水力機(jī)械兩相流綜述

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1、WORD格式可編輯水力機(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

2、；空化；磨損；兩相流專業(yè)技術(shù)資料整理WORD格式可編輯1.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

3、泡產(chǎn)生和沙粒沖擊角度的改變，使磨損破壞速度更為加快，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)

4、重引起機(jī)組噪音，震動(dòng)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。專業(yè)技術(shù)資料整理WORD格式可編輯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

5、水中的空氣發(fā)育形成空穴，這種現(xiàn)象稱為空化?？栈涂瘴g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

6、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

7、了著名的Rayleigh-Plesset方程,形成了空泡動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。R為球狀空穴半徑；為液體密度；為液體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；是空穴內(nèi)部壓力；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，空化空