙水流中,泥沙颗粒(粒径在0.5mm以下)基本随流运动,其运动速度和方向与水流的速度和方向基本一致,故材料的磨蚀率随水流速度的增加大致呈指数幂函数的增加,其方次应在2左右。(2)水流流态亦是影响壁面材料磨蚀的另一个重要因素。若过流面体型设计不当、水流流态恶劣,在水流局部扰动区域较大颗粒的泥沙将偏离水流流线。应当指出,若过流面粗糙,扰动水流将产生大量的漩涡,漩涡的形成和破灭增加了泥沙对壁面的作用力。尤其在局部阻力的扰动区域,在一定压力条件下,会产生漩涡空化,造成对壁面的空蚀破坏,在沙粒磨蚀与空蚀的联合作用下,壁面的磨蚀破坏将更为严重。(3)在不变的磨蚀方式(包括水流条件、含沙量等相同条件),壁面磨蚀量与过水历时基本成线性关系,材料的磨蚀率不随时间的变化而变化,在含沙量和流速一定时,磨蚀率大致为一常数,这就给磨蚀量的预测带来很大方便。(4)浑水含沙量对壁面材料磨蚀的影响程度主要表现在泥沙颗粒与壁面碰撞几率的大小。一般说来,含沙量越大,参与冲击壁面的泥沙颗粒越多,此时磨蚀率与含沙量呈线性正比关系。但随着含沙量的进一步加大,沙粒之间的碰撞机会增加,有效地冲击材料壁面的沙粒百分比降低。因此材料的磨蚀率与含沙量之间的幂指数应小于或等于1.0。3研磨分析与计算3.1微机械研磨蚀的冲磨函数分析结果表明,沙粒对过流面的磨蚀过程是复合磨粒磨蚀,即同时存在沙粒的微切削磨蚀与冲击变形磨蚀。因此过流面受磨蚀总量应是由此两种的磨蚀过程的磨蚀量叠加组成。1963年J.G.Bitter基于弹性—塑性磨蚀模型导出了复合磨蚀的计算公式,由于在推导过程中考虑的因素较多,致使公式较为复杂。经J.H.Neilson和A.Gilchrist简化,得到了以下冲磨函数:式中:△M为磨蚀量,材料被磨蚀掉的质量(kg);Ms为有效磨粒质量(kg);Vs为沙粒速度(m/s);α为沙粒冲角,弧度;α0为区分微切削磨蚀与冲击变形磨蚀情况的临界冲角;n为无量纲常数(当α=α0时,sin(nα0)=1,则有n=π/2α0);Vcr为无磨蚀的垂直冲击速度临界值(m/s);ϕ为微切削磨蚀耗能因数(m2/s2);ε为冲击变形磨蚀耗能因数(m2/s2)。对于不同的材料,Vcr,ϕ,ε,n具有不同的数值。表1为本文所采用的混凝土抗冲磨特性参数。3.2有关砂速、倾角和有效砂量的确定(1)泥沙颗粒随特性在紊流流场中,只要泥沙颗粒较小,且颗粒在流场中的相对流速up-uf不大时,讨论颗粒的跟随性可以下式为基础式中:a=36μ(2ρp+ρf)d2p,b=3ρf2ρp+ρf,c=18(2ρp+ρf)dpρfμπ−−−√a=36μ(2ρp+ρf)dp2,b=3ρf2ρp+ρf,c=18(2ρp+ρf)dpρfμπ;下标p代表泥沙颗粒,下标f代表流体;dp为颗粒粒径;μ为流体的粘性系数;ρ为密度。由上式可以导出泥沙颗粒速度与流体速度幅值之比式中:ω为圆频率,ω=2πf,其中f为紊动频率。我们知道,充分发展的紊流应包含着从低频到高频的各种脉动频率。水流脉动频率越高,颗粒越不易跟随。但水流的能量主要集中在低频大涡体中,在平直段无掺气的高速水流中,脉动压强的优势频率在0～20Hz范围内。本文的泥沙密度ρs=2650kg/m3,水密度ρ=1000kg/m3。现取f=20Hz,将ρp=ρs,ρf=ρ代入式(4)可得到图1所示的不同粒径的泥沙颗粒在水流中的跟随特性。本文的试验用沙颗粒粒径均在0.1mm以下,若按d90=0.0516mm计,则可算得η=99%,即泥沙颗粒速度Vs=up≈uf=u。由此可见,在本文的试验条件下,泥沙颗粒基本上能跟随水流质点运动,故水沙速度基本一致,沙粒的运动速度和方向可用含沙水流的流速和方向来确定。(2)b冲击壁面前面的猝发过程的描述已说明,流体与壁面成5°～15°夹角扫掠底部。因此泥沙在紊动猝发作用下也以此角度范围冲击壁面。计算时可取泥沙冲角α=12°。(3)有效磨粒质量据有关试验结果,在距壁面y=(0.15～0.3)h(h为水深),明渠水流的垂向脉动流速强度较大,这也是紊动猝发的最重要区域。考虑到泥沙与壁面碰撞几率及有效磨损粒径(d>0.02mm),在(0～0.3)h范围内所含泥沙的1/3是有效的冲磨壁面的泥沙量。若设含沙水流的速度为V,猝发频率为fB,即单位长度的猝发次数为fB/V,则有效磨粒质量如下式中:h为过水断面水深,m;B为过流断面宽度,m;L为过流面长度,m;S为水中含沙量,kg/m3;t为含沙水流对过流面的作用历时,s。3.3数据分析和结果把式(5)及Vs=V代入式(1),整理得磨蚀量即磨蚀率当冲角α<15°时,混凝土材料的冲击变形磨蚀仅占磨蚀总量的微小部分,故上式右边括号内第二项可略去不计。于是磨蚀率计算式可简化为前人的研究表明,紊流的猝发频率与大尺度的旋涡频率大致相同。针对本文的试验条件,取fB=f=20Hz,ρc=2200kg/m3,根据式(8),代入不同工况的有关参数即可算出磨蚀率,结果列于表2。图2为计算值与试验值的比较,由图可见,计算值与实验值基本接近。4砂砂岩流的研磨试验分析4.1掺气抗磨机理解决含沙高速水流作用下边壁材料的抗磨问题,可采用抗磨性能好的材料或加设新的护面等措施。一般说来,上述办法往往以提高工程建设成本为代价,而且较为被动。因此探寻其它经济有效的积极措施是非常必要。大家知道,人工掺气对防止空蚀是有效的。近30多年来,在高速水流中采取掺气减免空蚀的措施已在国内外得到广泛的应用。为了探索和论证掺气抗磨的可能性,我们在专门建造的高速浑水循环系统中进行一系列研究,证实了掺气可起助壁面抗磨蚀的作用。由图3可见,过流面的磨蚀率与掺气浓度成反比关系。只要掺气浓度在6%以上,壁面材料的磨蚀率即可大大降低。作者在文献亦证明了掺气可降低水流对壁面的摩擦作用力,摩阻系数随着掺气浓度的提高而降低。当掺气量大于6%～7%时水流壁面剪切力的脉动值可大大减小,这与图中磨蚀率与掺气浓度的变化规律是一致的。掺气的抗磨机理可理解为浑水掺气后降低了泥沙与壁面的碰撞几率,改变了流体的弹模和不可压缩性,降低了含沙水流对壁面的摩擦及冲击作用力,从而起到缓解过流壁面材料受磨程度。掺气抗磨蚀效果在工程上具有现实意义,提高掺气浓度的措施来降低材料壁面的磨蚀量较为简单易行,而单靠提高材料的抗磨蚀性能费用较高且难度较大、效果有限。4.2泥沙量纲分析磨蚀试验中各参变量的变化范围:流速V=15～30m/s;材料抗压强度R=2.2～26MPa;含沙量S=17～100kg/m3;掺气浓度C=0.01～0.65;磨蚀率w=0.00046～0.00701μm/s。根据前面影响磨蚀因素的分析及本试验的特点,磨蚀深度与其它变量的关系可用以下函数形式表示式中:V为浑水流速,m/s;R为材料抗压强度,Pa;S为含沙量,kg/m3;C为掺气浓度;ρs为泥沙密度,kg/m3;ρ为水体密度,kg/m3;t为磨蚀时间,s。通过量纲分析,应用π定理进行变换,式(9)可转化为本试验中为ρ/ρs为一常数,可以略去。为了求出函数的表达式,不妨假定式中:ψ,n1,n2,n3为待定参数。通过对式(11)两边求对数进行多元线性回归分析,代入表3试验数据得ψ=5.31×10-9,n1=0.476,n2=0.754,n3=-0.355。计算得到ρsV2R,Sρs,CρsV2R,Sρs,C三项的偏相关系数分别为0.995、0.999、0.990,表明这三项对磨蚀率的作用均较显著,即这三个变量均不能忽略。式(11)的回归复相关系数为0.996。说明回归效果较好。图4为掺气水流壁面泥沙磨蚀率实测值与计算值的对比,由图可见,式(11)能较好地预测掺气水流中的泥沙壁面磨蚀率。从式(11)可以看出,磨蚀率与流速、含沙量、掺气浓度的指数变化关系与前面关于影响磨蚀因素的分析结果基本一致。即磨蚀率随流速、含沙量的提高而增大,随材料强度、掺气浓度的增加而减小。若以Y=1wY=1w作为过流面的抗磨度,则掺气浓度C从1%增加至7%,抗磨度Y可提高至原值的200%。5泥沙对材料磨蚀的影响本文首先探索了泥沙磨蚀机理,分析了影响磨蚀的主要水力因素,认为水流含沙量、流速、流态、过流时间及材料强度是决定壁面磨蚀程度的主要参数。讨论了水流中泥沙颗粒的跟随性,在本文试验条件下泥沙颗粒基本上能跟上水流的运动,因此泥沙的运动速度及方向可用水流速度及流向来确定,这给泥