水力机械两相流综述.doc

1、水力机械两相流综述摘要我国大部分河流属于多泥沙河流，含沙量均较高，对于运行在这些河流上的水力机械而言。其叶片很容易遭到泥沙冲击磨损的破坏，尤其是靠缝隙处，其边壁磨损较为严重，并且沙粒的存在还大大增加了空化的发生机率，使这些位置极容易发生空化，产生空蚀，磨损和空化的联合作用，相互促进，会导致非常严重的磨蚀。这不仅大幅度降低了水力机械的水力性能，而且在很大程度上威胁着水力机械安全稳定性。因此，展开含沙河流中水力机械内部流动特性的研究具有重要的理论意义与实际应用价值。本文针对水利机械两相流进行论述，主要为液气，液固模 拟 模 型 ， 空 化 磨 损 发 展 。关 键 词 ： 水 力 机 械 ； 空

2、化 ； 磨 损 ； 两 相 流1.前言近几十年来森林植被覆盖率降低,环境恶化，水土流失严重,许多河流中的泥沙含量成倍增加，当含沙水流通过水力机械时，沙粒会对过流部件表面造成破坏。沙粒作用于过流部件表面而使其损坏给离心泵带来严重的磨损。水中含有泥沙时，不仅对水轮机产生磨损破坏，而且使得空蚀比清水时发生的更早更严重。当含沙水流中发生空化时，由于汽泡的产生和高频率溃灭，不断地以高压冲击金属表面，使之产生疏松。沙粒不断冲击切削，使表面破坏速度大大加快，破坏后的表面，由于材质疏松程度不同和各处的流速也有区别，造成水轮机过流通道表面凹凸不平，这又加速了空泡产生和沙粒冲击角度的改变，使磨损破坏速度更为加快，

3、磨蚀破坏引起水力机械效率下降，产生振动与噪音迫使机组频繁大修，维修费用高昂，经济效益大为降低。在我国黄河干流上已建成的大中型水电站中，有 4 座都存在严重的空化空蚀、磨损破坏，特别是三门峡电站最为严重。水轮机组运行环境恶化,导致水电厂构件的空化、磨损问题成为影响电力系统安全越来越严重的问题。它的直接危害主要表现在:1)检修周期缩短,增加了电站的临时性检修和大修工作量,使电站运行成本增加,给电厂造成很大的经济损失。 2) 水力机械性能降低，离心泵过流部件表面被泥沙磨损后，凹凸不平，促进了水流的局部扰动和空化的发展，空化发展严重引起机组噪音，震动加剧，效率急剧下降，严重影响着水电站的运行质量。含沙

4、水流以一定压力携带磨粒和空泡，高速冲击(打击)过流部件,造成复合形式的磨损,即为多相流磨损，既有空泡的气蚀，也有高速水流和磨料颗粒的冲蚀及其交互作用。目前普遍的研究认为泥沙磨损和空蚀是相互促进的。人们总希望设计出的水轮机同时具有最佳的能量特性和空化磨损性能，因此研究含沙河流离心泵的泥沙磨损与空化破坏的关系，对设计含沙河流中耐磨及高空化性能的水泵具有重大的指导意义。2.空化的研究进展空化是一种液体现象，当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体会汽化或溶解于水中的空气发育形成空穴，这种现象称为空化。空化和空蚀现象的发现已有较久的历史,早在 1754 年欧拉(Euler)研究水轮机理论时,曾

5、意识到低压流区水流产生空化的可能性;1894 年雷诺(Reyrolds)在一篇论文中详细报道过在实验室实验中发生的空化现象，介绍了水流进入局部收缩管时，在低压区出现的空化现象。同年帕森斯 P(arosn)s 发现了空化对船舶螺旋桨的影响，并于 1895 年建成了世界上第一台，也是最简单的空化试验水洞。1895年，佛汝德(Fruode)等人对船壳的表面和底面进行观察，发现空化不仅发生在螺旋桨上，而且发生在舵、龙骨，甚至船体本身。同样，也曾发现空化现象常常会限制水下武器的运行。1897 年，人们发现在船舶上使用的螺旋推进器上，螺旋桨在很短时间内遭到破坏。经研究，发现这是由于空蚀而引起的。1900

6、年英国、德国建造了空化水洞。同年，人们发现了空蚀对水轮机材料的侵蚀。1912 年英国两艘万吨级海轮高速运行仅 9 个小时，其螺旋桨就被空蚀破坏地不能继续航行。与此同时，德国和瑞典也报告了水轮机的空蚀情况。这时空化的严重性才引起人们的注意。1917 年，雷利发表了“论液体中球形空穴溃灭时产生的压力”一文，对人们认识空穴的性态做出了重大贡献，比较系统地提出了空化理论,建立了描述自由空泡运动的方程在此基础上,Plesset 进一步研究,得到了著名的 Rayleigh-Plesset 方程, 形成了空泡动力学的基础。RdtvtRtdtPtB 11221 24)(3)( R 为球状空穴半径； 为液体密度

7、； 为液体运动粘性系数； 是空穴内部1 )(tPB压力； 为来流压力； 是表面张力。Rayleigh-Plesset 方程以一种瞬变的形)(t式给出了气泡动力学方面的非线性表述。也就是在假设空泡为球状时，说明了在不同压力条件下气泡界面和半径上的粘性、表面张力、惯性的相互关系。但由于处理移动界面的困难,使得早期寻求空泡溃灭的解析解研究进展不大。后来人们对空泡溃灭研究逐渐深入,但是很大程度上仍然局限于 Rayleigh 方程或在无粘流场中求解,这显然离解决实际问题还有一定的差距。20 世纪 20 年代，空化空蚀现象作为一个专题才开始进行研究。关于空化产生机理,由于液体结构还不十分清楚,目前尚无明显

8、的理论说明。有些学者提出过某些假设，比较能为人们接受的是哈维的稳定空泡核子机理假说。哈维认为：未溶解的气核可存在于憎水性的固体缝隙中，因为在这样的情况下，表面张力将起着减小压力的作用。因而气体并不是被迫溶解,而可能还保持气相状态。国内外目前重要的空化剥蚀机理主要有下述两种 空泡溃灭冲击压力波论：认为空蚀的破坏是由于球形或半球形空泡溃灭的机械作用产生强烈的水锤作用液体直接冲击到固体界面而造成的，据水锤公式计算，其作用力可达 3.3570 Pa。这样大的应力频繁作用，足以引起材710料表面局部塑性变形与硬化、变脆，产生疲劳，进而使材料破裂与剥落。微射流论：认为空蚀破坏是由空泡或空穴溃灭过程液体的微

9、型射流造成的。该理论基于静水中正在溃灭的空泡照片表明溃灭时空泡发生变形，这些变形随压力梯度及靠近边界面而增大，并认为这种变形促成了流速很大的的微型液体射流，流速计算表明射流速度可达 1001000m/s，压力达 2 Pa，压力的持810续时间为 。这足以对固体表面材料造成巨大的破坏。s2空化按空泡存在形式和产生原因分为以下四类1）游移空化。游移型空化是由在液体中移动的孤立的瞬态空泡或空泡群组成的空化现象。2）漩涡空化。流体通过涡流装置时沿切向狭缝进入涡流空化舱，形成一定角度和速度的射流，切向射流在舱中形成涡流。涡流中心的压力很低,在一定条件下，这个压力远小于液体的蒸汽压，空化气泡就在这个区域形

10、成。当空化气泡随液流流出涡流舱时，由于受阻、压力突然升高，导致空化气泡急剧破裂，产生空化效应。可进一步降低操作压力，反应过程可以在常压下进行。3）固定空化。这是一种相对稳定的空化形式，空化初生后形成附着在边界上的空腔，这种空腔称为固定型空泡。这种空泡的大小与绕流物体的几何形状、表面粗糙度、液体的物理性质及流场中的压力和速度分布有关。4）振动空化。液体中的固体边界的机械振动将激发相邻的液体产生压力脉动，当振动幅值足够大时就使液体发生空化、这种空化的特点是发生空化的液体是静止的，对材料的有较大的破坏作用。水轮机中的空化类型根据空化发生的部位将水轮机空化分为以下四种基本类型1）翼型空化空蚀。这种空化

11、空蚀破坏主要发生在水轮机转轮叶片上，当转轮叶片上某点压力下降到当时液体温度下的汽化压力时，将在叶片上产生翼型空化和空蚀，这是水轮机的主要空化形式。2）间隙空化空蚀。间隙空化空蚀是当液流通过狭小通道或间隙时引起局部流速升高。压力下降到当时液体温度下的汽化压力时而形成的。轴流转浆式叶片外缘与转轮室之间及叶片根部与轮毂之间的间隙空化属于这种类型3）空腔空化空蚀。水轮机在某些偏离工况运行时在转轮出口和尾水管内会发生一个或两个漩涡带。涡带是中间含有蒸汽和其他气体的大空腔，空腔内压力很低，呈螺旋状非轴对称地在尾水管内旋转，使压力场、速度场也发生周期性变化。引起机组振动和噪声，使机组运行不稳定，并在尾水管进

12、口段边壁形成空蚀破坏。4）局部空化空蚀。局部空化空蚀主要是由于铸造和加工缺陷形成的表面不平整、砂眼等引起局部流态突变而造成的。效率、空化性能和稳定性是影响水力机组性能的三项指标，其中空化性能是一个古老却至今未被解决的难点课题之一。目前对空化流动的研究主要采用空化实验和数值预测两种方法。人们对空化进行了了大量的研究，其试验研究方法主要有模型水轮机的性能试验，原型水轮机的空化状态监测和空化流场的测量。在空化试验中应用高速摄影技术来观察空化的发生过程。空化实验的费用高，而且对于大型机组的空化性能实验，由于空化现象的比尺效应及众多因素的影响在实验中尚无法有效地控制，使得实验结果难以准确的反应真机的空化

13、性能，近年来，随着 CFD 技术的发展，数值模拟已成为研究水轮机内部空化流动的重要手段。近年来人们开始通过理论分析，在 N-S 方程的基础上建立流动模型，应用数值分析的方法，研究空化流场的特性。对于空化的数值模拟研究大体上向着两个方向发展:从空泡的角度研究空化发生发展的机理或从宏观的角度分析空穴的存在对流场的影响。徐宇等基于两相流中两流体模型的理论和方程,推导了水轮机转轮中空化两相流的两流体基本方程,并利用 k-kp 两相湍流模型计算水轮机转轮中三维空化两相湍流。计算结果包括了液相和空泡相的主要流动特征。王国玉等采用了一种基于均相平衡模型的空化流动模型对空化流动进行了数值模拟。随着人类对空化的

14、研究的深入，对于空化和空蚀破坏的机理;空化的模拟理论;空化的比尺效应;空化破坏强度及其度量等方面己经有了较为深刻的认识，形成了经得起实践检验的理论并找到了一些改善水力机械空化性能的途径。空化的研究已由无粘性发展到粘性、由二维、准三维发展到全三维流动解，从单相、两相到空化两相流。学者们对于空化的机理和结构做了大量研究。但是空化空蚀现象的研究主要还停留在研究方法的探索中，这主要是由于空化流动本身的复杂性和研究工具的缺乏。在距离完全摆脱空化对水力机械发展的限制，完全消除空化对水力机械运行的不良影响这一理想的目标，还相当遥远，还必须对水力机械空化和空蚀破坏进行大量的广泛的理论分析和实验研究工作。3.水

15、力机械磨损发展水力机械磨损问题是一个十分复杂的物理过程，它与流体流速、流动形式、颗粒浓度和粒形、混合物浓度以及水力机械的结构设计和所用材料等因素都有关系。各因素之间相互制约，而且各因素内部又有诸多参数要加以考虑，因而给研究者带来了许多的困难。由泥沙引起磨损的因素是复杂的，包括:沙粒的成分，泥沙颗粒的大小，泥沙的浓度，泥沙的流速及冲击方向等。磨损分为普通磨损和局部磨损。普通磨损是指一般平顺绕流磨损，它对过流表面的磨损是由于摩擦切削作用和磨粒对表面的冲击造成的，它是由流体及紊动掺混推动了沙粒由液体的这一层到另一层重新分配，加上水流的脉动结果，使硬颗粒以不同的角度冲击过流表面，如水力机械叶片表面磨损

16、多属于这种类型。而局部磨损则是由于具有不平顺的绕流所引起的，如不平整的焊缝、孔眼、间隙等，由于边界层水流受障碍物的扰动，形成漩涡流动。在漩涡运动中，漩涡中心部分的压力被降低，漩涡吸引磨粒，而又在离心力作用下从漩涡逸出冲击表面。同时由于漩涡中的低压而产生气穴，流到正压区产生溃灭，与泥沙一同打击在过流表面上，即所谓空蚀与泥沙磨损的联合破坏作用。此联合破坏作用往往大于单独某一方面的破坏作用。长期以来，磨损问题被广泛研究，但所做的研究多集中在宏观破坏过程上，对于磨损破坏的微观过程了解甚少，尚未掌握磨蚀破坏机理。对磨蚀的研究还停留在有限的水平上。磨损的试验研究进展早期展开叶轮机械磨损研究的主要有 Wel

17、linger、Sautter、Zarzycki 、Roco等，他们在磨损激励、磨损规律及防磨措施方面取得了一定成果目前,流体机械磨损试验研究主要从以下几个方面出发:试验条件(速度、冲角等)对材料磨损破坏的影响、沙粒的特性对磨损破坏的影响、含沙量对磨损破坏的影响及材料本身抗磨损破坏性能等。Kenichi Sugiyama 等，在射流磨损试验装置上对多种材料及涂层的试验结果指出,速度较高时(v=40 m/s), 60至 90之间的冲击角变化对磨损破坏结果几乎没有影响,但角度较小时破坏程度随角度减小而减小;而在速度较低时(v=10 m/s),冲击角度增大到一定时,破坏程度反而减小.同时,结果表明材料

18、抗磨损能力决定于其硬度。姚启鹏，在旋转喷射装置上进行泥沙粒径对常用钢材磨损影响的试验,给出了各粒径对不同材质单位磨损率及其计算式。 许洪元等利用粒子成像测速技术对离心泵流道中固体颗粒速度场进行了研究，实验结果表明固体颗粒的密度影响其在叶轮中的相对运动轨迹，而其粒径和形状则主要影响其运动速度大小。余江成等对黄河、长江等几种河流类型泥沙和石英砂的磨损特性在收缩水洞中进行了对比试验,试验展示了各种类型泥沙的磨损能力.4.磨损的数值研究进展迄今为止水轮机是按照理想流体即清水条件设计的。当水中含有大量泥沙后。已经不是清水和理想流体而是液体和固体混合的“两相流”了。显然两相流比清水更复杂。由于水轮机实际过

19、机泥沙含量在不断变化。所以流速场和压力场的分布规律也不断变化，不同的速度场应该有不同的叶型。国外磨损行为的研究大多数关注与材料物性方面，随着计算机的发展，人们开始从水沙两相流的动力学特征入手对流体机械本身进行抗磨损等的优化设计，对流动参数进行控制与优化配置因此，从理论上来讲，水沙两相流才是解决磨损问题的根本之道。国内在水力机械两相流方面也进行了大量的研究，取得了一定的进展。国内对水力机械固液两相流内部流动的研究目前主要集中在颗粒运动规律、两相流流场分析及实验研究上，清华大学对固液两相流泵内部机理进行了开拓性研究。吴玉林利用两相流动的多流体模型和 K-Ap 两相流湍流模型计算了渣浆泵叶轮内的二维

20、固液两相湍流，并与实验结果进行了对比；同时为了提高离心泵的抗磨蚀能力，吴玉林等人对泵内固液两相流的流态进行深入研究。在多相紊流运动双流体模型的基础之上，建立了两相紊流运动的大涡模拟，利用大涡模拟，对离心泵叶轮内部的固液两相流动进行了数值计算。刘正英则用有限差分法对叶轮流道中的固液两相流动规律进行了数值模拟。1994 年彭维明用欧拉法和拉格朗日法相结合的雷诺输运定理推导出了固液两相流的基本方程，计算了水轮机转轮中轴对称的固液两相流，得出了两相速度场的流动规律：颗粒相的轴面速度在水轮机转轮叶片内大于液相的轴面速度，在一定范围内，随着颗粒相的直径增大，周面速度增大。刘小兵等导出了固粒在任意流场中运动

21、的 Largrangian 方程，对此方程进行线性化，并求出了解析通解。使用颗粒运动方程数值求解和分析了稀疏颗粒湍流场中固粒的运动，建立了湍流固液两相流的 k- 双方程模型、体积分数模型、Euleria-Largrangian 混合模型以及颗粒磨损模型，利用这些模型对一些叶轮机械过流通道内的流动及固壁磨损进行了数值模拟，预测结果与实验结果较为一致。赵敬亭等以基本两相流理论为基础，对叶轮的单颗粒钢球进行数值模拟，等到了钢球的运动轨迹，从而进一步预见了前人的实验结果。刘正英用帖体坐标和 k-Ap 模型对叶轮流道中的固液两相流动规律进行了数值模拟。王宏、王增璇、马振宗等利用悬浮体固液两相流颗粒群模型

22、的理论研究成果,对在含沙水流中工作的水力机械转轮内部的固液两相流进行了数值模拟研究。对两相流流场的模拟结果进行的分析表明提出的数值模拟方法和拟人工压缩技术是成功的。唐学林等人在两流体模型的基础上，利用 k-Ap 两相湍流模型计算水轮机转轮中泥沙固液两相湍流，得出了泥沙颗粒对转轮叶片面的磨蚀规律。吴玉林、曹树良等推导了两流体模型的基本方程，并利用 k-Ap 固液两相湍流模型，采用帖体坐标系中的有限差分法和 SIMPLEC 法计算水轮机转轮中三维泥沙固液两项湍流，得出了液相和泥沙固相的主要流动特征。高忠信等在两流体模型的基础上,使用贴体坐标的有限体积法,利用有科氏力修正的 k-Ap 两相流紊流模型

23、建立了水轮机转轮内部的三维泥沙固液两相紊流计算模型，模型中求解了考虑压力对固粒相影响的时均 Reynolds 动量方程,并利用泥沙相的速度和浓度分布,数值计算了转轮的泥沙磨损，为了验证模型的可行性,用该模型计算了刘家峡 HL001-25 模型水轮机转轮内部的三维泥沙固液两相紊流流动,数值预估了转轮的泥沙磨损并与磨损试验结果进行了比较，表明采用的固液两流体模型是可行的,数值方法也是正确的。杨敏官等在 FLUENT 中运用混合物模型对叶轮内部不可压液固两相流动进行了数值模拟，获得了叶轮内的相对速度分布、压力分布以及固相浓度分布。研究结果表明，由于固体颗粒的存在将对液相相对速度场产生影响，造成泵输送

24、液固两相流时的扬程比输送单相流时有所下降。李琪飞基于 N-S 方程，把蜗壳固定导叶、活动导叶作为耦合整体联系起来考虑，分别对清水介质及水砂两相流介质情况下进行了计算并对照分析了其差异。4.空化与磨损联合作用的研究进展近年来，人们对于含沙水流中的空化问题已做了一些研究，研究主要集中在理论分析和试验研究方面。理论研究:含沙水流中的空蚀问题，其机理及涉及因素相当复杂。对空化与磨损的联合破坏作用关系观点不一，主要有以下几种观点。1）认为联合作用加速了对叶轮的破坏。国内外普遍认为水力机械中的鱼鳞状表面是泥沙磨蚀的典型特征，尤其沙粒冲刷使叶面形成顺水流方向的鱼鳞状沟槽，空蚀使叶轮产生蜂窝状麻面。气泡微射流

25、挟带尖锐泥沙冲击表面，使表面更易产生针孔、麻面和坑洞。由于这些不平度，促进了泥沙磨损。材料在空蚀与泥沙磨损共同作用下造成的磨蚀破坏，通常要比单纯的磨损或空蚀严重的多，其表观形态特征往往兼具磨损与空蚀的特点。2）空蚀对泥沙磨损起保护作用，在一定条件下单纯的泥沙磨损破坏比两者联合作用时的破坏更强。前苏联的卡列林川据则提出在联合作用时，由于空泡的阻尼作用，事实上减弱了泥沙的磨蚀作用，对叶轮起一定的保护作用。清华的黄继汤等通过静止液体中的空泡溃灭实验证明，含沙状态下，空泡在固壁附近的溃灭压强减小 20%-60%。即说明，含沙状态下有可能减弱空蚀作用3）成都水轮机研究所的杜同根据自己几十年的实践经验认为

26、，在发生空蚀时，破坏面会产生一层海绵状保护膜，减缓了进一步的空蚀作用。但由于泥沙的冲刷，使此膜难于形成，故造成材料不断暴露在空蚀的直接作用下，这造成联合破坏较之任一单独作用损坏的多。并且认为单独泥沙冲刷不会对材料构成大的损坏，故关键在于防空蚀。黄细彬也认为沙粒粒径小于 0.lmm，沙粒穿透边界层的冲击动能几乎完全减少，对冲刷表面无磨损作用。粒径在 0.1-1.Omm时，磨损轻微，对冲刷表面无需采用抗磨措施。由于颗粒相互冲撞抵消了气泡溃灭时作用于表面的部分能量，以及泥沙对过流表面的抛光作用减少了空蚀的强度，加之近壁流层中泥沙的屏蔽作用，空蚀作用力减弱，表面的破坏作用主要是磨损损坏。4）四川大学邓

27、军等在分析前人试验基础上提出了湍流边壁的碎发现象引起“扫荡磨损”的概念。认为含沙量少将促进空蚀，含沙量大将制约空蚀。河海的黄细彬等根据试验数据导出了混凝土壁面上的磨蚀率公式，认为:含沙水流的磨蚀率随掺气浓度、材料强度的增大而减小，随水流速度、含沙量的提高而增大。试验研究 :赵万勇通过对甘肃景电一期、二期提灌工程各级泵站多年现场观测和改进设计实验研究，分析了泵空蚀与泥沙磨损原因，结果表明:空蚀伴有泥沙，会使破坏程度成倍增加。在无法减少泥沙的情况下，可改进叶轮形状，以避免诱发空蚀，也可采用耐空蚀材料等方法提高叶轮使用寿命。一个实验叶轮在修改了叶片形状后增加寿命 1 倍;另一个用钢板制成的叶轮其寿命

28、提高了 4 倍以上。水利水电科学研究院在各种空化试验设备上如水洞、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，在两种相反作用之间存在一个称为临界含沙量的转变点。铁占续等人对含沙水空蚀下离心泵损伤情况进行了研究，发现含沙水空蚀与无空蚀下的磨损，它们的损伤部位不同。含沙空蚀时，叶片压力面进口损伤较轻，出口较重。无空蚀磨损时，正好相反。含沙空蚀时，后盖板上叶片进口两侧及盖板上进口从轴向到径向拐弯处都有损伤，但较轻。无空蚀磨损时，上述部位损伤较重。文献根据前人研究成果

29、指出,在一定的条件下含沙量升高会减轻磨损破坏作用.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进行试验,结果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。两相流或多相流体力学是近 40 年来非常活跃的一个研究领域。两相流或多相流广泛存在于自然界及工程实际中，如大气中的云雾，含尘空气，核反应堆的冷却，石油与天然气的开采与运用，生物体中的血管，粉料或粒料的气力或液力管道输送，粉尘的分离与收集，叶片机械中的多相流动等。进入九十年代，随着计算机技术的发展和各种湍流模型的建立，固液两相流在理论上和应用上都有了很大发展。水力机械中固液两相流动的研究，是水力机械抗泥沙磨损研究的基础和关键。对水力机械的混水设计和抗磨材料的研制都有重要意义。两相流或多相流是非常复杂的，由于各相界面的存在，各相运动量在界面上要发生跳跃，通过界面处相间会发生质量，动量与能量的传递。作为两相流的整体运动又与两相的体积浓度、颗粒的形状和大小、两相的密度、粘性和相间的滑移速度等诸多因素相联系。对于实际问题，这些影响因素的范围很大，