湍流拟序结构下的空蚀与泥沙磨损联合作用研究
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摘要
我国许多河流的含沙量较大，如著名的黄河干流年均含沙量达37.9m~3/s，黄河三门峡的年平均输沙量达16亿t，这些地区使用的泵、水轮机等许多流体机械都在夹沙水流的作用下，受到了沙粒磨损与空化剥蚀的联合破坏，这种破坏直接危害了水利水电工程的安全运行，造成了巨大的经济损失，因而对含沙水流条件下空化剥蚀与泥沙磨损联合作用进行研究有着很大的工程实际意义。
对于空蚀与泥沙磨损联合作用的现象，国内外的许多学者都进行了研究，在宏观的角度从流体机械的材质、机构、半经验设计等方面、在水流内部特性的角度从气、固、液多相流的理论、试验、计算等方面都作了许多工作，但由于空蚀与磨损的联合作用这一现象涉及到了诸多方面的学科，以及复杂的力学过程因而还有许多问题没有弄清楚，留下了较多不同的、甚至相反的观点、理论与试验结果。
本文考虑从湍流的近壁拟序结构对近壁区小粒径的空泡与固体颗粒的运动规律的影响这一角度出发，对空蚀与泥沙磨损联合作用的机理作一初步的探讨。首先从理论上推导出在典型湍流边界层模式的非拟序结构下空泡与固体颗粒的近壁区运动方程，然后推导出湍流近壁拟序结构作用下的空泡与固体颗粒的近壁区运动方程，再将两种不同条件下的的运动方程进行比较，指出湍流近壁区的拟序结构对空蚀与磨损的发生具有决定性的意义，即正是由于拟序猝发作用的存在，才使得空泡、沙粒对壁面的空蚀与磨损作用得以发生。同时近壁拟序结构还决定了处于湍动状态的夹沙水流中，沙粒对壁面的冲击磨损必然是以微切削为主。
最后用有关的结论对过去的空蚀与泥沙磨损联合作用的一些试验观测结果进行了定性的分析、评述，并提出通过控制拟序结构的发生以达到控制空泡、沙粒对壁面的冲击作用是减轻磨蚀破坏的一条新的途径。
Sediment content in many rivers of our country is considerably high. Fluid machinery in these areas is damaged due to cavitation and sand abrasion, which has threaten directly the safety operation of hydraulic and hydroelectric engineering, causing huge economic losses. The research, therefore, on the combined effect of cavitation and sand abrasion is of great significance.
The researchers at home and abroad have done a lot of work on this issue. Due to its complexity of the problem, the theories and experiment results obtained are discrepant, and some of them are even contrary one another.
Started from the influence by movement rules of small cavities and solid particles, the mechanisms of combined effect of cavitation and sand abrasion are study in this thesis from the aspect of the turbulent coherent structure near the wall. First, a dynamic equation is established for a single spherical bubble and single spherical sand under the non-turbulent coherent structure near the wall, and then a dynamic equation established under the turbulent coherent structure near the wall. Through comparison, it can be seen that the turbulent coherent structure near the wall influences directly the striking effect of the bubble and sand.
A new proposal is put forward at the end of the thesis that the destruction caused by the combination of cavitation and sand abrasion can be mitigated by means of controlling the turbulent coherent structure near the wall.
对于空蚀与泥沙磨损联合作用的现象，国内外的许多学者都进行了研究，在宏观的角度从流体机械的材质、机构、半经验设计等方面、在水流内部特性的角度从气、固、液多相流的理论、试验、计算等方面都作了许多工作，但由于空蚀与磨损的联合作用这一现象涉及到了诸多方面的学科，以及复杂的力学过程因而还有许多问题没有弄清楚，留下了较多不同的、甚至相反的观点、理论与试验结果。
本文考虑从湍流的近壁拟序结构对近壁区小粒径的空泡与固体颗粒的运动规律的影响这一角度出发，对空蚀与泥沙磨损联合作用的机理作一初步的探讨。首先从理论上推导出在典型湍流边界层模式的非拟序结构下空泡与固体颗粒的近壁区运动方程，然后推导出湍流近壁拟序结构作用下的空泡与固体颗粒的近壁区运动方程，再将两种不同条件下的的运动方程进行比较，指出湍流近壁区的拟序结构对空蚀与磨损的发生具有决定性的意义，即正是由于拟序猝发作用的存在，才使得空泡、沙粒对壁面的空蚀与磨损作用得以发生。同时近壁拟序结构还决定了处于湍动状态的夹沙水流中，沙粒对壁面的冲击磨损必然是以微切削为主。
最后用有关的结论对过去的空蚀与泥沙磨损联合作用的一些试验观测结果进行了定性的分析、评述，并提出通过控制拟序结构的发生以达到控制空泡、沙粒对壁面的冲击作用是减轻磨蚀破坏的一条新的途径。
Sediment content in many rivers of our country is considerably high. Fluid machinery in these areas is damaged due to cavitation and sand abrasion, which has threaten directly the safety operation of hydraulic and hydroelectric engineering, causing huge economic losses. The research, therefore, on the combined effect of cavitation and sand abrasion is of great significance.
The researchers at home and abroad have done a lot of work on this issue. Due to its complexity of the problem, the theories and experiment results obtained are discrepant, and some of them are even contrary one another.
Started from the influence by movement rules of small cavities and solid particles, the mechanisms of combined effect of cavitation and sand abrasion are study in this thesis from the aspect of the turbulent coherent structure near the wall. First, a dynamic equation is established for a single spherical bubble and single spherical sand under the non-turbulent coherent structure near the wall, and then a dynamic equation established under the turbulent coherent structure near the wall. Through comparison, it can be seen that the turbulent coherent structure near the wall influences directly the striking effect of the bubble and sand.
A new proposal is put forward at the end of the thesis that the destruction caused by the combination of cavitation and sand abrasion can be mitigated by means of controlling the turbulent coherent structure near the wall.
引文
[1]孙寿主编．水泵汽蚀及其防护．水利水电出版社，1987年
[2]湍流．是勋刚主编．天津大学出版社，1994年
[3]何国庚，梁柱．平壁对空泡运动的影响研究．水动力学研究与进展，1998年12期
[4]邓军等，水流含沙量对磨蚀的影响．泥沙研究，2000年4期
[5]赵万勇．离心泵叶轮汽蚀与泥沙磨损破坏浅析．甘肃工业大学学报，2000年1期
[6]黄继汤，李靖．含沙静止液体中双空泡溃灭时的动力特性．水利学报，93年2期
[7]陆力，黄继汤．空泡在边壁附近溃灭的实验研究．水利学报，90年2期
[8]杜同．含沙中泵损坏原因新解．水泵技术，94年1期
[9]黄继汤等．含沙浓度对表面张力不同液体中单空泡膨胀与收缩过程的影响．水利学报，98年2期
[10]铁占续，黄建德．含沙水汽蚀对离心泵损伤的试验研究．化工设备与管道，2000年第3期
[11]程则久．空化和磨蚀中临界含沙量的试验研究．水利水电技，1990年2期
[12]黄继汤，田立春等．在清水及挟沙水流中混凝土等脆性材料抗磨蚀性能的试验研究．水利水电技术，1985年9期
[13]黄细彬等．含沙掺气高速水流对壁面磨蚀的分析．河海大学学报，2000年2期
[14]黄细彬等．含沙掺气高速水流壁面脉动压力特性．河海大学学报，97年9期
[15]林建忠 编著．湍流动力学．浙江大学出版社，2000年
[16]梁在朝著．工程湍流．华中理工大学出版社，1999年
[17][美]柏实义著，施宁光等译．两相流动．国防工业出版社，1985年
[18]黄社华．两相流中刚性颗粒的物理性质对其运动规律的影响．94全国水动力学研讨会文集
[19]黄午阳编．积分变换．高等教育出版社，1986年
[20]邵学军．紊动流场中悬浮颗粒分布的随机理论．力学学报，1991年1期
[21]刘宇陆．湍流相干结构的机理研究(Ⅰ)．应用数学和力学，1996年3期
[22]刘小兵．固液两相流动和颗粒磨损研究．信息与开发，1995年2期
[23]梁柱．固体颗粒和空泡的Lagrangian模型．华中理工大学学报，1996年3期
[24]黄社华．水轮机通流部件表面磨损波纹与湍流边界层中的不稳定波．华中理工大学学报，1994年11期
[25]彭临慧．水下回转体湍流边界层压力起伏谱经验公式．声学学报，2000年1期
[26]段昌国编著．水轮机沙粒磨蚀．清华大学出版社，1981年
[27]空化与空蚀的原理及应用．黄继汤著．清华大学出版社，1991年
[28]李根生等．空化和空蚀机理及其影响因素．石油大学学报，97年1期
[29]林建忠．．气固两相边界层中拟序结构对壁面磨损的影响．工程热物理学报，2000年4期
[30]陆勇等．黄河泥沙水对水泵的影响和防磨措施．山东建工学院学报，2000年1期
[31]Jianzhong Lin, Liping Shen and Zexuan Zhou. The effect of coherent vortex structure in the particulate two-phase boundary layer on erosion. Wear, Volume 241, Issue 1, June 2000, Pages 10-16
[32]游振江．气固两相流叶轮机械磨损问题研究综述．流体机械，2000年3期
[33]马振宗．高含沙水流对离心泵汽蚀余量的影响．水泵技术，90年2期
[34]韦章兵等．气液固相对离心泵汽蚀的影响综述．水泵技术，98年5期
[35]聂德明．含泥沙水对离心泵的磨损．水泵技术，92年3期
[36]JR Blake and DC Gibson. Cavitation Bubbles Near Boundaries. Annu. Rev. Fluid Mech. 1987, Vol. 19:99-123
[37]梁在朝，陆晶．湍流雷诺应力的本构关系．水动力学研究与进展，2000年1期
[38]周泽宣，林建忠．悬浮泥沙对粗糙底壁湍流猝发的影响．水利学报，97年6期
[39]林建忠等．挟沙水流中沙粒对粗糙底壁湍流场猝发的影响．水利学报，94年5期
[40]黄建波等．二维非恒定空化流的内部结构—泡液相互作用模型．水利学报，93年3期
[41]P. Sechet and B. le Guennec. The role of near wall turbulent structures on sediment transport. Water Research, Volume 33, Issue 17, December 1999, Pages 3646-3656
[42]陈立，谈广鸣．影响含沙水流极限浓度的因素．水利学报，95年10期
[43]倪晋仁．低浓度固液两相流中泥沙对紊流结构的影响．水利学报，99年6期
[44]么胜洪．有序波状扰动对壁湍流相干结构的作用．力学学报，91年7期
[45]陆昌根．近壁湍流相干结构演化机理的研究．空气动力学学报，99年9期
[46]李付军，谈广鸣，陈立．挟沙水流紊动结构研究现状及进展．水动力学研究与进展，99年9期
[47]John Lumley and Peter Blossey. control of turbulence. Annu. Rev. Fluid Mech. 1998 , Vol. 30:311-327
[48]崔桂香，张兆顺．圆管湍流的近壁涡结构．空气动力学学报，2000年3期
[49]刘士和．湍流结构的正交分解与低阶近似及湍流相干模式的识别．武汉水利电力大学学报，200年2期
[50]陆利蓬，陈矛章 近壁区湍能耗散率输运方程的理论模型．北京航空航天大学学报，1998年6期
[51]汪健生，尚晓东，舒玮．湍流信号的三项分解．力学学报，1997年5期
[52]Wade Schoppa and Fazle Hussain. Coherent structure dynamics in near-wall turbulence. Fluid Dynamics Research. Volume 26, Issue 2 ,February 2000, Pages 119-139
[2]湍流．是勋刚主编．天津大学出版社，1994年
[3]何国庚，梁柱．平壁对空泡运动的影响研究．水动力学研究与进展，1998年12期
[4]邓军等，水流含沙量对磨蚀的影响．泥沙研究，2000年4期
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[43]倪晋仁．低浓度固液两相流中泥沙对紊流结构的影响．水利学报，99年6期
[44]么胜洪．有序波状扰动对壁湍流相干结构的作用．力学学报，91年7期
[45]陆昌根．近壁湍流相干结构演化机理的研究．空气动力学学报，99年9期
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[47]John Lumley and Peter Blossey. control of turbulence. Annu. Rev. Fluid Mech. 1998 , Vol. 30:311-327
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[52]Wade Schoppa and Fazle Hussain. Coherent structure dynamics in near-wall turbulence. Fluid Dynamics Research. Volume 26, Issue 2 ,February 2000, Pages 119-139
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