水力機(jī)械兩相流綜述

1、水力機(jī)械兩相流綜述摘要我國(guó)大部分河流屬于多泥沙河流， 含沙量均較高，對(duì)于運(yùn)行在這 些河流上的水力機(jī)械而言。其葉片很容易遭到泥沙沖擊磨損的破壞， 尤其是靠縫隙處，其邊壁磨損較為嚴(yán)重，并且沙粒的存在還大大增加 了空化的發(fā)生機(jī)率，使這些位置極容易發(fā)生空化，產(chǎn)生空蝕，磨損和 空化的聯(lián)合作用，相互促進(jìn)，會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的磨蝕。這不僅大幅度 降低了水力機(jī)械的水力性能，而且在很大程度上威脅著水力機(jī)械安全 穩(wěn)定性。因此，展開(kāi)含沙河流中水力機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)特性的研究具有重 要的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)水利機(jī)械兩相流進(jìn)行論述， 主要為液氣，液固模擬模型，空化磨損發(fā)展。關(guān)鍵詞：水力機(jī)械；空化；磨損；兩相流精選1.

2、 前言近幾十年來(lái)森林植被覆蓋率降低 , 環(huán)境惡化，水土流失嚴(yán)重 , 許多河流中的泥 沙含量成倍增加，當(dāng)含沙水流通過(guò)水力機(jī)械時(shí)， 沙粒會(huì)對(duì)過(guò)流部件表面造成破壞。 沙粒作用于過(guò)流部件表面而使其損壞給離心泵帶來(lái)嚴(yán)重的磨損。水中含有泥沙 時(shí)，不僅對(duì)水輪機(jī)產(chǎn)生磨損破壞， 而且使得空蝕比清水時(shí)發(fā)生的更早更嚴(yán)重。 當(dāng) 含沙水流中發(fā)生空化時(shí)， 由于汽泡的產(chǎn)生和高頻率潰滅， 不斷地以高壓沖擊金屬 表面，使之產(chǎn)生疏松。沙粒不斷沖擊切削，使表面破壞速度大大加快，破壞后的 表面，由于材質(zhì)疏松程度不同和各處的流速也有區(qū)別， 造成水輪機(jī)過(guò)流通道表面 凹凸不平， 這又加速了空泡產(chǎn)生和沙粒沖擊角度的改變， 使磨損破壞速度更為

3、加 快，磨蝕破壞引起水力機(jī)械效率下降， 產(chǎn)生振動(dòng)與噪音迫使機(jī)組頻繁大修， 維修 費(fèi)用高昂， 經(jīng)濟(jì)效益大為降低。 在我國(guó)黃河干流上已建成的大中型水電站中， 有 4 座都存在嚴(yán)重的空化空蝕、磨損破壞，特別是三門(mén)峽電站最為嚴(yán)重。水輪機(jī)組 運(yùn)行環(huán)境惡化 , 導(dǎo)致水電廠構(gòu)件的空化、磨損問(wèn)題成為影響電力系統(tǒng)安全越來(lái)越 嚴(yán)重的問(wèn)題。它的直接危害主要表現(xiàn)在 :1) 檢修周期縮短 , 增加了電站的臨時(shí)性檢 修和大修工作量 ,使電站運(yùn)行成本增加 , 給電廠造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。 2) 水力機(jī) 械性能降低， 離心泵過(guò)流部件表面被泥沙磨損后， 凹凸不平，促進(jìn)了水流的局部 擾動(dòng)和空化的發(fā)展，空化發(fā)展嚴(yán)重引起機(jī)組噪音，震動(dòng)

4、加劇，效率急劇下降，嚴(yán) 重影響著水電站的運(yùn)行質(zhì)量。含沙水流以一定壓力攜帶磨粒和空泡，高速?zèng)_擊 (打擊)過(guò)流部件 ,造成復(fù)合 形式的磨損 , 即為多相流磨損，既有空泡的氣蝕，也有高速水流和磨料顆粒的沖 蝕及其交互作用。 目前普遍的研究認(rèn)為泥沙磨損和空蝕是相互促進(jìn)的。 人們總希 望設(shè)計(jì)出的水輪機(jī)同時(shí)具有最佳的能量特性和空化磨損性能， 因此研究含沙河流 離心泵的泥沙磨損與空化破壞的關(guān)系， 對(duì)設(shè)計(jì)含沙河流中耐磨及高空化性能的水 泵具有重大的指導(dǎo)意義。2. 空化的研究進(jìn)展空化是一種液體現(xiàn)象，當(dāng)液體溫度一定時(shí)，降低壓力到某一臨界壓力時(shí)，液 體會(huì)汽化或溶解于水中的空氣發(fā)育形成空穴，這種現(xiàn)象稱為空化?？栈涂?/p>

5、蝕現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)已有較久的歷史,早在1754年歐拉(Euler)研究水輪機(jī)理論時(shí),曾意識(shí) 到低壓流區(qū)水流產(chǎn)生空化的可能性；1894年雷諾(Reyrolds)在一篇論文中詳細(xì) 報(bào)道過(guò)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的空化現(xiàn)象，介紹了水流進(jìn)入局部收縮管時(shí)，在低壓區(qū)出現(xiàn)的空化現(xiàn)象。同年帕森斯P(arosn)s發(fā)現(xiàn)了空化對(duì)船舶螺旋槳的影響，并 于1895年建成了世界上第一臺(tái)，也是最簡(jiǎn)單的空化試驗(yàn)水洞。1895年，佛汝德(Fruode)等人對(duì)船殼的表面和底面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)空化不僅發(fā)生在螺旋槳上，而且發(fā)生在舵、龍骨，甚至船體本身。同樣，也曾發(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象常常會(huì)限制水下武 器的運(yùn)行。1897年，人們發(fā)現(xiàn)在船舶上使用的螺旋推進(jìn)器

6、上，螺旋槳在很短時(shí) 間內(nèi)遭到破壞。經(jīng)研究，發(fā)現(xiàn)這是由于空蝕而引起的。1900年英國(guó)、德國(guó)建造了空化水洞。同年，人們發(fā)現(xiàn)了空蝕對(duì)水輪機(jī)材料的侵蝕。1912年英國(guó)兩艘萬(wàn)噸級(jí)海輪高速運(yùn)行僅9個(gè)小時(shí)，其螺旋槳就被空蝕破壞地不能繼續(xù)航行。與此同 時(shí)，德國(guó)和瑞典也報(bào)告了水輪機(jī)的空蝕情況。這時(shí)空化的嚴(yán)重性才引起人們的注意。1917年，雷利發(fā)表了“論液體中球形空穴潰滅時(shí)產(chǎn)生的壓力”一文，對(duì)人 們認(rèn)識(shí)空穴的性態(tài)做出了重大貢獻(xiàn)，比較系統(tǒng)地提出了空化理論，建立了描述自由空泡運(yùn)動(dòng)的方程在此基礎(chǔ)上，Plesset 進(jìn)一步研究，得到了著名的 Rayleigh-Plesset 方程,形成了空泡動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。PB(t)P (

7、t) d2R3/dR、24v1dR21d2t2 dt Rdt1RR為球狀空穴半徑；1為液體密度；V1為液體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；Pb (t)是空穴內(nèi)部 壓力；P (t)為來(lái)流壓力； 是表面張力。Rayleigh-Plesset方程以一種瞬變的形 式給出了氣泡動(dòng)力學(xué)方面的非線性表述。也就是在假設(shè)空泡為球狀時(shí)，說(shuō)明了在不同壓力條件下氣泡界面和半徑上的粘性、表面張力、慣性的相互關(guān)系。但由于 處理移動(dòng)界面的困難，使得早期尋求空泡潰滅的解析解研究進(jìn)展不大。后來(lái)人們 對(duì)空泡潰滅研究逐漸深入，但是很大程度上仍然局限于 Rayleigh方程或在無(wú)粘流 場(chǎng)中求解，這顯然離解決實(shí)際問(wèn)題還有一定的差距。20世紀(jì)20年代，空

8、化空蝕現(xiàn) 象作為一個(gè)專題才開(kāi)始進(jìn)行研究。關(guān)于空化產(chǎn)生機(jī)理，由于液體結(jié)構(gòu)還不十分清楚，目前尚無(wú)明顯的理論說(shuō)明。有些 學(xué)者提出過(guò)某些假設(shè)，比較能為人們接受的是哈維的穩(wěn)定空泡核子機(jī)理假說(shuō)。哈 維認(rèn)為：未溶解的氣核可存在于憎水性的固體縫隙中，因?yàn)樵谶@樣的情況下，表 面張力將起著減小壓力的作用。因而氣體并不是被迫溶解 ,而可能還保持氣相狀 態(tài)。國(guó)內(nèi)外目前重要的空化剝蝕機(jī)理主要有下述兩種空泡潰滅沖擊壓力波論： 認(rèn)為空蝕的破壞是由于球形或半球形空泡潰滅的機(jī) 械作用產(chǎn)生強(qiáng)烈的水錘作用液體直接沖擊到固體界面而造成的，據(jù)水錘公式計(jì) 算，其作用力可達(dá)3.3570x io7Pa。這樣大的應(yīng)力頻繁作用，足以引起材料表

9、面局部塑性變形與硬化、變脆，產(chǎn)生疲勞，進(jìn)而使材料破裂與剝落。微射流論：認(rèn)為空蝕破壞是由空泡或空穴潰滅過(guò)程液體的微型射流造成的。 該理論基于靜水中正在潰滅的空泡照片表明潰滅時(shí)空泡發(fā)生變形， 這些變形隨壓 力梯度及靠近邊界面而增大，并認(rèn)為這種變形促成了流速很大的的微型液體射 流，流速計(jì)算表明射流速度可達(dá) 1001000m/s,壓力達(dá)2x io8Pa,壓力的持續(xù) 時(shí)間為2 s。這足以對(duì)固體表面材料造成巨大的破壞?？栈纯张荽嬖谛问胶彤a(chǎn)生原因分為以下四類1）游移空化。游移型空化是由在液體中移動(dòng)的孤立的瞬態(tài)空泡或空泡群組 成的空化現(xiàn)象。2）漩渦空化。流體通過(guò)渦流裝置時(shí)沿切向狹縫進(jìn)入渦流空化艙，形成一定角

10、度和速度的射流，切向射流在艙中形成渦流。渦流中心的壓力很低,在一定條件下，這個(gè)壓力遠(yuǎn)小于液體的蒸汽壓， 空化氣泡就在這個(gè)區(qū)域形成。 當(dāng)空化氣泡 隨液流流出渦流艙時(shí)，由于受阻、壓力突然升高，導(dǎo)致空化氣泡急劇破裂，產(chǎn)生 空化效應(yīng)。可進(jìn)一步降低操作壓力，反應(yīng)過(guò)程可以在常壓下進(jìn)行。3）固定空化。這是一種相對(duì)穩(wěn)定的空化形式，空化初生后形成附著在邊界 上的空腔，這種空腔稱為固定型空泡。這種空泡的大小與繞流物體的幾何形狀、 表面粗糙度、液體的物理性質(zhì)及流場(chǎng)中的壓力和速度分布有關(guān)。4）振動(dòng)空化。液體中的固體邊界的機(jī)械振動(dòng)將激發(fā)相鄰的液體產(chǎn)生壓力脈 動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)幅值足夠大時(shí)就使液體發(fā)生空化、 這種空化的特點(diǎn)是發(fā)生

11、空化的液體 是靜止的，對(duì)材料的有較大的破壞作用。水輪機(jī)中的空化類型根據(jù)空化發(fā)生的部位將水輪機(jī)空化分為以下四種基本類型1 ）翼型空化空蝕。這種空化空蝕破壞主要發(fā)生在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上，當(dāng)轉(zhuǎn) 輪葉片上某點(diǎn)壓力下降到當(dāng)時(shí)液體溫度下的汽化壓力時(shí)， 將在葉片上產(chǎn)生翼型空 化和空蝕，這是水輪機(jī)的主要空化形式。2）間隙空化空蝕。間隙空化空蝕是當(dāng)液流通過(guò)狹小通道或間隙時(shí)引起局部 流速升高。 壓力下降到當(dāng)時(shí)液體溫度下的汽化壓力時(shí)而形成的。 軸流轉(zhuǎn)漿式葉片 外緣與轉(zhuǎn)輪室之間及葉片根部與輪轂之間的間隙空化屬于這種類型3）空腔空化空蝕。水輪機(jī)在某些偏離工況運(yùn)行時(shí)在轉(zhuǎn)輪出口和尾水管內(nèi)會(huì) 發(fā)生一個(gè)或兩個(gè)漩渦帶。 渦帶是中間

12、含有蒸汽和其他氣體的大空腔， 空腔內(nèi)壓力 很低，呈螺旋狀非軸對(duì)稱地在尾水管內(nèi)旋轉(zhuǎn)， 使壓力場(chǎng)、 速度場(chǎng)也發(fā)生周期性變 化。引起機(jī)組振動(dòng)和噪聲， 使機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定， 并在尾水管進(jìn)口段邊壁形成空蝕 破壞。4）局部空化空蝕。局部空化空蝕主要是由于鑄造和加工缺陷形成的表面不 平整、砂眼等引起局部流態(tài)突變而造成的。效率、空化性能和穩(wěn)定性是影響水力機(jī)組性能的三項(xiàng)指標(biāo)， 其中空化性能是 一個(gè)古老卻至今未被解決的難點(diǎn)課題之一。 目前對(duì)空化流動(dòng)的研究主要采用空化 實(shí)驗(yàn)和數(shù)值預(yù)測(cè)兩種方法。 人們對(duì)空化進(jìn)行了了大量的研究， 其試驗(yàn)研究方法主 要有模型水輪機(jī)的性能試驗(yàn)， 原型水輪機(jī)的空化狀態(tài)監(jiān)測(cè)和空化流場(chǎng)的測(cè)量。 在

13、 空化試驗(yàn)中應(yīng)用高速攝影技術(shù)來(lái)觀察空化的發(fā)生過(guò)程?？栈瘜?shí)驗(yàn)的費(fèi)用高， 而且對(duì)于大型機(jī)組的空化性能實(shí)驗(yàn)， 由于空化現(xiàn)象的比 尺效應(yīng)及眾多因素的影響在實(shí)驗(yàn)中尚無(wú)法有效地控制， 使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以準(zhǔn)確的 反應(yīng)真機(jī)的空化性能，近年來(lái)，隨著 CFD 技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已成為研究水 輪機(jī)內(nèi)部空化流動(dòng)的重要手段。近年來(lái)人們開(kāi)始通過(guò)理論分析，在 N-S 方程的基礎(chǔ)上建立流動(dòng)模型，應(yīng)用 數(shù)值分析的方法， 研究空化流場(chǎng)的特性。 對(duì)于空化的數(shù)值模擬研究大體上向著兩 個(gè)方向發(fā)展 : 從空泡的角度研究空化發(fā)生發(fā)展的機(jī)理或從宏觀的角度分析空穴的 存在對(duì)流場(chǎng)的影響。徐宇等基于兩相流中兩流體模型的理論和方程 , 推導(dǎo)了水輪機(jī)

14、轉(zhuǎn)輪中空化兩 相流的兩流體基本方程，并利用k- -kp兩相湍流模型計(jì)算水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中三維空 化兩相湍流。計(jì)算結(jié)果包括了液相和空泡相的主要流動(dòng)特征。王國(guó)玉等采用了一種基于均相平衡模型的空化流動(dòng)模型對(duì)空化流動(dòng)進(jìn)行了 數(shù)值模擬。隨著人類對(duì)空化的研究的深入，對(duì)于空化和空蝕破壞的機(jī)理 ; 空化的模擬理 論;空化的比尺效應(yīng) ; 空化破壞強(qiáng)度及其度量等方面己經(jīng)有了較為深刻的認(rèn)識(shí)， 形 成了經(jīng)得起實(shí)踐檢驗(yàn)的理論并找到了一些改善水力機(jī)械空化性能的途徑。 空化的 研究已由無(wú)粘性發(fā)展到粘性、由二維、準(zhǔn)三維發(fā)展到全三維流動(dòng)解，從單相、兩 相到空化兩相流。 學(xué)者們對(duì)于空化的機(jī)理和結(jié)構(gòu)做了大量研究。 但是空化空蝕現(xiàn) 象的研

15、究主要還停留在研究方法的探索中， 這主要是由于空化流動(dòng)本身的復(fù)雜性 和研究工具的缺乏。 在距離完全擺脫空化對(duì)水力機(jī)械發(fā)展的限制， 完全消除空化 對(duì)水力機(jī)械運(yùn)行的不良影響這一理想的目標(biāo)， 還相當(dāng)遙遠(yuǎn)， 還必須對(duì)水力機(jī)械空 化和空蝕破壞進(jìn)行大量的廣泛的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究工作。3. 水力機(jī)械磨損發(fā)展 水力機(jī)械磨損問(wèn)題是一個(gè)十分復(fù)雜的物理過(guò)程，它與流體流速、流動(dòng)形式、 顆粒濃度和粒形、混合物濃度以及水力機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和所用材料等因素都有關(guān) 系。各因素之間相互制約， 而且各因素內(nèi)部又有諸多參數(shù)要加以考慮， 因而給研 究者帶來(lái)了許多的困難。由泥沙引起磨損的因素是復(fù)雜的，包括 :沙粒的成分， 泥沙顆粒的大小

16、，泥沙的濃度，泥沙的流速及沖擊方向等。磨損分為普通磨損和局部磨損。 普通磨損是指一般平順繞流磨損， 它對(duì)過(guò)流 表面的磨損是由于摩擦切削作用和磨粒對(duì)表面的沖擊造成的， 它是由流體及紊動(dòng) 摻混推動(dòng)了沙粒由液體的這一層到另一層重新分配， 加上水流的脈動(dòng)結(jié)果， 使硬 顆粒以不同的角度沖擊過(guò)流表面， 如水力機(jī)械葉片表面磨損多屬于這種類型。 而 局部磨損則是由于具有不平順的繞流所引起的， 如不平整的焊縫、 孔眼、間隙等， 由于邊界層水流受障礙物的擾動(dòng)， 形成漩渦流動(dòng)。 在漩渦運(yùn)動(dòng)中， 漩渦中心部分 的壓力被降低， 漩渦吸引磨粒， 而又在離心力作用下從漩渦逸出沖擊表面。 同時(shí) 由于漩渦中的低壓而產(chǎn)生氣穴，

17、流到正壓區(qū)產(chǎn)生潰滅， 與泥沙一同打擊在過(guò)流表 面上，即所謂空蝕與泥沙磨損的聯(lián)合破壞作用。 此聯(lián)合破壞作用往往大于單獨(dú)某 一方面的破壞作用。長(zhǎng)期以來(lái)，磨損問(wèn)題被廣泛研究，但所做的研究多集中在宏觀破壞過(guò)程上， 對(duì)于磨損破壞的微觀過(guò)程了解甚少， 尚未掌握磨蝕破壞機(jī)理。 對(duì)磨蝕的研究還停 留在有限的水平上。磨損的試驗(yàn)研究進(jìn)展早期展開(kāi)葉輪機(jī)械磨損研究的主要有 Wellinger、Sautter、Zarzycki 、Roco 等， 他們?cè)谀p激勵(lì)、磨損規(guī)律及防磨措施方面取得了一定成果目前,流體機(jī)械磨損試驗(yàn)研究主要從以下幾個(gè)方面出發(fā) :試驗(yàn)條件 (速度、沖 角等) 對(duì)材料磨損破壞的影響、沙粒的特性對(duì)磨損破壞

18、的影響、含沙量對(duì)磨損破 壞的影響及材料本身抗磨損破壞性能等。Kenichi Sugiyama 等，在射流磨損試驗(yàn)裝置上對(duì)多種材料及涂層的試驗(yàn)結(jié) 果指出, 速度較高時(shí) (v=40 m/s), 60 至 90之間的沖擊角變化對(duì)磨損破壞結(jié)果 幾乎沒(méi)有影響 , 但角度較小時(shí)破壞程度隨角度減小而減小 ;而在速度較低時(shí) (v=10 m/s), 沖擊角度增大到一定時(shí) , 破壞程度反而減小 . 同時(shí), 結(jié)果表明材料抗磨損能 力決定于其硬度。姚啟鵬，在旋轉(zhuǎn)噴射裝置上進(jìn)行泥沙粒徑對(duì)常用鋼材磨損影響的試驗(yàn) , 給出 了各粒徑對(duì)不同材質(zhì)單位磨損率及其計(jì)算式。許洪元等利用粒子成像測(cè)速技術(shù)對(duì)離心泵流道中固體顆粒速度場(chǎng)進(jìn)行

19、了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明固體顆粒的密度影響其在葉輪中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡， 而其粒徑和 形狀則主要影響其運(yùn)動(dòng)速度大小。余江成等對(duì)黃河、長(zhǎng)江等幾種河流類型泥沙和石英砂的磨損特性在收縮水洞 中進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn) ,試驗(yàn)展示了各種類型泥沙的磨損能力 .4. 磨損的數(shù)值研究進(jìn)展迄今為止水輪機(jī)是按照理想流體即清水條件設(shè)計(jì)的。當(dāng)水中含有大量泥沙 后。已經(jīng)不是清水和理想流體而是液體和固體混合的“兩相流 ”了。顯然兩相流 比清水更復(fù)雜。 由于水輪機(jī)實(shí)際過(guò)機(jī)泥沙含量在不斷變化。 所以流速場(chǎng)和壓力場(chǎng) 的分布規(guī)律也不斷變化，不同的速度場(chǎng)應(yīng)該有不同的葉型。國(guó)外磨損行為的研究大多數(shù)關(guān)注與材料物性方面， 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展， 人們 開(kāi)始

20、從水沙兩相流的動(dòng)力學(xué)特征入手對(duì)流體機(jī)械本身進(jìn)行抗磨損等的優(yōu)化設(shè)計(jì)， 對(duì)流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行控制與優(yōu)化配置因此， 從理論上來(lái)講， 水沙兩相流才是解決磨損 問(wèn)題的根本之道。國(guó)內(nèi)在水力機(jī)械兩相流方面也進(jìn)行了大量的研究， 取得了一定的進(jìn)展。 國(guó)內(nèi) 對(duì)水力機(jī)械固液兩相流內(nèi)部流動(dòng)的研究目前主要集中在顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律、 兩相流流 場(chǎng)分析及實(shí)驗(yàn)研究上，清華大學(xué)對(duì)固液兩相流泵內(nèi)部機(jī)理進(jìn)行了開(kāi)拓性研究。吳玉林利用兩相流動(dòng)的多流體模型和K- -Ap兩相流湍流模型計(jì)算了渣漿泵葉輪內(nèi)的二維固液兩相湍流， 并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比； 同時(shí)為了提高離心泵 的抗磨蝕能力， 吳玉林等人對(duì)泵內(nèi)固液兩相流的流態(tài)進(jìn)行深入研究。 在多相紊流 運(yùn)動(dòng)雙

21、流體模型的基礎(chǔ)之上，建立了兩相紊流運(yùn)動(dòng)的大渦模擬，利用大渦模擬， 對(duì)離心泵葉輪內(nèi)部的固液兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。劉正英則用有限差分法對(duì)葉輪流道中的固液兩相流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬。 1994 年彭維明用歐拉法和拉格朗日法相結(jié)合的雷諾輸運(yùn)定理推導(dǎo)出了固液 兩相流的基本方程， 計(jì)算了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中軸對(duì)稱的固液兩相流， 得出了兩相速度 場(chǎng)的流動(dòng)規(guī)律： 顆粒相的軸面速度在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片內(nèi)大于液相的軸面速度， 在 一定范圍內(nèi)，隨著顆粒相的直徑增大，周面速度增大。劉小兵等導(dǎo)出了固粒在任意流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的 Largrangian 方程，對(duì)此方程進(jìn)行 線性化，并求出了解析通解。 使用顆粒運(yùn)動(dòng)方程數(shù)值求解和分析了稀疏顆

22、粒湍流 場(chǎng)中固粒的運(yùn)動(dòng)，建立了湍流固液兩相流的k- &雙方程模型、體積分?jǐn)?shù)模型、Euleria-Largrangian 混合模型以及顆粒磨損模型， 利用這些模型對(duì)一些葉輪機(jī) 械過(guò)流通道內(nèi)的流動(dòng)及固壁磨損進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一 致。趙敬亭等以基本兩相流理論為基礎(chǔ)， 對(duì)葉輪的單顆粒鋼球進(jìn)行數(shù)值模擬， 等 到了鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而進(jìn)一步預(yù)見(jiàn)了前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。劉正英用帖體坐標(biāo)和k- g-Ap模型對(duì)葉輪流道中的固液兩相流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行 了數(shù)值模擬。王宏、王增璇、馬振宗等利用懸浮體固液兩相流顆粒群模型的理論研究成果 , 對(duì)在含沙水流中工作的水力機(jī)械轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的固液兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。 對(duì)

23、 兩相流流場(chǎng)的模擬結(jié)果進(jìn)行的分析表明提出的數(shù)值模擬方法和擬人工壓縮技術(shù) 是成功的。唐學(xué)林等人在兩流體模型的基礎(chǔ)上，利用k- -Ap兩相湍流模型計(jì)算水輪機(jī) 轉(zhuǎn)輪中泥沙固液兩相湍流，得出了泥沙顆粒對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片面的磨蝕規(guī)律。吳玉林、曹樹(shù)良等推導(dǎo)了兩流體模型的基本方程， 并利用k- -Ap固液兩相 湍流模型，采用帖體坐標(biāo)系中的有限差分法和 SIMPLE（法計(jì)算水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中三維 泥沙固液兩項(xiàng)湍流，得出了液相和泥沙固相的主要流動(dòng)特征。高忠信等在兩流體模型的基礎(chǔ)上 , 使用貼體坐標(biāo)的有限體積法 , 利用有科氏 力修正的 k- g -Ap 兩相流紊流模型建立了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的三維泥沙固液兩相 紊流計(jì)算模型， 模

24、型中求解了考慮壓力對(duì)固粒相影響的時(shí)均 Reynolds 動(dòng)量方程 , 并利用泥沙相的速度和濃度分布 , 數(shù)值計(jì)算了轉(zhuǎn)輪的泥沙磨損，為了驗(yàn)證模型的 可行性, 用該模型計(jì)算了劉家峽 HL001-25 模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的三維泥沙固液 兩相紊流流動(dòng) , 數(shù)值預(yù)估了轉(zhuǎn)輪的泥沙磨損并與磨損試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，表明 采用的固液兩流體模型是可行的 , 數(shù)值方法也是正確的。楊敏官等在FLUENT中運(yùn)用混合物模型對(duì)葉輪內(nèi)部不可壓液固兩相流動(dòng)進(jìn)行 了數(shù)值模擬， 獲得了葉輪內(nèi)的相對(duì)速度分布、 壓力分布以及固相濃度分布。 研究 結(jié)果表明， 由于固體顆粒的存在將對(duì)液相相對(duì)速度場(chǎng)產(chǎn)生影響， 造成泵輸送液固 兩相流時(shí)的揚(yáng)程

25、比輸送單相流時(shí)有所下降。李琪飛基于N-S方程，把蝸殼固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉作為耦合整體聯(lián)系起來(lái)考 慮，分別對(duì)清水介質(zhì)及水砂兩相流介質(zhì)情況下進(jìn)行了計(jì)算并對(duì)照分析了其差異。4. 空化與磨損聯(lián)合作用的研究進(jìn)展 近年來(lái)，人們對(duì)于含沙水流中的空化問(wèn)題已做了一些研究， 研究主要集中在 理論分析和試驗(yàn)研究方面。理論研究 : 含沙水流中的空蝕問(wèn)題，其機(jī)理及涉及因素相當(dāng)復(fù)雜。對(duì)空化與 磨損的聯(lián)合破壞作用關(guān)系觀點(diǎn)不一，主要有以下幾種觀點(diǎn)。1）認(rèn)為聯(lián)合作用加速了對(duì)葉輪的破壞。 國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為水力機(jī)械中的魚(yú)鱗狀 表面是泥沙磨蝕的典型特征，尤其沙粒沖刷使葉面形成順?biāo)鞣较虻聂~(yú)鱗狀溝 槽，空蝕使葉輪產(chǎn)生蜂窩狀麻面。 氣泡微射

26、流挾帶尖銳泥沙沖擊表面， 使表面更 易產(chǎn)生針孔、麻面和坑洞。由于這些不平度，促進(jìn)了泥沙磨損。材料在空蝕與泥 沙磨損共同作用下造成的磨蝕破壞， 通常要比單純的磨損或空蝕嚴(yán)重的多， 其表 觀形態(tài)特征往往兼具磨損與空蝕的特點(diǎn)。2）空蝕對(duì)泥沙磨損起保護(hù)作用， 在一定條件下單純的泥沙磨損破壞比兩者聯(lián) 合作用時(shí)的破壞更強(qiáng)。 前蘇聯(lián)的卡列林川據(jù)則提出在聯(lián)合作用時(shí)， 由于空泡的阻 尼作用，事實(shí)上減弱了泥沙的磨蝕作用， 對(duì)葉輪起一定的保護(hù)作用。 清華的黃繼 湯等通過(guò)靜止液體中的空泡潰滅實(shí)驗(yàn)證明， 含沙狀態(tài)下， 空泡在固壁附近的潰滅 壓強(qiáng)減小 20%-60%。即說(shuō)明，含沙狀態(tài)下有可能減弱空蝕作用3）成都水輪機(jī)研究

27、所的杜同根據(jù)自己幾十年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為， 在發(fā)生空蝕時(shí)， 破壞面會(huì)產(chǎn)生一層海綿狀保護(hù)膜， 減緩了進(jìn)一步的空蝕作用。 但由于泥沙的沖刷， 使此膜難于形成， 故造成材料不斷暴露在空蝕的直接作用下， 這造成聯(lián)合破壞較 之任一單獨(dú)作用損壞的多。 并且認(rèn)為單獨(dú)泥沙沖刷不會(huì)對(duì)材料構(gòu)成大的損壞， 故 關(guān)鍵在于防空蝕。黃細(xì)彬也認(rèn)為沙粒粒徑小于 0.1mm，沙粒穿透邊界層的沖擊動(dòng) 能幾乎完全減少，對(duì)沖刷表面無(wú)磨損作用。粒徑在 O.1-1.0mm時(shí)，磨損輕微，對(duì) 沖刷表面無(wú)需采用抗磨措施。 由于顆粒相互沖撞抵消了氣泡潰滅時(shí)作用于表面的 部分能量， 以及泥沙對(duì)過(guò)流表面的拋光作用減少了空蝕的強(qiáng)度， 加之近壁流層中 泥沙

28、的屏蔽作用，空蝕作用力減弱，表面的破壞作用主要是磨損損壞。4）四川大學(xué)鄧軍等在分析前人試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了湍流邊壁的碎發(fā)現(xiàn)象引起 “掃蕩磨損”的概念。認(rèn)為含沙量少將促進(jìn)空蝕，含沙量大將制約空蝕。河海的 黃細(xì)彬等根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出了混凝土壁面上的磨蝕率公式，認(rèn)為 : 含沙水流的磨 蝕率隨摻氣濃度、材料強(qiáng)度的增大而減小，隨水流速度、含沙量的提高而增大。試驗(yàn)研究 :趙萬(wàn)勇通過(guò)對(duì)甘肅景電一期、 二期提灌工程各級(jí)泵站多年現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè) 和改進(jìn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究， 分析了泵空蝕與泥沙磨損原因， 結(jié)果表明 : 空蝕伴有泥沙， 會(huì)使破壞程度成倍增加。 在無(wú)法減少泥沙的情況下， 可改進(jìn)葉輪形狀， 以避免誘 發(fā)空蝕，也可采用耐空蝕

29、材料等方法提高葉輪使用壽命。 一個(gè)實(shí)驗(yàn)葉輪在修改了 葉片形狀后增加壽命 1 倍;另一個(gè)用鋼板制成的葉輪其壽命提高了 4 倍以上。水利水電科學(xué)研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)作用。 在含沙量大時(shí)， 含沙量的增加對(duì) 空化和磨蝕起制約作用，在兩種相反作用之間存在一個(gè)稱為臨界含沙量的轉(zhuǎn)變 點(diǎn)。鐵占續(xù)等人對(duì)含沙水空蝕下離心泵損傷情況進(jìn)行了研究， 發(fā)現(xiàn)含沙水空蝕與 無(wú)空蝕下的磨損， 它們的損傷部位不同。 含沙空蝕時(shí)， 葉片壓力面進(jìn)口損傷較 輕，出口較重。無(wú)空蝕磨損時(shí)，正好相

30、反。含沙空蝕時(shí)，后蓋板上葉片進(jìn)口兩 側(cè)及蓋板上進(jìn)口從軸向到徑向拐彎處都有損傷， 但較輕。 無(wú)空蝕磨損時(shí)， 上述部 位損傷較重。文獻(xiàn)根據(jù)前人研究成果指出 ,在一定的條件下含沙量升高會(huì)減輕磨損破壞作用 .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進(jìn)行試驗(yàn) ,結(jié)果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。兩相流或多相流體力學(xué)是近 40 年來(lái)非?；钴S的一個(gè)研究領(lǐng)域。兩相流或多 相流廣泛存在于自然界及工程實(shí)際中， 如大氣中的云霧， 含塵空氣， 核反應(yīng)堆的 冷卻，石油與天然氣的開(kāi)采與運(yùn)用， 生物體中的血管， 粉料或粒料的氣力或液力 管道輸送，粉塵的分離與收集，葉片機(jī)械中的多相流動(dòng)等。進(jìn)入九十年代，隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和各種湍流模型的建立， 固液兩相流在理論上和應(yīng)用上都有了 很大發(fā)展。 水力機(jī)械中固液兩相流動(dòng)的研究， 是水力機(jī)械抗泥沙磨損研究的基礎(chǔ) 和關(guān)鍵。對(duì)水力機(jī)械的混水設(shè)計(jì)和抗磨材料的研制都有重要意義。兩相流或多相流是非常復(fù)雜的， 由于各相