高速水流空化空蚀指水中空泡的形成、生长及溃灭现象，其中空泡溃灭形成的冲击波和微射流会产生物理化学作用。水利水电工程中的泄洪建筑物多为混凝土结构，在高速水流作用下混凝土表面易发生空蚀破坏。国内外许多泄洪建筑物混凝土结构发生过严重的空蚀破坏，如美国格伦峡坝泄洪洞[1]1983年泄洪时在反弧段下游形成10.7 m深、40.8 m长、15.2 m宽的巨大空蚀坑。在国内，如刘家峡水电站右岸泄洪洞[2]1972年泄洪时反弧段及其下游混凝土底板遭到严重的空蚀破坏，100多米长的混凝土底板遭到空蚀破坏，最大空蚀坑深达4.8 m。此外，还有龙羊峡水电站泄洪洞、二滩水电站泄洪洞等[3,4]。我国多沙河流居多[5]，研究泥沙对高水头泄洪建筑物中高速水流空化空蚀的影响具有重要的实际意义。
高速水流空蚀的机理涉及空泡动力学问题，目前有两种模式已被人们所认可，即冲击波模式和微射流模式。冲击波模式可追溯到1917年的工作[6]；微射流模式是由Kornfeld和Suvorov[7]于1944年提出的。高速摄影结果已证实两种模式并存，其主次视空泡分布及空泡溃灭位置而定。上世纪40年代，Harvey等[8]曾假定液体中的气核寄存于疏水性固体颗粒的缝隙内，一旦液体压力降至饱和蒸汽压力以下，气核会从缝隙中释出形成空泡，并通过系列试验对其假定进行了验证[9-11]。后来有学者对浑水中空化空蚀问题开展了研究，主要以水力机械为背景研究了人工固体颗粒浓度或含沙量、粒径对金属材料试件的空蚀和磨蚀的影响。Hu等[12]在振动空化试验台中比较了清水与浑水中304不锈钢的空蚀，用失重率、粗糙度、表面残余应力来评价空蚀状况。结果表明，试件失重率随含沙量的提高而增加，粗糙度随含沙量的提高而减小，试件在浑水中空蚀后的压缩残余应力比清水中大。Lian等[13]振动空化试验结果表明，空蚀破坏随泥沙粒径的增大而加剧，但是粒径小于某一临界粒径时，由含沙水引起的空蚀破坏比清水稍轻。对于这种小粒径，空蚀破坏随含沙量的提高而减轻。Chen等[14]研究了铝试件在不同泥沙粒径和含沙量的挟沙水样中的冲蚀特性及其空蚀机理：随着平均粒径的增大，试件空蚀程度逐渐增大。佟瑶等[15]对锰黄铜、高锰铝青铜、镍铝青铜的空蚀破坏机理进行了研究，认为其空蚀损伤机制以机械作用为主，交互作用主要是由腐蚀促进空蚀所引起。宋亓宁等[16]研究了激光重熔对铸态高锰铝青铜微观组织、腐蚀和空蚀行为的影响，得出激光重熔可以提高抗空蚀能力，且空蚀作用以力学作用为主。廖庭庭等[17]结合三峡水电站水轮机叶片空蚀破坏实例，分析了泥沙粒径对空化空蚀的影响，得出不同粒径颗粒对空化空蚀影响不同。杨娟丽等[18]、王磊等[19]实测了黄河万家寨、青铜峡及八盘峡水电站含沙水样的初生空化和临界空化压力，结果表明，随着含沙量的提高，初生空化压力和临界空化压力均有所提高，且接近线性关系。近年来，一些学者开展了数值模拟研究，张绒[20]通过流体分析软件，对水轮机不同导叶开度、泥沙粒径、泥沙浓度工况下的水轮机多相流进行了数值模拟，认为泥沙可促进空化的发展。汪家道等[21]利用FLUENT商业软件对固壁附近微颗粒的运动特性进行了数值模拟，认为颗粒大小对空蚀发生具有显著影响。赵伟国等[22]对含沙条件下离心泵内部空化流场进行了数值模拟，所用粉粒粒径分别为0.005，0.010，0.015 mm，结果表明，质量比含沙量为1.0%时，随着粒径的增大，粉粒对空化的影响表现为先促进、后抑制；粉粒粒径为0.010 mm时，随着含沙量增加，粉粒对空化的影响也具有先促进、后抑制的作用。王秀礼等[23]采用CFD软件数值模拟了固体颗粒含量对离心泵空化特性的影响，认为空化随固体颗粒含量的提高而严重。杨从新等[24]采用雷诺方程和k-ε模型对单级双吸离心泵内挟沙水流粒径对叶轮磨损的影响进行了数值模拟，给出随着粒径的增大，叶片和轮毂磨损强度增大。由上述研究现状知，挟沙水样中的泥沙或固体颗粒对空化空蚀有着重要的影响，但研究内容大多关于水力机械空化空蚀方面，试验主要在振动空化试验台上进行研究，而对于高水头泄洪建筑物中泥沙对高速水流空蚀影响的研究则较少。董志勇等[25]在小型循环式水洞中试验研究了沙粒含沙量对高速水流空蚀影响的机理，在中值粒径d50=1.09 mm，含沙量S=0~30 kg/m3工况下，空蚀区压力和空化数随含沙量的增加而升高，促进了空蚀的发生，混凝土试件的空蚀程度随含沙量的增加而加剧。迄今，关于沙粒粒径对高速水流空蚀影响的研究尚未见报导，本文选取5种典型粒径的沙粒在小型循环式水洞中试验研究沙粒粒径对混凝土表面空蚀的影响。
1 实验方法
实验研究在浙江工业大学水力学实验室小型循环式水洞中进行。水洞主要由水箱、多级离心泵、文丘里工作段、电磁流量计、控制阀及循环管路等组成。喉部为20 mm×20 mm方形断面。水箱为同轴漏斗型内、外圆筒，内筒盛放含沙水样，内、外圆筒间的环形空间为冷却水。考虑到水样经文丘里工作段空化空蚀作用后水温逐渐升高，用冷却水降温。内筒中含沙水样由两台并联式离心泵抽入循环管路，在文丘里工作段形成高速水流，并经电磁流量计量测流量后回流至内筒，完成一次循环。水流经文丘里收缩段进入喉部时，由于过流面积减小，水流速度增大，水流压强降低，当水流压强低于相应水温的饱和蒸汽压强时，溶解在水流中的气核膨胀为空泡在喉部发生空化现象，称此区域为空化区；空化水流从喉部流至扩散段，因过流面积增大，流速减小，压强升高，空泡发生溃灭形成冲击波和微射流，对混凝土表面产生空蚀破坏，称此区域为空蚀区。喉部和扩散段底部设有测压孔以安装压力传感器，通过压力数据采集系统实时采集空化区和空蚀区的压力。扩散段顶部设有混凝土试件安放盒，使混凝土试件表面与高速挟沙水流接触。文丘里工作段、混凝土试件盒安放位置及混凝土试件表面尺寸如图1所示沙样为黄沙，人工配制中值粒径为d50=0.08，0.25，1，2，3 mm的沙粒。在循环式水洞中人工配制含沙量相同但粒径不同的含沙水样，用红外测沙仪测定其含沙量；空蚀强度以混凝土试件空蚀量来表征，即混凝土试件每小时的重量损失。混凝土试件在水洞中进行4 h的空蚀试验，每隔1 h将混凝土试件取出放入电热鼓风干燥箱常温烘干后用电子天平称重，并观察试件表面形态的变化。混凝土试件的配合比为水灰比W/C=0.4、灰砂比C/S=1.5，强度fcu,k=17.8 MPa。
图1
图1
文丘里工作段、砼试件安放位置及混凝土试件尺寸
Fig.1
Venturi working section and placed position of concrete specimen (a) and dimensions of concrete specimen (b)
2 结果与讨论
2.1 不同粒径对压力和空化数的影响
中值粒径d50=0.08，0.25，1，2，3 mm时空化区和空蚀区各测点的时均压力实测值如图2所示，由图可见，在喉部流速V=38.2 m/s，含沙量S=12 kg/m3.工况下，空化区压力随粒径的增大而减小，表现为粒径增大具有促进空化的作用。空蚀区压力则随粒径的增大而升高，具有促进空蚀的作用。
图2
图2
不同粒径时空蚀区时均压力
Fig.2
Time-averaged pressure in cavitation erosion zone under the conditions of different sand grain sizes (V=38.2 m/s)
空化数是描述水流空化状态的重要指标，表征压力变化对水流特性的影响。水流空化数σ可定义为：
式中，V为喉部断面平均流速，m/s；p为测点绝对压力，kPa；pν为水的饱和蒸汽压力，kPa；ρ为水流密度，kg/m3。
空化区不同粒径时空化数如图3所示。由图可见，在喉部流速V=38.2 m/s，含沙量S=12 kg/m3工况下，空化数随粒径增大而降低，表明粒径增大促进空化。
图3
图3
空化区空化数随粒径的变化
Fig.3
Variation of cavitation number with sand grain size in cavitation zone (V=38.2 m/s)
2.2 不同粒径对混凝土试件空蚀量的影响
在喉部流速V=38.2 m/s，含沙量S=12 kg/m3工况下，使混凝土试件在水洞中进行4 h空蚀破坏试验。不同粒径时混凝土试件空蚀量随粒径变化的关系曲线如图4所示。由图可见，混凝土试件空蚀量随粒径增大而增加，由此表明粒径的增大具有促进空蚀的作用。
图4
图4
混凝土试件空蚀量随粒径的变化
Fig.4
Variations of cavitation erosion rate of concrete specimen with sand grain size (V=38.2 m/s)
图5
图5
较高流速时不同粒径时混凝土试件空蚀状况
Fig.5
Cavitation erosion status of concrete specimen at diffe-rent sand grain sizes (V= 38.2 m/s): (a) d50=0.08 mm, (b) d50=0.25 mm, (c) d50=1 mm, (d) d50=2 mm, (e) d50=3 mm
2.3 不同流速对混凝土试件空蚀量的影响
针对5种典型粒径，试验研究了不同流速 (较高流速V=38.2 m/s、较低流速V=28.1 m/s) 工况下，混凝土试件空蚀量随粒径的变化，结果如图6所示。由图可见，相同粒径条件下，喉部流速V=38.2 m/s时的混凝土试件空蚀量明显比喉部流速V=28.1 m/s时的空蚀量大。
图6
图6
不同流速时混凝土试件空蚀量随粒径的变化
Fig.6
Variations of cavitation erosion rate of concrete specimen with d50=0.08 mm (a), d50=0.25 mm (b), d50=1 mm (c), d50=2 mm (d) and d50=3 mm (e) sand grain size at different velocities
图7
图7
较低流速时不同粒径时混凝土试件空蚀状况
Fig.7
Cavitation erosion status of concrete specimen at different sand grain sizes (V=28.1 m/s) (a) d50=0.08 mm, (b) d50=0.25 mm, (c) d50=1 mm, (d) d50=2 mm, (e) d50=3 mm
2.4 讨论
由上述试验结果知，粒径增大具有促进空化空蚀的作用。路新飞[26]利用旋转式黏度计研究过不同粒径对挟沙水流特性的影响，得出细颗粒泥沙的黏度比粗颗粒大，而液体黏性影响空化空蚀作用。黄继汤等[27]研究过液体黏性对空泡的影响，给出液体黏性会延缓空泡收缩、膨胀的过程，并提出液体的黏性愈大，空泡溃灭过程愈缓慢，溃灭压强也愈小，因而试件的空蚀破坏也变轻。因此粒径增大可以减小黏性，从而促进空化空蚀作用。此外，也有学者研究过粒径对空化空蚀的影响，但大多以金属作为空蚀材料。Lian等[13]利用ASTM1045碳钢进行试验，同样得出粒径增大，空蚀增强的结论。Chen等[14]利用铝试件进行试验表明，平均粒径增大，空蚀作用增强。姜胜利等[28]测试20SiMn低合金钢在6种粒径下的空蚀损伤，也得出同样的结论。与金属材料不同，混凝土属于脆性材料，基本不受电化学作用，以机械作用为主。由于混凝土材料为多孔介质，且壁面粗糙，受到空蚀时，表面易产生孔洞凹坑，空蚀破坏更加剧烈。金属材料硬度高，表面光滑，相较于混凝土材料空蚀作用较轻微。混凝土在凝固过程中会产生许多大小不同的气孔，而气孔受到空泡溃灭时产生的超高压作用易形成微观裂缝，随着压力增大，还会扩大成大裂缝导致混凝土破坏，如图7e中混凝土试件便从中间产生裂缝，发生断裂破坏。混凝土表面受到空泡溃灭产生的冲击波和微射流作用，脆弱处会率先破坏并产生凹坑。凹坑增多会增加混凝土表面的粗糙度，进一步加剧了混凝土表面的空蚀破坏。最终混凝土表面会产生许多大小不一的凹坑，变成一个凹凸不平的表面，导致混凝土泄洪建筑物的整体破坏。试验中，空蚀区压强急剧升高主要存在后半段，故混凝土试件后半段受到空蚀破坏更多，并不断在后半段加剧空蚀破坏，导致后半段高度降低明显。
3 结论
(1) 空化区压力随粒径的增大而降低，表现为粒径增大具有促进空化的作用，而空蚀区压力则随粒径的增大而升高，具有促进空蚀的作用。
(2) 混凝土试件空蚀量随粒径的增大而增加，空蚀坑洞面积变大，孔洞数量增多，试件高度的降低程度也越来越大，表明粒径的增大具有促进空蚀的作用。
(3) 粒径相同时相较于较低流速情形，较高流速情形混凝土试件表面产生的空蚀坑洞面积变大、空蚀孔洞数量也增多。
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