基于涡成因的空化空蚀破坏机理研究

基于涡成因的空化空蚀破坏机理研究

随着水流的推移，沉积物和微气核穿过。当流体运动到高速区,压强减小时,气核将发育膨胀,形成空泡或空腔,此过程称为“空化”。空泡继续运动,若运动到压强大的区域,将发生溃灭,造成边壁的破坏,称为“空蚀”。水电站过机泥沙粒径易于检测,可用最大粒径、中值粒径、平均粒径或泥沙级配曲线等来表述,通过过坝泥沙长时间的检测,即可了解泥沙粒径的变化趋势。三峡水库蓄水后,水库下泄的泥沙中值粒径,实测多年平均值为0.004mm左右,并且悬移质级配非常细。1空化机研究伴随着压强的降低,气核发育形成空泡。由于紊流中漩涡布满着整个流场,从涡入手研究脉动压强、空化与涡之间的关系。1.1不同转向个体的涡流特性脉动压强的成因是一个复杂的问题。一般认为,脉动压强是紊流边界中多级漩涡随机混掺而引起的,称为涡成因说。在湍流运动中,存在无数多个转向各异、大小不等的漩涡。各种不同尺度的漩涡充满整个湍流。在图1中的升力P足以克服水对涡体的黏滞阻力时,涡体将上升并随水流运动,进入流速不同的流层,也就产生了质体的掺混作用。在湍流中,转向各异、大小不同的涡体有无数多个,所以水流的掺混作用一直杂乱无章地进行着,从而导致水流流速的脉动;根据能量守恒方程可知压强也存在脉动。1.2生空化的根源—涡与空化的关系在漩涡旋转过程中,漩涡转向与水流方向相同的一侧,加速度变大,压强小;而另一侧加速度变小,压强大。涡体与周围压强形成压力梯度,作用于周围水体,并吸引颗粒向涡心运动。漩涡流中心的低压区往往是产生空化的根源。涡体在高速水流中高速旋转,在离心力作用下将大粒径颗粒甩出冲击边壁。颗粒的离心运动偏离水流流线,加上颗粒与流体的速度不一致,导致泥沙颗粒周围产生更小的脱流漩涡,引起局部压力降低。当压力降低到临界汽化压力时就会产生空泡,促使初生空化提前发生。当涡体中产生的空穴泡随涡旋转时,在低压区的空泡会进一步发育,流到高压区一侧时则不断缩小以至溃灭、消失。从而,涡体受到溃灭冲击波的干扰破碎为更小的漩涡,最终分解为更小的气泡以热量的形式散失。在空泡溃灭之后,泡中心受高压膨胀而产生冲击波,形成负压。在含沙水流高速紊动并且受力不平衡的情况下,会再度形成漩涡并滋生空泡。1.3微颗粒的产生作用当水流速度增大时,流体中涡体的数量和旋转速度也将随之增大。从而,吸引更大、更多微颗粒向涡心运动。旋转的涡体中含有微颗粒,当流体的粘滞力不足以克服大粒径颗粒需要的向心力时,颗粒将被甩出,为下一步的空化提前发生创造条件。太大的粒径不能吸入到涡体中,太小的粒径不能甩出涡体。合适的粒径是空化的诱导条件。可见,在流速变化的条件下,促发空蚀的粒径级别,可能是促发磨损的粒径级别。2关于空蚀破坏机的研究2.1高压强区域的冲击目前,主要有2个机械破坏模式。①冲击波破坏模式。空泡运动到高压强区域,四周均匀受到,发生“向内爆炸”式的溃灭。空泡的空间被水体占据,形成高压强区域。最终,压强增大时,开始向外辐射圆球开冲击波。若冲击波的能量足够大并传到边壁,并大于边壁的抗压强度,刚会造成边壁的空蚀破坏。②微射流破坏模式。空泡运动到高压强区域后,其两侧所受的压力梯度不等,与空泡壁压力梯度大的一侧在流体的条件下首先变形,最终液体射穿两层泡壁形成射流,空泡分解成2个不同旋转方向的涡体。当射流以一定的角度冲击边壁并距离边壁较近时,就会造成边壁的空蚀破坏。2.2空蚀和空泡空化之间的关系由于湍流中脉动的作用,空泡在瞬间溃灭时,会产生极大的压强,以冲击波或微射流的冲蚀边壁。若空泡溃灭时的压强足够大,或离边壁比较近时,边壁将受到空蚀并形成凹坑。当空蚀破坏时间足够长时,凹坑中就会形成水垫,阻止空蚀进一步发生。在高速流体中,坑底的脉动压强将会直接影响空泡空化之后辐射能量的大小,进而影响边壁受空蚀破坏的程度。在高速水流中,无数多个漩涡充满着整个湍流。蚀坑底部的压强是无数多个漩涡的掺混作用产生的压强,脉动压强可由涡成因说解释。可以看出:蚀坑底部的压强与脉动压强息息相关。2.3生的波浪强度空泡溃灭时产生的微射流速度达100~400m/s,产生的冲击波强度达100~1000MPa,其作用范围约为1~25μm,温度可达200℃。正因为如此高的能量传递至水轮机叶片,导致叶片呈现蓝色斑点,见图2。2.4含沙水流的边壁磨损形态在水轮机叶片遭受轻度破坏时,空蚀破坏形态表现为针孔和麻点。脉动式地微射流或冲击波不断地交替作用,促使孔内表层和亚表层由于晶体位移不等产生微裂纹,进而,表层晶体剥落,针孔孔径不断增大,最终针孔不断发育,并与相邻针孔相互贯穿,将形成蜂窝状的空蚀洞。含沙水流对边壁的磨损是在水动力带动下对边壁磨、切、削、犁等作用的结果。大粒径颗粒撞击边壁造成边壁磨损(见图3),其磨损形态主要表现为切削、犁入、嵌套。当水轮机到小粒径泥沙颗粒磨损失时,初期表现为波浪状的鱼鳞坑。随着时间的增长,表面破坏加速,成串的鱼鳞坑发展为沟槽。3破坏水流的连续性高速水流是一种极其紊乱的流体。对于高速含沙水流,颗粒的存在破坏了水流的连续性,导致水流更加紊乱。此外,颗粒携带的气核促进了空化初生提前发生,流体的紊动伴随着脉动压强的产生,压强的不断变化加速了空泡溃灭,同时,加剧了空蚀破坏程度。3.1小颗粒颗粒对边壁的破坏机制1μm以下的微颗粒能长时间在边壁区运动。在微颗粒吸附着气核并携带着气核在水力牵引力的作用下向边壁运动的过程中,气核若经过低于汽化压强的区域,将迅速发育。因1μm以下的微颗粒体积相对空泡体积已经很小,对空泡四周的压力梯度影响很小,可忽略不计。之后,遇到高压强场时,空泡将发生冲击式模式的空蚀破坏。同时,液体携带着微颗粒向边壁运动,对边壁产生磨损破坏。可见,小粒径颗粒对边壁的破坏形式为空蚀和磨损2种形式。并且,空蚀与磨损几乎同一时间发生,共同对边壁产生破坏。研究表明:颗粒位置离边壁越近,颗粒运动速度越大。由此可知,小颗粒对边壁的破坏不容忽视。在含小颗粒泥沙水流对边壁产生磨蚀破坏时,空蚀和磨损破坏可能同等重要,共同对边壁产生破坏;同时,空蚀和磨损破坏相互耦合。3.2大颗粒颗粒引起的内凹变形10μm以上的微颗粒在近壁区运动时,当其携带空泡运动时,因受边界层的影响而逐渐远离壁面。大粒径颗粒携带气核发育成的空泡在壁面附近运动,若经过某高压强区域,由于气泡吸附在大粒径颗粒上,导致有颗粒吸附的一侧和无颗粒吸附一侧受液体的压力梯度不等,无颗粒吸附一侧,压力梯度大,易产生内凹变形,最终流体射穿两层泡壁形成微射流作用在大颗粒表面。部分微射流的能量将传到边壁。同时,大颗粒在微射流作用下,可能产生旋转并撞击边壁,通过切削、撞击磨损边壁。可以看出,大粒径颗粒对边壁的破坏形式以磨损为主,微射流形式的空蚀破坏为辅。多数大粒径颗粒同时存在时,旋转式的撞击边壁,扫描式的磨损。当边壁表面形貌高度在1mm以上,流速达15m/s时,还将引起空化,增加流场中的空泡数量。显然,对于三峡水轮机来说,出水边速度已经超过40m/s,若施工工艺不当、检修不及等不利因素导致表层磨蚀破坏超过1mm时,水轮机的空蚀破坏加剧,可能导致更加严重的后果。4三峡挖掘机观测实例4.1空蚀破坏模式如前述,三峡水电站实测多年平均中值粒径值为0.004mm,属于10μm以上的大粒径所占质量分数小于50%。含沙水流流经水轮机时,小粒径所占质量分数大于50%,其小粒径颗粒数所占更大的比例。如图4所示,出水边出现蜂窝状的坑,属空蚀破坏,其破坏模式正是由于小粒径颗粒携带空泡对水轮机叶片造成的磨蚀破坏。空泡高速溃灭,产生的高温高压,灼烧叶片,使叶片呈现蓝色空蚀坑。对于出水边蜂窝状蚀坑的周围,出现了一些闪亮地相对周围更大的坑。这是因为:小粒径颗粒从空泡溃灭产生的冲击波中获得充足的能量,将对叶片产生冲蚀破坏,最终使叶片晶粒外露,呈现闪亮的磨蚀坑。由于出水边含沙水流旋转半径大,离心加速度及速度比转轮里的大,压强低,易发生空蚀破坏。在空蚀发生的同时,部分粒径颗粒对叶片边壁造成磨损破坏。由此可知:出水边的蜂窝状蚀坑是空蚀的产物,并且,空蚀的产生伴随着泥沙颗粒的磨损作用,蜂窝状蚀坑周围闪亮的大坑是磨损造成的(如图4中细部图)。可见:正压面出水边的磨蚀是由磨蚀(即空蚀加磨损)破坏造成的。4.2颗粒磨损破坏叶片的大部分区域(除出水边以外)受到不规律的大粒径颗粒撞击。大粒径颗粒随水流运动,由于惯性力比水大,易产生颗粒偏离流线,冲击叶片。除此之外,大颗粒吸附的空泡空化时产生微射流作用于颗粒表面,对颗粒施加一定的动量,最终颗粒可能切削、撞击叶片,造成叶片的磨损破坏。由此可知:叶片的大部分区域破坏是属于磨损破坏。4.3含沙水流中颗粒与边壁相互作用空蚀导致边壁产生麻点或蜂窝状的蚀坑,使原本平滑的边壁变得粗糙,增强了水流的紊动。当含沙水流流经边壁时,高速紊动水流使更多容重较大的颗粒偏离流线,直接撞击、切削边壁,造成边壁的磨损破坏。同时,磨损导致边壁金结构破裂,晶体析出,边壁表层达到疲劳强度。高速水流经流此处,水流速度突然降低,造成边壁的空蚀破坏,空泡溃灭产生的冲击波削掉薄弱层。小粒径颗粒携带气泡溃灭时,产生冲击波模式的空蚀破坏作用于叶片表面,同时,冲击波传递一部分于颗粒;最终导致颗粒冲击边壁。大粒径颗粒携带的气泡溃灭时,产生微射流模式的空蚀破坏作用于颗粒。当微射流发生点与边壁的距离比较近并指向边壁时,空泡的剩余能量将以微射流的形式对边壁产生空蚀破坏。同时,带有高动量的颗粒将对边壁产生切削、冲击、犁耕等磨损作用。含沙水流中,空泡的溃灭伴随着空蚀与磨损的同时发生,二者相互耦合作用于边壁,对边壁造成破坏。研究表明,表面磨蚀破坏引起的局部高压将加速空泡的溃灭,同时增大破坏强度。最终导致边壁不断遭受破坏。4.4磨蚀和干蚀破坏根据前述,三峡水轮机左岸11号机组(见图3)和右岸14号机组(见图4)均出现磨蚀破坏。可以看出:三峡水轮机叶片的磨蚀是存在的。三峡水电站不同的机组,在转轮直径相差很小,几乎在同一水头高度运行的情况下,都将出现不同程度地空蚀破坏。其特殊性主要表现在机组运行时间不等和泥沙粒径级配不同2方面。5微射流破坏模式从涡体的角度对空化空蚀进行机理分析,并结合三峡水电站水轮机磨蚀实际情况,分析了颗粒粒径对空化空蚀的影响,得出:(1)小粒径颗粒伴随冲击波破坏模式对边壁产生磨蚀破坏,磨损与空蚀没有主次之分