泥沙直徑對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)裝置空化性能的影響研究

李玉山 寧望望 蔡建國(guó) 韓洋 趙雷 張雷 葛新峰

摘 要：空化會(huì)造成水力機(jī)械發(fā)生振動(dòng)，效率下降，而影響空化的因素有很多。為了研究不同泥沙直徑對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空化性能的影響，使用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型對(duì)某一臥式旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)進(jìn)行全流道三相流動(dòng)數(shù)值模擬。結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近壓力最大值隨泥沙直徑的增大而減小;當(dāng)泥沙直徑小于0.040 mm時(shí)，壓力差隨泥沙直徑的增大而減小，而當(dāng)泥沙直徑大于0.040 mm時(shí)，壓力差隨泥沙直徑先快速增大后基本不變;泥沙分布最少的區(qū)域?yàn)樵嚰胖玫奈恢?，且隨著泥沙直徑的增大，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近的最大泥沙體積分?jǐn)?shù)和面積均快速增大;當(dāng)泥沙直徑小于0.060 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的空化受抑制，當(dāng)泥沙直徑大于0.060 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的空化受促進(jìn)。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)圓盤(pán);泥沙直徑;空化性能;泥沙分布

中圖分類(lèi)號(hào)：TK72;TV136 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.024

引用格式：李玉山，寧望望，蔡建國(guó)，等.泥沙直徑對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)裝置空化性能的影響研究[J].人民黃河，2021，43（8）：135-138.

Abstract： Cavitation will cause vibration and decrease efficiency of hydraulic machinery， and there are many factors affecting cavitation. In order to study the influence of different sediment diameters to the cavitation characteristics of rotating disk， in this paper， SST turbulence model and Zwart-Gerber-Belamri cavitation model were used to simulate the three-phase flow in a horizontal rotating disk. Under the condition of 0.06， the influence of different diameters to the cavitation characteristics in the rotating disk was simulated. The pressure characteristics， sediment distribution and the cavitation volume fraction in the rotating disk were analyzed. The results show that the maximum pressure near the cavitation source is decreased with the increase of sediment diameter; when the diameter is less than 0.04 mm， the pressure difference is decreased with the increase of sediment diameter; when the diameter of sediment is greater than 0.04 mm， the pressure difference is increased rapidly with the increase of sediment diameter first and then basically remains unchanged; the area with the least sediment distribution is the place where the specimen is placed and with the increase of sediment diameter. When the diameter of sediment is less than 0.06 mm， the cavitation of rotating disk is restrained， and when the diameter of sediment is greater than 0.06 mm， the cavitation of rotating disk is promoted.

Key words： rotating disk; sediment diameter; cavitation performance; sediment distribution

泥沙磨損指液體中的泥沙顆粒在材料表面高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)所造成的破壞現(xiàn)象，而空蝕指液體中的氣泡在材料表面破裂所造成的破壞現(xiàn)象。黃河水中含有大量的泥沙，使得水力機(jī)械泥沙磨損現(xiàn)象非常嚴(yán)重，大量泥沙會(huì)使空蝕現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，形成惡性循環(huán)，輕則降低水力機(jī)械的效率和產(chǎn)生振動(dòng)，重則引發(fā)嚴(yán)重的生產(chǎn)事故[1-2]。因此，研究泥沙磨損和空化空蝕的產(chǎn)生機(jī)理，減少磨損和空蝕成為水力機(jī)械的重要研究方向之一[3]。

呂露等[4]研究了顆粒尺寸、液體黏度、進(jìn)口壓力等對(duì)噴嘴壁所受的切向應(yīng)力的影響，分析得出對(duì)噴嘴壁所受剪切應(yīng)力數(shù)值影響較大的因素為壓力。Mack等[5]利用拉格朗日方法構(gòu)建了水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉部分的三維數(shù)值模型來(lái)預(yù)測(cè)磨損，發(fā)現(xiàn)泥沙粒徑與磨損程度有重要的關(guān)系。劉小兵等[6-7]從流體力學(xué)基本理論出發(fā)，研究了在任意流場(chǎng)下固體顆粒的受力情況，得到了一些顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，并建立模型，對(duì)水力機(jī)械在含沙流場(chǎng)中的工況進(jìn)行了模擬計(jì)算研究，得到了一些有價(jià)值的成果。葛新峰等[8]研究了不同轉(zhuǎn)速對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空化性能的影響，得出轉(zhuǎn)速越大其空化越嚴(yán)重。Thapa等[9-10]研究了一些程序用于轉(zhuǎn)輪葉片的優(yōu)化。

目前研究空化與泥沙磨損共同作用機(jī)理成為流體機(jī)械領(lǐng)域最重要的研究方向之一。但是影響空化空蝕、泥沙磨損以及兩者共同作用的因素非常復(fù)雜，不僅有壓力等流場(chǎng)參數(shù)，還有沙粒體積分?jǐn)?shù)、直徑等，這一方面的研究多為試驗(yàn)研究，相關(guān)的數(shù)值仿真研究比較少。本文通過(guò)數(shù)值模擬分析，研究了不同泥沙直徑對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)試驗(yàn)裝置空化性能的影響。

1 旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)裝置

旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)試驗(yàn)裝置是一種用于模擬水力機(jī)械材料空化空蝕及泥沙磨損的試驗(yàn)裝置?？梢栽趫A盤(pán)上安裝試件（如圖1（b）中大圓孔安裝圓形試件），通過(guò)圓盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)在試件上產(chǎn)生較高的相對(duì)速度，當(dāng)圓盤(pán)上設(shè)有通孔（即圖1（b）中的小圓孔，也稱(chēng)空蝕源）時(shí)便產(chǎn)生空化，試件表面上產(chǎn)生空蝕破壞，當(dāng)試驗(yàn)水中含有泥沙時(shí)試件產(chǎn)生磨損破壞。

2 數(shù)值模型

2.1 模型建立

旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)全流道幾何模型由水流進(jìn)口及前部頂蓋、旋轉(zhuǎn)部件（上面有4個(gè)圓形卡槽用于放置試件）、水流出口部件所組成。用UG軟件進(jìn)行三維建模，UG是當(dāng)今較為流行的一種三維建模軟件，用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是三棱柱，網(wǎng)格總數(shù)2 010 616個(gè)，進(jìn)口流道的網(wǎng)格單元數(shù)438 872個(gè)，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的網(wǎng)格單元數(shù)1 004 489個(gè)，出水流道的網(wǎng)格單元數(shù)567 235個(gè)。

本文主要研究不同泥沙直徑對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)試驗(yàn)裝置空化性能的影響，由于所用的泥沙體積分?jǐn)?shù)較大，因此采用歐拉模型作為泥沙多相流模型。用歐拉模型模擬水、沙、氣三相流動(dòng)時(shí)，流體選用SST k-ω湍流模型，泥沙、空泡的湍流模型選擇零方程模型，流體與泥沙之間的作用關(guān)系、空泡與水的作用關(guān)系選擇粒子模型，空化模型選擇Zwart-Gerber-Belamri模型。

2.2 控制方程

在含有泥沙的情況下，各相的連續(xù)方程如下：

2.3 邊界條件

進(jìn)口邊界條件采用總壓進(jìn)口，進(jìn)口壓力P0=0.1 MPa，出口邊界條件采用質(zhì)量流出口，出口流量Q=5 m3/h，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，系統(tǒng)參考?jí)毫υO(shè)置為0.1 MPa，25 ℃時(shí)水的飽和汽化壓力為3 540 Pa。壁面邊界為無(wú)滑移邊界，即壁面流體速度為零。使用Automatic wall treatment壁面函數(shù)來(lái)處理湍流面。在此邊界條件下，通過(guò)改變泥沙濃度來(lái)研究不同泥沙濃度對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空化性能的影響。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

保持其他條件不變，改變泥沙直徑，分析不同泥沙直徑工況下旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的空化性能。

3.1 不同泥沙直徑對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近靜壓力的影響

其他條件完全相同，不同泥沙直徑工況下旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近的靜壓情況如圖2～圖5所示。其中圖2為旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近靜壓力云圖，圖3～圖5分別為旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近靜壓力最大值、最小值、差值。

從圖2可以看出，空蝕源附近靜壓力最小值位于右上側(cè)，正好是放置試件的位置，空蝕源附近靜壓力最大值位于左上側(cè)和右下側(cè)。從圖3可以看出，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近靜壓力最大值隨泥沙直徑的增大而減小。從圖4可以看出，當(dāng)泥沙直徑小于0.040 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近靜壓力最小值隨直徑的增大而增大，而當(dāng)泥沙直徑大于0.040 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近靜壓力最小值先快速下降后保持不變。圖5為旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近靜壓力最大值與最小值之差隨泥沙直徑的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，直徑小于0.040 mm時(shí)，壓力差隨泥沙直徑的增大而減小，而當(dāng)泥沙直徑大于0.040 mm時(shí)，壓力差先快速增大后基本不變。

3.2 不同泥沙直徑旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近泥沙分布

不同泥沙直徑工況下旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近泥沙體積分?jǐn)?shù)云圖如圖6所示。由圖6可知：旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近泥沙分布最少的區(qū)域在空蝕源右上方，為試件所放置的位置。當(dāng)泥沙直徑為0.020、0.060、0.012 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近的最大泥沙體積分?jǐn)?shù)分別為0.052 68、0.093 40、0.129 40，說(shuō)明隨著泥沙直徑的增大，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近最大泥沙體積分?jǐn)?shù)和面積均快速增大。

3.3 不同泥沙直徑對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空泡體積分?jǐn)?shù)的影響

通過(guò)把不同泥沙直徑下旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近的空泡體積分?jǐn)?shù)情況與清水（即泥沙直徑D=0）時(shí)的進(jìn)行對(duì)比，得出不同泥沙直徑D對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空化性能的影響，如圖7所示。

當(dāng)泥沙直徑D=0 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源右側(cè)產(chǎn)生了空化，最大空泡體積分?jǐn)?shù)為0.722 10，空泡體積分?jǐn)?shù)分布云圖只出現(xiàn)了橘黃色，沒(méi)有紅色。當(dāng)泥沙直徑為0.020 mm時(shí)，最大空泡體積分?jǐn)?shù)為0.110 30，雖然產(chǎn)生空化但空化不嚴(yán)重，其顏色非常淡。隨著泥沙直徑增大到0.050 mm，空泡體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大，顏色加深，面積增大，但此時(shí)空化現(xiàn)象與清水時(shí)相比明顯受到了抑制。當(dāng)泥沙直徑為0.060 mm，空化情況與清水時(shí)差不多，隨著泥沙直徑進(jìn)一步增大，最大空泡體積分?jǐn)?shù)增大，空泡體積分?jǐn)?shù)分布云圖出現(xiàn)的紅色部分面積不斷增大。泥沙直徑為0.140 mm時(shí)，最大空泡體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值，空泡體積分?jǐn)?shù)分布云圖出現(xiàn)紅色部分面積達(dá)到最大，此時(shí)空蝕最為嚴(yán)重，說(shuō)明此時(shí)空化現(xiàn)象比清水時(shí)嚴(yán)重，而且隨著泥沙直徑增大，最大空泡體積分?jǐn)?shù)越來(lái)越大，其空化程度越來(lái)越嚴(yán)重。可見(jiàn)，當(dāng)泥沙直徑小于0.060 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空化受抑制;當(dāng)泥沙直徑大于0.060 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空化受促進(jìn)。

4 結(jié) 論

為了研究不同泥沙直徑對(duì)水力機(jī)械空化的影響，通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)試驗(yàn)裝置進(jìn)行數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

（1）旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近靜壓力最大值隨泥沙直徑的增大而減小，靜壓力最小值發(fā)生在試件所在位置。當(dāng)泥沙直徑小于0.040 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近靜壓力最小值隨泥沙直徑的增大而增大，而當(dāng)泥沙直徑大于0.040 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近靜壓力最小值先快速下降后保持不變;當(dāng)泥沙直徑小于0.040 mm時(shí)，靜壓力差隨泥沙直徑的增大而減小，而當(dāng)泥沙直徑大于0.040 mm時(shí)，靜壓力差隨泥沙直徑的增大先快速增大后基本不變。

（2）泥沙分布最少的區(qū)域?yàn)樵嚰胖玫奈恢茫译S著泥沙直徑的增大，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕源附近最大泥沙體積分?jǐn)?shù)和面積均快速增大。

（3）當(dāng)泥沙直徑小于0.060 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的空化受抑制;當(dāng)泥沙直徑大于0.060 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的空化受促進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] ZHANG Y， QIAN Z ， JI B， et al. A Review of Microscopic Interactions Between Cavitation Bubbles and Particles in Silt-Laden Flow[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2016，56：303-318.

[2] 黃劍峰，張立翔，姚激，等.水輪機(jī)泥沙磨損兩相湍流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016，34（2）：145-150.

[3] 汪家瓊，蔣萬(wàn)明，孔繁余，等.固液兩相流離心泵內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬與磨損特性[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（11）：53-60.

[4] 呂露，歐陽(yáng)傳湘，張偉.水力噴砂壓裂過(guò)程噴嘴沖刷腐蝕數(shù)值計(jì)算[J].腐蝕與防護(hù)，2012，33（4）：300-303.

[5] MACK R， DRTINA P， LANG E. Numerical Prediction of Erosion on Guide Vanes and in Labyrinth Seals in Hydraulic Turbines[J].Wear，1999，233：685-691.

[6] 劉小兵，程良駿.水渦輪機(jī)械流場(chǎng)中的顆粒運(yùn)動(dòng)[J].華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1994，22（1）：10-16.

[7] 劉小兵，程良駿.固液兩相湍流和顆粒磨損的數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào)，1996，27（11）：20-27.

[8] 葛新峰，徐旭，來(lái)亦姝，等.旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)內(nèi)不同轉(zhuǎn)速的空化特性研究[J].人民黃河，2019，41（8）：112-116.

[9] THAPA B S， THAPA B， DAHLHAUG O G. Current Research in Hydraulic Turbines for Handling Sediments[J].Energy，2012，47（1）：62-69.

[10] THAPA B S， THAPA B， ELTVIK M， et al. Optimizing Runner Blade Profile of Francis Turbine to Minimize Sediment Erosion[C]//Proceedings of the 26th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems. Beijing：[s.n.]，2012：800-810.

【責(zé)任編輯 張華巖】