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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，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。 R为球状空穴半径；为液体密度；为液体运动粘性系数；是空穴内部压力；为来流压力；是表面张力。Rayleigh-Plesset方程以一种瞬变的形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