掺气减蚀机理的研究进展及讨论_张法星

掺气减蚀机理的研究进展及讨论_张法星 第29卷第2期 2010年4月水力发电学报 JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERINGVol.29No.2Apr.，2010 掺气减蚀机理的研究进展及讨论 张法星，徐建强，徐建军，汪振 (中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，杭州310014) 摘要:本文对空蚀机理及其影响因素进行了 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ，综述了掺气量对空化初生和空蚀的影响，在估算空化泡的溃灭时 冲击波的传播速度及衰减规律、微射流的直径及其速度、微射流对固壁的冲击压强和持续时间的基础上，分析了掺气间、 减蚀机理的研究进展及一些不足之处，水流掺气会导致初生空化数和空化数都增加，引起水中声速变化，但这些不能合理地解释掺气减蚀的原因。边壁附近的空化泡溃灭时，与周围空气泡的偶合作用，会改变微射流的方向，降低微射流的速度，增加空泡溃灭时间，减小冲击压强，消减传递到固壁的高强冲击荷载而减免空蚀破坏。掺气减蚀的原因是固壁附近空化泡与气泡的相互作用和含气型空化的增加更为合理。 关键词:水力学;掺气减蚀;综述;空化泡;气泡 中图分类号:TV131.3文献标识码:A Overviewanddiscussionsontheadvancesinthemechanism ——————————————————————————————————————————————— studiesofairentrainmentagainstcavitationerosion ZHANGFaxing，XUJianqiang，XUJianjun，WANGZhen (EastChinaInvestigationandDesignInstituteunderCHECC， Hangzhou310014) Abstract: Thispapersummarizesthemechanismandinfluencingfactorsofcavitationerosionandtheeffectsofaircontentonincipientcavitationnumberandcavitationdamage.Theadvancesinaerationmechanismstudiesagainstcavitationerosionareanalyzedbyusingtheconceptsofcollapsetimeofacavitybubble， propagationspeedandattenuationlawofshockwaves， diametersandvelocitiesofmicro-jetsorre-entrantjets， andimpactpressureanditsdurationofamicro-jetactingonsolidwall.Thesestudiesrevealedthataerationcausesanincreaseinincipientcavitationnumberandflowcavitationnumber， andalsoasignificantchangeinsoundspeed.Despiteallthefindingsandeffortsofpreviousinvestigators， thereexistyetmanyunknownsofthemechanism.Thereisnoexplanationthatsatisfactorilytellsuswhyaerationcanreducecavitationdamage. Infacttheinteractionofacollapsingcavitybubblenearsolidwallwiththeairbubblesnearbycouldbecrucial.Thisinteractionmaychangethedirectionofre-entrantjet，reducethemicro-jetvelocity，increasethecollapsetime， ——————————————————————————————————————————————— anddecreasetheshockwavepressureandthepeakloadonthesmallsurfacear eaimpacted.Thisexplanationofwhyairentrainmentcanmigratecavitationer osionseemsmorereliable. Keywords:hydraulics;aerationtomitigatecavitationdamage;overview;cavitybubble;airbubbles 0引言 自从上个世纪初在船舶螺旋桨上出现空蚀破坏，空化与空蚀问题已成为水利水电、水力机械、船舶、石油、化冶金等部门十分关切的课题，国内外开展了大量的研究。在寻求船舶推进器、水力机械和高水头泄水建筑物工、 减免空蚀破坏的措施时，研究表明水流掺气有助于抑制空蚀的发生和发展过程，掺气减蚀技术在水利水电工程中 ,4得到了广泛的应用。由涉及多个研究领域，而且对实验设备要求苛刻，比如，空化泡溃灭时间的量级约为10s， 4研究该过程就需要采用频率达10fps或更高的高速摄影设备，并且要配置适合的光源，所以目前对掺气减蚀机理 09-06收稿日期:2009- :“十一五”基金项目国家科技支撑计划项目(2008BAB29B04). 8水力发电学报2010年的研究仍然处于初步探索阶段，严格的理论剖析和切实可靠的试验证据极少。 1 1.1空蚀机理及影响因素空蚀机理 ——————————————————————————————————————————————— 溃灭时间也是极短，比如，位于水下2m、初始半径为0.1mm的空化泡空化泡的生长时间是以微秒量级计的， 溃灭的Rayleigh时间约为8.3μs。空化泡被压缩到很小、回弹或溃灭时，会在极短时间内辐射出高强的压强冲击波，其传播速度等于该液体中的声速，传递到边界可能造成壁面破坏。 Plesset,1,对距固壁远近不同的非球形空化泡的生长溃灭过程进行了研究，发现紧靠壁面的空化泡溃灭时产生的微射流刺穿空泡，冲击固壁，微射流刺穿空泡壁时的流速高达128m/s。微射流冲击壁面的速度与空化泡溃灭中心到边壁的距离密切相关，在估算时，一般可认为紧邻固壁空泡溃灭产生的微射流垂直冲击壁面的流速为100m/s。当空泡溃灭中心与固壁距离很近时，微射流朝向固壁，可以采用水锤公式估算速度Vj为的微射流作用 c为液体中声速。微射流冲击壁面的持续时间由微射流的直径dj其中ρ为液体密度，在固壁上的压强:Δp=ρcVj， 确定，具有dj/(2c)的量级。比如，对固壁附近一个直径0.1mm的空化泡，溃灭产生的微射流直径约为0.01mm，水中声速取1410m/s，可以估算，微射流的冲击压强约为141MPa，持续时间约为0.904μs。 目前，普遍认为空蚀过程中冲击波和微射流两种破坏模式均存在，其主次程度视空化泡溃灭位置与固壁之间的相对距离而定。这两者产生的时刻不同，当空化泡被压缩到很小或回弹时，会产生压强冲击波;而微射流则出现在空泡在固壁附近不对称溃灭的末期。当空化泡为含气型空泡时，溃灭后还可能产生新的小气泡。 ——————————————————————————————————————————————— 1.2空蚀影响因素 对影响空蚀的因素进行了综述，下面仅对该文没有提及的两个方面进行简略介绍:空化泡到边壁 的相对距离和边壁的性质。李根生 研究表明，液体,液体间相互作用导致微射流动能损失，空泡初始中心到边壁距离的变化导致微射流流场的 Rmax为空泡最大等效半径，巨大变化。如果用s表示空泡初始位置中心到固壁的距离，常用无量纲数γ=s/Rmax度 固壁上才出现空蚀;溃灭时与固壁连接的量空泡与固壁的相对距离。Philipp的空蚀试验结果表明:当γ?2时， 1.2?γ?1.4时空化泡溃灭造成的空蚀最明空泡产生了最大的侵蚀力;γ?0.7时，微射流才产生侵蚀;γ?0.3、 显;空蚀坑面积与空泡最大半径成比例。所以，只有距固壁很近的空泡才可能造成固壁空蚀，但是不同研究者对于这一范围的定义略有不同。 当固壁的弹性达到某一值后，能使微射流的方向不再朝向壁面。Gibson 这一事实，建议利用弹性的覆盖或衬垫来避免固壁空蚀。,4,,3,,2,从实验和理论分析两方面证实了 综上所述，空蚀机理十分复杂，不仅受水动力学因素影响，还与材料特性等很多因素有关，但是对一般的钢材、混凝土等水工建筑材料而言，空化泡溃灭过程中产生的压强冲击波和微射流对固壁产生的——————————————————————————————————————————————— 冲击、疲劳和侵蚀应力是引起空蚀破坏的主要原因。但无论哪种模式，都是极短时间内作用在边壁很小面积上的高强度冲击荷载引起了空蚀破坏。 2掺气减蚀机理 空气掺入水中，一部分会溶解在水中，其余部分以气泡形式存在，这两部分会相互转化。其中，空气在水中的溶解度小，所以容易在水中达到饱和状态。 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 大气压下，空气在20?水中的平衡溶解量(浓度)约为28.37mg/L(22.84mL/L)，水温升高，空气溶解度降低，绝对压强增大，空气的溶解度越大。 2.1掺气量对空化初生和空蚀的影响 “纯水”水中掺气量对空化空蚀来说是一个很重要而又十分有趣的影响因素。经过特殊处理的具有几百个 大气压的抗拉强度，很难空化;而通常情况下，水中存在微气泡(气核)，其抗拉强度与水的汽化压强pv在同一量级(约0.24m水柱)，压强降低时容易发生空化。 有关掺气量对初生空化数σi影响的研究成果很多，不同类型的空化形态，掺气量对初生空化数的影响也不同。由于各种水流中的气核谱不相似，存在比尺效应，初生空化数与掺气量之间很难得到一个定量关系式，Hammitt,6,给出了初生空化数和空蚀速率与掺气量的定性关系，见图1。其中pi是空化初生时的压强，α为掺气量，，的,5, 第2期张法星等:掺气减蚀机理的研究进展及讨论9受破坏，必——————————————————————————————————————————————— 须有很大的压强才能阻止空化泡在水中爆发性增长，所以很容易发生空化，即初生空化数随着掺气量 空蚀速率随着含气量增加而增大。但当掺气量进一步增大时，在水中形成了的增加而增大。从掺气量为零开始， 肉眼可见的气泡，能够减免空蚀破坏的作用，空蚀速率随之减小 。 图1 Fig.1初生空化数和空蚀速率与相对掺气量的关系,6,Inceptionsigmaanderosionrateversusrelativeaircontent,6, 2.2掺气减蚀的机理 1.目前的研究进展及不足之处。倪汉根,7,对掺气减蚀的原因进行了总结:(1)掺气降低水中声速，削减固壁面上的空化荷载;(2)增加水流含气量，提高流场空化数;(3)掺气改变近壁空泡的溃灭过程，减小固壁受力;(4)促进气体扩散，增加空化泡内气体含量，减小空泡溃灭压强。但其中的一些解释仍处于猜想分析阶段，没有切实可靠的试验和理论证据。 (1)掺气降低水中声速，削减固壁面上的空化荷载 标准状态下空气中的声速为340m/s，清水中的声速1450m/s，水气两相流(0.01<α<0.7)中的声速小于空 ,8,气中和清水中的声速，且随掺气浓度变化而变化。帅青红的研究表明水流掺气降低了声速。 研究了不同含气量下空化泡的溃灭特征，结果表明，当掺气浓度——————————————————————————————————————————————— 达3%时，近壁空泡溃灭引起固壁 最大压强约缩小到1/60。并分析到，介质的声速随掺气浓度的增加而迅速降低，是固壁压强缩小的原因。黄建波 但是，能造成空蚀的空化泡应该是与固壁连结或者距离固壁很近(γ?2,3)，这时，微射流击穿空化泡壁后 ,10,就直接冲击固壁，声速对冲击压强的影响很难评估。王国玉研究掺气对旋涡空化的影响时指出，在旋涡空化 流中，近壁涡空化团的溃灭是导致空蚀的主要原因，试件表面空蚀破坏仅和局部所遭受的冲击压力有关。在掺气条件下，流场中分布的空气泡虽然可以有效地抑制流场中空化泡溃灭所引起的冲击压力，由于近壁涡空化团的溃灭所引起的冲击压力是直接作用在壁面上的，所以掺气减蚀的原因不能完全解释为声速的减小。 (2)增加流场压强，提高空化数 Peterka,11,通过文丘里空蚀发生器喉部的掺气试验，发现空化数随掺气浓度的升高呈线性增加。在他的实验 ,12,中，空化数由未掺气时的0.109增加到0.288(掺气浓度7.1%)。黄建波也分析了掺气对流场压强的影响，发 现掺气后水流低压区的压强将提高，对空化起抑制作用。但是如前所述，掺气量的增加也会引起初生空化数增,9,加，促进空化发生。空化数和初生空化数都随掺气量增加而增大，所以仅从空化数的变化就不好判断掺气对空蚀的影响。 (3)掺气改变近壁空泡的溃灭过程，减小固壁受力 ——————————————————————————————————————————————— Gibson,4,研究了空化泡在橡胶板表面附近生长和溃灭的特征，发现生长期空泡向可变形表面移动，溃灭时空泡则远离可变形表面，微射流也射向远离边壁的方向。近壁区水流掺气后就像在固壁表面盖了一层可变形层，它对溃灭空泡有排斥作用，使其远离固壁，并使溃灭泡的微射流不再射向固壁。所以固壁不再承受由空泡溃灭微射流转化的最大溃灭压强，同时，因溃灭空泡远离固壁，也人大削减了作用在固壁上的最大辐射压强，从而减轻了固壁的空蚀。 但是，在掺气水流中，气泡并不是附着在固壁表面，而是受水流影响呈一定分布，空化泡与固壁间的气泡分布目前还很难进行定量评估。4)， 10水力发电学报2010年和空化泡溃灭最终瞬时压强联系起来的关系式，空化泡内气体的存在减缓了空化的发展速度，减小了空化泡的初 进而降低了空化泡溃灭压强。空化泡的尺寸很小，存在时间极短，空气在水中的弥散系始半径与溃灭半径的差， 数很小，因此空气向空化泡内的扩散量极少。更可能的情况是随着掺气量的增加，含气型空化的比例增加，可能减轻空蚀强度。 综上所述，很多研究者提出了掺气减蚀的可能原因，但是掺气减蚀的微观动力学机制仍处于初步探索阶段，切实可靠的证据并不多见;加上掺气后水流中形成空气泡的尺寸和分布仍然没有可靠方法进行预测，所以掺气减蚀的机理仍然需要进一步的研究。 2.一种可能的微观机制。Chanine,14,研究了空化泡在自由水面——————————————————————————————————————————————— 附近的生长———溃灭过程和水面相应的变形特征，发现:(1)当γ>3时，空泡和自由水面不再相互影响。(2)实验中观察到空泡溃灭微射流的方向都是远离自由水面，刺穿空泡，但是微射流速度小于在固壁附近溃灭空泡微射流的速度。当某空泡在固壁附近溃灭产生微射流速度在100m/s时，而其在水面附近溃灭产生微射流的速度只有30m/s左右。(3)当γ?3时，空泡生长时会 在溃灭、回弹时，空泡中心会快速地远离水面，水面对空泡的排斥随着γ的减小而更强烈。轻微地移向自由水面， 而且空泡上方水面受到扰动发生突起变形，空泡初始中心越接近水面，凸起变形越剧烈，形成一个细小的射流，水 ,15,面这种变形的时间尺度远大于空泡的溃灭周期。Tomita对附着在固壁上的多个空气泡在冲击波影响下的相互 作用进行了试验研究，发现当气泡距离很近时，在冲击波作用下，气泡间发生强烈的相互作用，传递到固壁上的最大冲击压强大大减小。随着相互作用的增强，每个气泡的溃灭时间变长。 所以，空化泡的溃灭受到附近固壁、自由水面和空气泡的影响，存与边壁的相对运动等强烈的偶合效应。当空化泡紧邻自由水面或者气泡时，溃灭产生的微射流速度降低，溃灭时间变长;同时，自由水面和空气泡自身也会 吸收了部分空泡溃灭产生的能量。水流掺气后，固壁附近的空化泡周围存在很多空气泡，大的发生剧烈的变形， 空气泡类似自由水面，空泡溃灭时，会发生强烈的相互作用，改——————————————————————————————————————————————— 变微射流的方向，降低微射流的速度，增加空泡溃 减小冲击波压强，消减传递到固壁的高强冲击荷载，减免空蚀破坏。这样理解掺气减蚀的原因，可能更合灭时间， 理。但受制于实验的难度，对空化泡和空气泡在固壁附近相互作用的研究成果仍然很少，需要进一步的研究。3结论 空蚀是由空化泡溃灭过程中产生的压强冲击波和微射流在极短时间内对固壁很小面积上的高强冲击造成两者之间的相对重要程度由空泡与固壁的相对距离γ决定。在空化泡生存周期内，因为掺气而向空化泡内扩的， 散的空气量极少;掺气降低水中声速不应该是掺气减蚀的主要原因。掺气减蚀的主要原因可能是固壁附近的空化泡与周围空气泡强烈的相互作用和含气型空化比例的增加，会改变微射流的方向，降低微射流的速度，增加空 减小压强冲击波，消减传递到固壁的高强冲击荷载而减免空蚀。而这些都需要深入的研究。泡溃灭时间， 参考文献: ,1,PlessetMS， ChapmanRB.Collapseofaninitiallysphericalcavityintheneighborhoodofasol idboundary,J,.JournalofFluid Mechnics，1971，47(2):283,290. ,2,李根生，J,.石油大学学报(自然科学版)，1997，22(1):97,101.沈晓明，施立德，等.空化和空蚀机理及其影响因素, ——————————————————————————————————————————————— J,.JournaloftheUniversityofLIGensheng，SHENXiaoming，SHILide， etc.Reviewofstudiesoncavitationandcavitationerosion, China，1997，21(1):97,101.(inChinese)Petroleum， ,3,PhilippA， LauterbornW.Cavitationerosionbysinglelaser-producedbubbles ,J,.JournalofFluidMechanics，1998，(361):75, 116. ,4,GibsonDC， 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(inChinese)页) ——————————————————————————————————————————————— 30水力发电学报2010年5结论与需要进一步研究的问题 “护坡本文以某大型高拱坝工程为例，研究了深厚覆盖层条件下高拱坝坝身泄洪消能的布置方式，提出了以 “水垫塘+二道坝”不护底、不设二道坝、部分预挖覆盖层”取代传统的的坝身泄洪消能布置 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，并进行了水工 上述方案是可以成立的。模型试验研究。初步研究结果表明， 今后，需要继续开展如下几方面的研究工作:1)进一步优化坝身表孔与深孔的出口鼻坎布置体型与组合方式，均化消能区消能负荷，尽可能改善下游冲刷情况;2)进一步研究覆盖层预挖方案，合理确定预挖高程与预挖范围等;3)研究消能区与下游河床的合理衔接与坡面防护问题。 参考文献: ,1,潘家铮，M,.北京:中国水利水电出版社，2000.何璟.中国大坝50年, PANjiazheng，HEjing.LargedaminChinaoverthepast50years ,M,.Beijing:ChinaWaterpowerPress，2000.(inChinese),2,陈椿庭.高坝大流量泄洪建筑物,M,.北京:水利电力出版社，1988. 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