【摘 要】
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水力机械是水能转换和水资源调控的核心装备,广泛应用在水利工程和电力工业等领域,固体颗粒磨损是造成设备和部件降效、失效的重要原因之一。固定边界磨损预测方法只能得到磨损初始边界状态下的磨损特性,无法获得壁面破坏后的流场动力学响应。本研究提出了基于动态边界的水力机械过流壁面渐进磨损数值预测方法,以获得由于过流壁面磨损形貌演变引起的多相流特性和磨损演变特性,为水力机械装备和部件的优化设计和磨损防护提供参考
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“水力机械空蚀和磨损耦合机理及渐进破坏特性研究”（编号:52179086）； 甘肃省2021年中央引导地方科技发展专项资金项目——“渤海航道区浅水多相流量计样机研制及产业化”；
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水力机械是水能转换和水资源调控的核心装备,广泛应用在水利工程和电力工业等领域,固体颗粒磨损是造成设备和部件降效、失效的重要原因之一。固定边界磨损预测方法只能得到磨损初始边界状态下的磨损特性,无法获得壁面破坏后的流场动力学响应。本研究提出了基于动态边界的水力机械过流壁面渐进磨损数值预测方法,以获得由于过流壁面磨损形貌演变引起的多相流特性和磨损演变特性,为水力机械装备和部件的优化设计和磨损防护提供参考,主要工作及研究结论如下:（1）建立了动态边界的水力机械过流壁面渐进磨损的数值预测方法。基于过流壁面网格尺寸选取、网格移动时间步长选取、网格移动和网格光顺原则,在多相流求解过程中捕捉颗粒动力学参数,耦合多参数磨损模型、颗粒反弹模型和磨损深度数学模型建立磨损形貌数值预测方法。该方法可适用于求解稳态流场和瞬态流场,且与实验值相比,磨损深度预测的平均误差为12.73%,较固定边界预测方法预测精度最大提高了28%。（2）研究了影响磨损深度预测精度的时空参数选取原则。结果表明,初始网格移动时间步长的选取应满足其与总预测时间比值的百分比不大于1%,且在磨损预测进程中单位网格移动时间步长下,网格移动距离不应大于1.02μm（网格移动距离的阈值）;其次,磨损部件过流壁面的网格尺寸应满足其与对应几何尺寸比值的百分比不大于1.2%。（3）采用动态边界渐进磨损预测方法,开展了颗粒冲击参数对磨损演变特性的影响研究。主要结论:a)磨损坑内流体速度小于磨损坑边缘的流体速度,磨损坑的出现增加了颗粒冲击壁面的角度;随着颗粒冲击参数幅值的增加,磨损深度增幅最大的区域同样是颗粒冲击角度随时间变化增幅显著的区域,而磨损峰值外侧区域是颗粒冲击速度随时间变化降幅最显著的区域,且变化幅度与磨损深度变化量有直接关系。b)颗粒冲击参数与磨损率之间呈现幂函数关系,考虑壁面磨损演变后,颗粒冲击参数对磨损预测结果的影响大小依次是,颗粒入射速度＞颗粒体积分数＞颗粒入射角度,当研究对壁面演化造成严重影响的颗粒冲击参数时,应尽量使用考虑壁面磨损演变的预测方法,才能更有效的避免固定边界磨损预测方法带来的误差。（4）采用动态边界渐进磨损预测方法,开展了颗粒物性参数对磨损演变特性的影响研究。颗粒直径与磨损率之间大致呈现Exp Assoc函数关系,磨损率随着颗粒直径的增加呈现增加的趋势,但当粒径增大到160μm以后,磨损深度增幅减小,这与磨损演变进程有密切关系;在四种不同球形度工况（0.58,0.76,0.86和1）中,非球形颗粒造成的磨损比球形颗粒大,颗粒球形度与相对磨损率之间呈现Lorentz函数关系,且当球形度为0.76时,磨损率最大,即半圆颗粒造成的磨损是尖锐颗粒或圆形颗粒的1.2倍左右。（5）采用动态边界渐进磨损预测方法,开展了水力机械典型过流壁面的磨损破坏机制研究,同时验证该方法的适用性。a)对于翼型绕流磨损问题:活动导叶表面磨损最严重的位置是导叶前缘,在磨损初期,导叶前缘上下两侧处的磨损比中间区域的磨损严重,随着磨损的演变,在导叶前缘中段和靠顶盖一侧上段出现明显的磨损凹坑。b)对于弯曲流道壁面磨损问题:90°弯曲流道中,磨损主要集中在弯曲流道末端（50°～90°）附近,且在20000小时以后,弯曲流道外侧（大半径一侧）平均磨损率是内侧（小半径一侧）的2倍左右;45°弯曲流道中,磨损主要集中在弯曲流道末端（30°～45°）附近;在相同工况下,90°弯曲流道的磨损约是45°弯曲流道的3倍。c)对于双吸泵泥沙磨损问题:随着磨损时间的推移,叶片表面形貌发生变化,扬程和效率损失率大致呈现线性增加的趋势,增幅斜率分别为0.00109和0.0027;且颗粒不断往叶片背面聚集,从轮毂到轮缘颗粒速度呈现增加的趋势,叶片平均磨损率和颗粒冲击质量增大,说明接下来的含沙水磨损破坏仍在叶片尾缘处较严重。
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