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高速含沙掺气水流及磨蚀机理的研究

黄细彬  
【摘要】: 本文针对高速含沙掺气水流的运动规律有别于低速水流及清水单相流,在自 己研制的高速浑水循环系统中,通过对高速含沙掺气水流壁面剪切应力和脉动压 强等参数的量测,分析了水沙气三相流的紊动特性,探索了泥沙对固壁的磨蚀机 理及减蚀措施,其主要内容包括以下几个方面: 1.对紊动水流、含沙水流、水气两相流及泥沙磨蚀的研究状况进行了综述,提 出了本文的研究对象和拟采取的技术路线。 2.建立了多相流压强脉动基本方程,阐述了水流脉动压强基本理论,分析了压 强脉动机理;根据试验数据,探讨了水、气、沙三相流体的压强脉动特性, 初步得到了高速含沙掺气水流脉动压强的幅值特性与频域特性;提出了脉动 压强强度系数、脉动压强极差系数与含沙量、掺气浓度的关系。 3.简要地介绍了分维的定义和计算,运用相空间重构法对含沙掺气水流脉动压 强信号进行处理,计算了浑水、清水、掺气三种不同水流状况的关联维数。 结果表明,不同水流状况具有不同的关联维数,含沙掺气水流运动并非完全 随机的,而是具有内在有序性。计算得出的不同关联维数反映出不同脉动压 强信号序列所具有的不同分形特征,说明动力形成机制、系统复杂程度的差 异。 4.用自行研制的剪切力传感器分别量测了清水、掺气水流及挟沙水流壁面上的 剪切力;基于实测资料,分析了壁画剪切应力的时均值和脉动值与水流速度 的关系、掺气与摩阻系数的关系;研究了掺气及含沙量对固壁剪切力的影响; 提出了掺气有助于减小水流对固壁边界的摩擦阻力;在同一流速下,剪切力 的时均值及脉动值随着含沙量的增加而略有增加,随着掺气浓度的增加而降 低。 5.分析了空蚀与磨蚀的不同物理特征;探讨了沙粒磨蚀机理,提出了影响磨蚀 VI 河海大学博士学位论文 一 的因素;研究了掺气抗磨的可能性:建立了混凝土材料壁面磨蚀率的计算公 式;说明含沙水流对固壁材料的磨蚀率随掺气浓度、材料强度的增大而减小, 随水流流速、含沙量的提高而增大;利用掺气可有效地降低过流表面的泥沙 磨蚀率。 6.应用了k-。紊流模型计算了强迫掺气设施后的水气两相流,计算结果与实测 值的比较表明,所采用的预测方法是行之有效的。


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