空蚀掺气浓度的试验研究(

减免空蚀掺气浓度的试验研究董志勇，居文杰，吕阳泉，丁春生（浙江工业大学建筑工程学院，杭州潮王路16号，邮编310032,E-mail:[e-mail]）摘要：本文在直流式水洞中用先进的量测仪器设备对减免空蚀的最低掺气浓度进行了系统的试验研究。通过对不同掺气浓度、不同配合比砼试件的空化空蚀试验，提出减免空蚀最低掺气浓度与高速水流速度的关系，给出不同掺气浓度时空化区的流态，比较了空蚀区掺气与不掺气情形的时均压力，并系统地观察了空化空蚀噪声随掺气量的变化。关键词：水力学；空化空蚀；掺气减蚀；最低掺气浓度AnexperimentalstudyofairconcentrationtopreventcavitationerosionDONGZhiyong,JUWenjie,LUYangquan,DINGChunsheng(FacultyofCivilEngineeringandArchitectureatZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,E-mail:[e-mail])Abstract:Leastairconcentrationtopreventcavitationerosionwasexperimentallyinvestigatedusingnon-circulatingwatertunnel.Threemixingproportionsofconcretespecimenswereusedforcavitationerosionwithandwithoutaeration.Relationbetweenleastairconcentrationtopreventcavitationerosionandflowvelocitywasdeveloped.Flowregimesincavitationregionatdifferentairconcentrationwereobservedindetail.Time-averagedpressureswithandwithoutaerationincavitationerosionregionwerecompared.Andvariationofcavitationnoisewithairconcentrationwassystematicallyobserved.Keywords：hydraulics;cavitation;cavitationcontrolbyaeration;leastairconcentration1前言随着我国水利水电事业的发展，高坝建设日益增多。到目前为止，已建成一大批100m以上的高坝，并且已建和在建一批200m以上的超级高坝，如二滩、龙滩水电站等，有些坝高甚至达到300m量级，如小湾、溪落渡等。据不完全统计，到目前为止世界上已建成200m以上的超级高坝约30座，在建和规划兴建的还有多座。由于落差的加大，这些高坝水流速度可达几十米每秒，甚至达到或超过50m/s。我们知道，在普通高坝中会遇到常见的高速水流问题，如掺气、空化空蚀、脉动振动、消能防冲等。尤其在溢流坝、泄洪洞、陡槽等泄水建筑物中，当水流速度达到一定程度时，水流压强低于相应的饱和蒸汽压强，产生空化现象。空穴流由低压区流到高压区便会产生空蚀破坏。世界上许多泄水建筑物都曾发生过空蚀破坏，在国外，较早的如位于巴拿马地峡恰格莱斯(Chagres)河上的麦登(Madden)坝[1]，1935年在泄水道进口处发生了严重的空蚀破坏。又如位于亚利桑那州和内华达州交界处科罗拉多收稿日期：2005-2-13基金项目：国家自然科学基金资助项目（50279048）的部分内容作者简介：董志勇，1962年生，男，教授，工学博士河上的波尔德(Boulder)[2]坝，又名胡佛(Hoover)坝，其东岸泄洪洞于1941年8月6日开始运行，4个月后于同年12月12日在泄洪洞内进行检查时发现反弧段发生了严重的空蚀破坏，形成一个长约35m、宽约9.15m，最大深度达13.7m的大坑。在我国，发生空蚀破坏的实例也很多，如刘家峡水电站[3]，右岸泄洪洞是由施工导流洞改建而成，水库正常蓄水位至泄洪洞反弧段落差为120m，反弧末端最大流速为45m/s。1972年泄洪时反弧段及其下游底板遭到严重的空蚀破坏，100多米长的底板表面遭到破坏，最大空蚀坑深达4.8m。此外，还有丰满水电站溢流坝面[4]、柘溪水电站[5]等。当空化现象不可避免时，为了减免高速水流空化产生的空蚀破坏，经济而有效的措施是在低压空化区或在易发生空蚀部位上游设置掺气设施强迫掺气。美国学者Peterka[6]较早地进行了掺气减蚀的研究，试验中掺入的空气量为水量的0.4%~7.4%，发现管道内因空化空蚀产生的爆裂声和锤击声随掺气量的增加而减轻，当掺入约7%的空气时，噪音就几乎停止。其他学者如Rasmussen[7]提出铝合金试件减免空蚀的掺气量（气水体积比）为1%；Russell和Sheehan[8]对于砼试件得到的掺气量为5.7%；Гальперин和Кузьмин[9]的试验结果为：当砼标号为C10~C40时，相应的掺气量为9.7~3.0%。毋庸置疑，掺气可有效地防止或减轻应有的空蚀破坏程度。即使砼强度较低，但只要在水流中掺入适量空气就可避免砼表面的空蚀破坏，甚至可大大放宽对砼表面不平整度的要求。反之，若不掺气，即使砼的强度很高，也会发生空蚀破坏。就掺气减蚀而言，到底掺多少气合适？用于减免空蚀破坏的最低掺气浓度与水流速度的关系？诸如此类问题，目前尚没有弄清楚。2试验设备及量测方法试验是在浙江工业大学水力学实验室直流式水洞中进行。试验装置主要由不绣钢板经数控机床精加工制成的方形掺气段、收缩段、工作段及扩散段等组成，如图1所示。工作段断面尺寸为2cm55；扩散段长度分别为40，60及100cm。图1试验装置Fig.1Experimentalsetup水流量由UFLO2000P超声波多普勒流量计、LDBB-150电磁流量计量测，气体流量由LZB-15和LZB-40转子流量计量测，并由空压机提供压缩空气。高速水流速度为20~40m/s。工作段测点距其进口分别为4,9,14,20,25,30,35及46cm;扩散段测点距其进口分别为4,14,17,20,23及26cm。水流掺气前后的压力由MPX100D硅阻式压力传感器量测，并由SINOCERA-YE6263数据采集器实时采集数据。砼试件与水流接触面积为2cm104，整体尺寸为：长14cm,厚4cm，高5.6cm；浇筑三种配合比的砼试件：（1）水灰比CW/=0.43，灰砂比SC/=1.0，标准养护28天的抗压强度为15.7MPa；（2）水灰比CW/=1.5，灰砂比SC/=0.21，抗压强度为2.2MPa；（3）水灰比CW/=0.7，灰砂比SC/=0.25，抗压强度为6.2MPa。掺气浓度C定义为：waaQQQC（1）式中waQQ,分别为气体流量和水流量。3未掺气时砼试件空蚀破坏情况试验中当空蚀发生时，会发出剧烈的爆裂声，并随水流速度的提高而加剧，管道剧烈振动,空蚀噪声非常大；若未发生空蚀而只发生空化时，仅发出强烈的轰鸣声。高速水流未掺气时砼试件空蚀破坏的程度与流速、砼强度及作用时间有关，如图2所示。(a)V=28.4m/s,CW/=0.43,SC/=1.0(b)V=23.7m/s,W/C=1.5,C/S=0.21图2未掺气时砼试件空蚀破坏情况（试验半小时）Fig.2Cavitationerosionofconcretespecimenwithoutaerationafterhalfanhourtest4不同掺气浓度时空化区流态现以流速V=20.2m/s为例来考察不同掺气浓度时空化区的流态,如图3(da~)所示。为便于比较，在x=23cm处插入一长度为10mm，粗为6mm的凸体。由图3可见，未掺气时凸体清晰可见，当掺入空气后，凸体随掺气量的增加逐渐变得模糊直至不可见。当掺入C=1.7%的空气后，空化及空蚀噪声消失，砼试件未见空蚀破坏现象。图4为相应于C=1.7%，V=20.2m/s时掺气后形成的压缩波波形，图中前台阶为掺气时的压力，后台阶为没有掺气时的压力。(a)未掺气(b)C=0.3%(c)C=1.7%(d)C=5.7%图3不同掺气浓度时空化区流态（V=20.2m/s）Fig.3Flowregimeincavitationregionwithdifferentairconcentration图4掺气与不掺气压力波形（C=1.7%,V=20.2m/s）Fig.4Pressurewaveformwithandwithoutaeration（C=1.7%,V=20.2m/s）5减免空蚀最低掺气浓度与流速的关系对于三种配合比的砼试件，即CW/=0.43，SC/=1.0；CW/=0.7，SC/=0.25；CW/=1.5，SC/=0.21，以不同的掺气浓度试验2小时后得出：当高速水流速度V=20.2,24.3,28.1,32.7,37.9m/s时，相应于减免空蚀破坏的最低掺气浓度分别为minC1.7%,2.4%,2.8%,3.1%,4.5%，其相关关系示于图5中。由图中试验点据可拟合出下面的经验公式：41.1min026.0VC（2）式中minC为最低掺气浓度，以%计；V为流速，以m/s计。由本文试验研究知，不掺气时，砼试件的空蚀破坏程度与砼强度及试验时间有关；掺气后，若掺气量未达到减免空蚀的掺气量时，仍与砼强度和试验时间有关；但掺气量达到某一值，即达到减免空蚀的最少掺气量（最低掺气浓度）时，本文对三种配合比砼试件的每一强度连续试验2小时，未见空蚀破坏现象。因此本文得出，减免空蚀的最少掺气量仅与高速水流速度有关，而与砼强度无关。目前关于减免空蚀最低掺气浓度（最少掺气量）与水流速度关系的试验研究,尚未见有文献报导，上式可供设计高水头泄水建筑物时参考。0123452022242628303234363840流速(m/s)最低掺气浓度(%)图5减免空蚀最低掺气浓度与流速的关系Fig.5Relationbetweenleastairconcentrationtopreventcavitationerosionandvelocity6空蚀区掺气与不掺气时均压力比较图6示出空蚀区典型的掺气与不掺气时均压力分布。由图6不难看出，尽管高速水流掺气后使空蚀区压力大大提高，但砼试件未发生空蚀破坏现象。然而，高速水流未掺气时压力比掺气时低得多，却仍发生严重的空蚀破坏。另外，值得指出，空蚀区发生空蚀破坏时的压力未必是正压，如图6所示。-100-80-60-40-20020400102030测点(cm)时均压力(kPa)C=0C=2.4%-150-100-50050100051015202530测点(cm)时均压力(kPa)C=0C=4.5%(a)V=24.3m/s(b)V=37.9m/s图6空蚀区掺气与不掺气情形时均压力Fig.6Time-averagedpressurewithandwithoutaerationincavitationerosionregion7空化空蚀噪声随掺气量的变化高速水流掺气不仅可以减免空蚀破坏，而且可消除空化空蚀噪声。表1列出不同速度高速水流的空化空蚀噪声随掺气量变化的试验观察结果。由表列结果可知，同一掺气量对空化空蚀的影响随高速水流速度而异，并且流速越高，所需掺气量越大。表1空化空蚀噪声随掺气量变化的试验观察结果Table1Observationsofvariationincavitationnoisewithaerationrate掺气量(sm3)水流速度(m/s)20.224.328.132.737.91.0减轻很多没明显减轻没明显减轻仍很强有所减轻,2.0基本上消失仍有仍有稍微减轻仍大3.0噪声消失仍有点明显减轻有所减轻稍微减轻5.0消失进一步减轻仍有减轻很多6.0消除噪声仍有10.0消除噪声仍有点15.0消