EXPERIMENTAL STUDY ON THE MECHANISM OF COMBINED ACTION OF CAVITATION AND ABRASION ON DISCHARGE STRUCTURE
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摘要: 为真实模拟泄水建筑物空蚀与冲磨复杂的破坏行为，基于Venturi空化空蚀发生器结构特点和水力学Bernoulli原理，发明了高压高速水流自动挟沙装置，设计并制作了空蚀与冲磨混合作用试验系统。利用研发的装置开展了系列试验，探讨了高速水流空蚀与冲磨混合作用机制。研究表明，空蚀与冲磨混合作用下，材料表面呈现出空蚀与冲磨复合破坏特征，混合作用下的破坏程度明显大于单独作用，空蚀与冲磨之间存在一定的促进和增强作用，空蚀的冲击在材料表面产生的孔洞及散粒体骨架结构，在冲磨切削作用下加速破坏，空蚀使冲磨破坏更加容易。Abstract: In order to simulate the complex erosion to the overflow structure induced by cavitation and abrasion, a new experimental method was proposed. Based on the characteristics of the Venturi cavitation generator and hydraulic Bernoulli principle, an automatic sand mixed device was invented for high pressure and high speed flow. A series of tests were carried out to investigate the combined action of cavitation erosion and abrasion on hydraulic concrete using this experimental device, and the mechanism of the coupled action of them was investigated. The results show that the wear of the concrete surface had the combined characteristics of the cavitation erosion and abrasion under the combined action. The damage degree of the concrete surface under the combined action was more severe than that under the single action. It was confirmed that promotion and enhancement between the cavitation erosion and abrasion existed in the high speed sand mixed flow. Holes and skeleton structure that formed on the material surface under the impact of cavitation erosion would be worn quickly under the abrasion of sands. Therefore, cavitation erosion made the abrasion much easier.
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Keywords:
- discharge structure /
- cavitation erosion /
- abrasion /
- combined action /
- experimental method
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冲刷磨损和空蚀破坏是水工泄水建筑物运行中普遍存在的工程问题。中国70%以上的大型水利工程泄水设施存在冲磨和空蚀破坏[1]，图1为黄河上龙羊峡、万家寨泄水建筑物蚀损形貌，可以看出结构表面蚀损存在空蚀与冲磨的复合破坏特征。近年来随着工程规模的不断扩大，高坝下泄水流已达到50 m/s级的超高流速，泄水建筑物的冲磨和空蚀问题更加突出[2]。为缓解或解决这一工程技术难题，水工高性能混凝土抗蚀材料研发备受重视，优异的抗蚀材料不断涌现，评价新型材料的抗冲磨防空蚀性能是目前材料研究的重要内容之一。
目前，水工混凝土抗冲磨试验通常采用水下钢球法、高速水沙法[3]等，抗空蚀试验常采用规范推荐的缩放型空蚀发生装置[4]，通过对比试验可以获得不同材料的相对抗冲磨或抗空蚀强度，以便对材料进行评价和优选。然而，目前的方法和装置多按单一破坏作用下的试验考虑，而实际工程中，水工建筑物过流表面会受到挟沙水流冲磨和空蚀的共同作用，已有研究表明，两种破坏作用相互促进、相互影响[5-8]，较为复杂，非单一破坏作用所能表征。空蚀与冲磨耦合作用研究多为机理方面的探索，采用了不同的方法和手段[9-10]，如在环向空蚀装置试验水体内增加悬浮物或采用电火花、超声生成空化等，另外，在实验室进行挟沙水流的空蚀试验，通常会想到浑水试验，但高速含沙水流需要流经整个试验系统，对水泵、管路、阀门、流量计等均会造成很大的损害，且含沙量也很难控制。因此，为科学评价空蚀与冲磨混合作用下水工混凝土的抗蚀性能，开展二者相互影响机制研究，需要研发新的试验技术，能够真实模拟高速挟沙水流的空蚀与冲磨的混合作用。本文即在已有研究的基础上，成功研发了高速水流空蚀与冲磨混合作用试验方法和装置，并研究了空蚀与冲磨耦合作用机制。
1 试验方法及装置
材料空蚀破坏试验一般采用最经典的Venturi空化空蚀发生器，如图2所示。在装置的试验段前施加高压，在试验段最窄断面——喉口形成高速低压水流，流速可达到50 m/s以上，喉口发生强空化，空化气泡随水体进入下游扩散段，因压力升高，气泡在顶部试件表面附近溃灭，发生空蚀作用。
本文以Venturi空蚀发生器为基础，发明了无须任何外加动力的高压高速水流自动挟沙装置，形成高速水流空蚀与冲磨混合作用试验方法和装置。核心部件自动挟沙装置基本思路为：根据缩放型空蚀发生器的特点，采用流速越高、压力越低的水力学Bernoulli原理，将盛放沙粒的沙桶的顶部与上游稳压箱相连，沙桶的底部用输沙细管连接至空蚀发生器喉口前，如图3所示，则沙桶顶部的压力与上游稳压筒的压力一致，即P2=P1，而喉口前的连接处因为水流速度较高，压力降低，令该点压力为P3，则P3<P2，在沙桶内沙体的顶部和底部形成压力差，沙桶内水流携带沙粒进入主流，在喉口前形成高速挟沙水流，挟沙水流至喉口部位时，流速达到最大值，出现负压，发生强空化，固定在喉口后扩散段的试件将受到高速挟沙水流冲磨与空蚀的双重作用。
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图 3 空蚀与冲磨混合作用试验装置Figure 3. Test device for the combined action of cavitation and abrasion将空蚀与冲磨混合作用试验装置布置于高速高压试验系统，如图4所示。采用多台多级增压离心泵为装置提供高速高压水流条件，在试验段后布置沉沙池，挟沙水流通过沉沙池实现水沙分离，水体流入水库循环，沙粒回收重复利用。挟沙水流仅在试验段出现，不会出现在输水管路、水泵、水库、阀门、流量计等位置，从而有效避免了系统的磨损。在沙桶下方的输水管上布置控制阀门，调节水流含沙量，同时在装置出口竖直管路中心引流取样，观测水流中的含沙量。
制作完成的试验装置照片如图5所示，为了保证在宽度方向能够均匀挟沙，将输沙管由一根粗管分成多根细管沿宽度方向并排接入喉口前的收缩段，沙桶顶部布置相对较大的阀门便于向沙桶加沙。试验段前后布置阀门和电子压力表，以及主管路上的电磁流量计控制试验条件。沉沙池内设置多道挡板阻流消能，使水流降速、沙粒沉淀。根据实验室动力条件，本装置试验流速可达到60 m/s以上，完全达到工程原型流速条件。
材料冲磨与空蚀混合作用试验方法的具体步骤如下：1) 试验前，打开加沙桶顶部阀门，向桶内加入试验用沙，并通过侧壁观察窗观察加沙量，将称量初始质量后的材料试件装入试件槽，进行密封；2) 开启动力装置为系统供水，通过电磁流量计数据计算喉口流速，根据试验段前后的压力表观察系统压力，调节旁通阀门和尾水阀门控制装置上、下游压力和流速，使其达到空蚀试验要求；3) 打开顶部压力管路上阀门，调节输沙管上的控制阀门，向高速水流内掺沙，根据出口实测挟沙浓度，调整控制阀门至试验要求的含沙量，此时试件将受到高速水流空蚀与冲磨的双重作用；4) 试验达到规定的时间后，称量试件的质量，计算蚀损率，观察试件表面的蚀损特征。
2 试验效果验证
研发的空蚀与冲磨混合作用装置经过调试，自动挟沙装置工作稳定，具备预期的良好的挟沙能力，含沙量调节范围较广，沉沙池的水沙分离效果较为理想，实现了试验段高速挟沙水流试验条件。
为测试试验效果并探讨空蚀与冲磨耦合作用机制，特制作水工混凝土试件开展空蚀与冲磨混合作用试验。混凝土配合比见表1，试验流速为35 m/s，喉口断面空化数为0.216，沙粒经过筛分，粒径范围取0.16 mm~0.315 mm，含沙量控制在0.35 g/L左右。试件养护至96 d进行试验，试验过程中每半小时取出试件称重，并向沙桶补充试验沙，根据试验前后质量变化，计算蚀损参数，并采集表面形貌照片，观察空蚀与冲磨混合作用蚀损特征、蚀损进程。为了反映空蚀与冲磨混合作用下混凝土表面的蚀损效果，在相同的条件下，进行了单独空蚀(纯水)和单独冲磨(无空化)对比试验。每组试验共进行3小时，实测各试件蚀损过程质量变化见图6，其中空蚀和冲磨混合作用下混凝土试件的表面蚀损进程如图7所示。
表 1 试件混凝土配合比Table 1. Mix proportions of concrete水胶比 砂率/
(%)胶凝材料用量/
(kg/m3)粉煤灰掺量/
(%)水用量/
(kg/m3)水泥用量/
(kg/m3)粉煤灰用量/
(kg/m3)砂用量/
(kg/m3)石用量/
(kg/m3)减水剂/
(%)抗压强度60 d/
MPa0.30 34 487 15 146 414 73 584 1134 1 64.0 ![]()
图 6 不同作用方式下蚀损量与试验时间的关系Figure 6. Relationship between wear loss and test time under different action modes从试验数据还可以看出，在相同条件下，混合作用下试件质量损失大于单独冲磨和单独空蚀试件质量损失之和，混合作用蚀损平均增大61.4%，可见，高速挟沙水流空蚀与冲磨相对二者单独作用有一定的加强。三种不同作用方式下，试验3 h后试件表面蚀损情况对比见图8，可以清晰地看出，混合作用反映了二者单独作用的破坏特征，与工程实际蚀损破坏特征相似，说明研发的装置能够较好开展高速挟沙水流蚀损特性研究。在空蚀和冲磨相应的作用区域，相比单独作用，混合作用下空蚀破坏和冲磨破坏程度明显更大，这也体现出冲磨与空蚀之间的耦合作用，使破坏能力有所增强。
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图 8 混合作用与单独作用对比 (试验时间：3 h)Figure 8. Comparison between combined action and single action (test time: 3 h)3 耦合作用机制
为避免水工混凝土材料中各种复杂成分的影响，采用P.I 42.5基准水泥，按水灰比(水与水泥的质量比)0.4制作水泥净浆试件，养护至96 d龄期，进一步开展冲磨与空蚀耦合作用试验，重点关注试件的破坏形貌，分析耦合作用与单独作用的差异，探讨耦合作用的机制。喉口流速43 m/s，试验用沙及含沙量同前。试验2 h前后试件表面形貌变化见图9，可以看出，材料表面破坏规律总体同前，在含沙水流单独冲磨作用下，试件表面出现了较大面积的磨损，呈现明显方向性的沟槽；在混合作用下，试件表面出现较大的空蚀坑，其内部还有许多小的蚀坑，也出现较大范围的冲磨破坏区。
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图 9 试验前后试件表面形貌(试验时间：2 h)Figure 9. Morphology of the cement specimen surface before and after the test (test time: 2 h)采用先进的环境扫描电镜对试验前试件、单独冲磨后、单独空蚀后、冲磨与空蚀耦合作用后的表面形貌进行观察和对比分析，以揭示不同作用的蚀损破坏微观特征。
试验前试件表面初始形貌如图10(a)所示，尽管试件表面眼睛看起来非常平整，但放大后可以看出存在许多天然的缺陷，包括许多凹陷起伏，偶尔也存在相对较深的孔洞，表面附着一些少量的不规则的散粒体，这也是泄水建筑物混凝土结构表面出现空化空蚀破坏的原因之一。单独冲磨作用后试件表面的微观形貌见图10(b)，冲磨破坏表面存在波纹状或鱼鳞状的起伏破坏特征，表面看起来比试验前初始状态更加平滑，基本没有附着的小颗粒，放大后试件表面的微观形貌更加清晰，表面凹凸不平，呈连续的片状结构，偶尔也有一些小的蚀坑，这些蚀坑可能是试件本身自带的。单独空蚀破坏作用后试件表面的微观形貌见图10(c)，空蚀破坏的微观形貌与冲磨作用截然不同，空蚀破坏不仅在宏观上可以看出多个孔洞或蚀坑，对局部蚀坑放大后，在微观层面上也可以看出存在许多小的蚀坑，表面被掏蚀后剩下似散粒体堆积形成的骨架结构，表面相对独立的散粒体结构与冲磨后形成的片状结构在微观形貌上有很大的区别，体现了空蚀冲击与冲磨磨损作用机理方面的差异。
空蚀与冲磨耦合作用下的试件表面微观形貌如图10(d)所示，耦合作用下的蚀损特征具有冲磨和空蚀的局部双重特征，但不全面，试件表面有冲磨作用形成的片状结构，也有空蚀作用形成的大量细小孔洞，表面的独立的散粒体已不多见，这不仅体现了试件蚀损的冲磨空蚀双重作用，也体现了空蚀与冲磨之间的促进作用，空蚀作用形成的散粒体骨架结构在冲磨作用下很难存在，冲磨加速了空蚀的破坏作用，空蚀使冲磨变的更加容易，一冲一磨，交互作用，总体上加速了试件的蚀损，这是二者耦合作用的机制。
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图 10 试验前后试件表面微观形貌Figure 10. Micro-morphology of specimen surfaces before and after test4 结论
(1) 基于Venturi空化空蚀发生器结构特点和水力学Bernoulli原理，发明了高压高速水流自动挟沙装置，建立了空蚀与冲磨混合作用试验系统，将高速挟沙水流限制仅出现于试验段，并实现了压力、流速、含沙量等试验参数的精确测控。
(2) 在空蚀与冲磨混合作用下，混凝土表面呈现出空蚀和冲磨复合破坏特征，混合作用下的破坏程度明显大于单独作用，蚀损量比二者单独作用下的蚀损量之和高61.4%，空蚀与冲磨之间存在一定的促进和增强作用，同时说明研发的试验装置具有较好的空蚀与冲磨混合作用效果。
(3) 蚀损破坏微观形貌揭示了空蚀与冲磨的耦合机制，空蚀的冲击在材料表面产生的孔洞及散粒体骨架结构，在冲磨切削作用下加速破坏，空蚀使冲磨破坏更加容易，一冲一磨，交互作用。
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图 3 空蚀与冲磨混合作用试验装置
Figure 3. Test device for the combined action of cavitation and abrasion
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图 6 不同作用方式下蚀损量与试验时间的关系
Figure 6. Relationship between wear loss and test time under different action modes
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图 8 混合作用与单独作用对比 (试验时间：3 h)
Figure 8. Comparison between combined action and single action (test time: 3 h)
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图 9 试验前后试件表面形貌(试验时间：2 h)
Figure 9. Morphology of the cement specimen surface before and after the test (test time: 2 h)
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图 10 试验前后试件表面微观形貌
Figure 10. Micro-morphology of specimen surfaces before and after test
表 1 试件混凝土配合比
Table 1 Mix proportions of concrete
水胶比 砂率/
(%)胶凝材料用量/
(kg/m3)粉煤灰掺量/
(%)水用量/
(kg/m3)水泥用量/
(kg/m3)粉煤灰用量/
(kg/m3)砂用量/
(kg/m3)石用量/
(kg/m3)减水剂/
(%)抗压强度60 d/
MPa0.30 34 487 15 146 414 73 584 1134 1 64.0 
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