风沙两相流条件下凸条形态混凝土壁面冲蚀磨损研究.docx

? ? 风沙两相流条件下凸条形态混凝土壁面冲蚀磨损研究 ? ? 田菁艾，陈善群 (安徽工程大学 建筑工程学院，安徽 芜湖 241000) 西北部分地区是我国沙尘暴多发地区，位于该地区的构筑物长期暴露于恶劣的风沙环境下，常年受到沙尘颗粒的冲击和碰撞，其表面极容易出现冲蚀磨损的情况。工程中通常会采用改良强化材料或是在构筑物表面刷涂保护涂料的方法[1-3]，以达到提高结构整体抗风沙作用的目的，并且一定程度上对结构表面起到保护作用。然而将多组强化后的材料进行对比后发现，仅仅考虑强化混凝土自身材料不足以说明材料在风沙作用中的抗冲蚀磨损能力，水泥基与骨料间接触面的粗糙度对抗冲蚀磨损性能具有较大程度的影响[4-5]，从经济方面考虑，这两种方法都需要庞大的费用支撑。如何使构筑物自身在强风沙的环境中有更长久的寿命，已成为许多学者研究的方向，具有重要的现实意义和研究价值。 冲蚀现象是由多相流介质(通常为气固或液固)冲击材料表面后引发的一类磨损现象，在混凝土构筑物的磨损中属于较为常见的现象，多以材料的质量或体积损失量的大小来评估损伤程度。从十九世纪中后期至今，学者们结合理论分析、实验研究与数值模型的方法，对风沙的冲蚀行为作出了深入研究。混凝土材料是工程最常见的材料之一，学者们对其风沙两相流研究多集中于理论和实验：Finnie[6]、Goretta等[7]通过对比颗粒的大小形状从微观角度分析了冲蚀磨损现象的破坏机理；曹鑫、郝贠洪、张伟等[8-10]对金属、玻璃、陶瓷在风沙环境中的磨损状态进行了研究，并做出了细致的分析解释；王彦平、Masaya等[11-12]对混凝土材料的冲蚀特性进行了实验研究，考虑骨料在冲蚀磨损中的影响因素。同时，学者们也通过数值模型的研究方法对风沙耦合作用的运动进行了研究：Huang等[13]研究发现沙粒在风沙两相流中的运动也会在净风运动的过程中起到一定程度上的削弱作用;汤润超等[14]、方言[15]通过数值模型分别研究了沟槽、凹坑以及凸包等非光滑结构的抗冲蚀减阻性能；张卓群等[16]用数值模型模拟了杆塔结构，将沙粒假设成规则球体，求解出不同等级沙尘暴对输电铁塔的破坏作用，且均大于风荷载单独作用。目前对于混凝土材料的研究逐渐成熟，关于风沙对结构的冲蚀磨损主要通过改变输沙率表现，且以实验居多，设备仪器仍然具有一定的局限性，而沙的风选程度在研究中也不可忽视，需进一步修改和完善。如何在控制成本的同时提高混凝土壁面本身的抗冲蚀磨损能力，延长混凝土构筑物的耐久性能，非光滑表面形貌逐渐引起了许多研究人员的关注。 基于以上研究，本文借鉴其他领域抗冲蚀减阻的成功案例，针对混凝土表层结构的设计，拟建立一个适用于研究风沙两相流条件下凸条壁面冲蚀磨损且具有较高求解精度的数值模型。在验证模型可靠性之后，选择在表层布设单个半圆柱形凸条，优化混凝土壁面形态，以提高混凝土壁面抗冲蚀磨损的性能。在同一风沙环境下，通过改变风速和入射角度，将光滑壁面同凸条壁面的磨损情况进行比较，研究凸条结构对壁面的影响规律。同时，为了进一步发掘凸条对壁面抗冲蚀磨损的影响，本研究在不改变原有工况的基础上，采用双凸条的形式，以调整凸条间的距离的方式，系统分析间距对壁面冲刷的影响程度，可以为混凝土壁面抗冲蚀磨损研究提供有效信息参考，以期为沙漠地区的构筑物设计改善提供一种新的思路。 1 数值模型与验证 1.1 控制方程与模型选择 风沙流是沙粒在风的耦合作用下形成的流体，沙粒在风的推动作用下，其速度和压力会产生相应的变化，当变化达到一定程度时流体会发生湍流运动，从而导致建筑物表层出现不同程度的冲蚀磨损。本研究拟在笛卡尔坐标系中，通过求解雷诺时均Navior-Stokes(RANS)方程，结合RNGk-ε湍流模型计算以获取模型的风沙流场。以下为控制方程的形式。 (1)连续性方程： (1) (2) (3) 其中， (4) (2)湍流模型。湍流运动是一种常见的极其复杂的流动，选择合适的湍流模型对模拟风沙压力的准确性和模型收敛性具有重要的作用。研究选择RNGk-ε模型作为连续相模型，将满流分解成在时间上平均的运动与时刻上脉动的瞬间运动的合成，同时模型在标准k-ε模型的基础上对一些常数做出调整，将流体运动的瞬时参数值用时均值和脉动值的合成替代如式(5)所示: (5) (6) 方程组中，C1ε和C2ε为常量，这里为1.42和1.68;Gk与Gb表示为湍流动能，前者由层流速度梯度引发，后者由浮力作用产生;φi是湍流黏度;δk与δε分别是湍流动能k方程和湍流扩散ε方程的湍流Pr数的倒数，其计算过程如式(7)所示： (7) 式中,δ0取值为1;δk和δε由实验获取，一般为1.393。 另外，为减少旋流作用对湍流模拟的影响，RNGk-ε模型在模拟计算中对湍流黏性做出调整，以修正该类影响，修正式如式(8)