水流含沙量对磨蚀的影响.doc

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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，解释了文献[1]、[2]的结论。关键词：磨蚀扫荡磨损气蚀紊动　　我国河流中大多数含有泥沙，有的含沙量很大。如著名的黄河干流多年平均含沙量达37kg/m3,长江含沙量较少，上游多年平均含沙量约为1.7kg/m3,输沙量大多集中在每年6～9月的洪水期，当挟沙水流以较高的流

2、速流经泄水或排水建筑物时，将对闸门槽、底板、泄洪排沙底孔、溢流面等造成磨损，严重者直接危害到水工建筑物的安全，造成很大的经济损失，故对含沙水流的磨蚀规律进行研究很有必要。图1含沙量和磨蚀失重的关系Relationbetweensedimentconcentrationandabrasionrateofdifferentmaterials6　　目前，对于水流含沙量对磨损的影响理论上的研究还很不成熟，主要靠实验的手段来加以研究，不同的学者采用不同的方法在这方面做了许多研究，但他们的结果很不一致，有的甚至是相互矛盾的。水利水电科学研究院在各种空化试验设备上如

3、水洞、转盘仪和磁致伸缩仪上进行的试验，以及采用黄河沙和塑料沙进行的空化和磨蚀试验发现，在含沙量小时，含沙量的增加对空化和磨蚀起促进作用，在含沙量大时，含沙量的增加对空化和磨蚀起制约作用(如图1)，在两种相反作用之间存在一称为临界含沙量Scr的转变点[1]。而清华大学在二元文丘里管中，采用黄河小浪底河滩的天然砂做的试验研究表明，混凝土等脆性材料的平均磨蚀率均随水流含沙量的增大而增大，并没有明显的峰值[2](如图2)。1含沙水流的冲磨机理图2不同材料的磨蚀率与含沙量的关系Relationbetweensedimentconcentrationandabra

4、sion　　含沙水流的磨蚀，属于水沙二相流问题，水流中的沙石之所以能造成材料的磨损，是由于水流中的沙粒具有足够的动能，它所具有的能量来源于挟沙水流，当沙粒冲磨固体壁面材料时，把一部分或全部能量传给壁面材料，在材料表层转化为表面变形能从而造成材料的磨损。　　1960年J.G.Bitler通过研究认为：金属材料的磨损是垂直变形磨损和水平微切削磨损的叠加——复合磨粒磨损。他的过于复杂的公式经J.M.Neilson和A.Gildrist简化后，得到如下冲磨函数。(1)式中W为冲磨失重(g);Ms为磨粒质量；Ms=Ws/g(kg/m/s2);g=9.8m/s2;

5、Ws为磨粒重量(kg);Vs为沙速(m/s);α为冲角。临界冲角α0=π/2n;n为水平回弹率因素(无量纲)；ε为冲击变形磨损耗能回数(kg.m/g);φ为微切削磨损耗能回数(kg.m/g);K为临界磨损沙速(m/s)。　　他们对柔性金属软钢、铝等所做的磨损实验，发现其磨损曲线上有一个低冲角的微切削磨损高峰。而在对岩石、玻璃等脆性材料的磨损实验中，发现这些材料的磨损是单纯的冲击变形磨损。6　　白福来等对冲磨机理的研究表明，对同一种材料而言，冲角的大小决定着冲磨破坏的机理，在高速挟沙水流中，冲角小，以微切削破坏为主；在流速较小，大粒径滚跳磨损的场合，冲角

6、大，以冲击变形磨损为主[3]。　　高速含悬沙水流应属于小冲角的微切削破坏，这种水流由于紊动强度大，其含沙量沿垂线分布可看作均匀分布，所以随着含沙量的增加，对过流表面材料磨损的沙粒也应相对增加，磨损强度也应随之增大。2湍流的拟序结构对磨蚀的影响　　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，

7、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，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

8、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