单凹槽形态混凝土壁面抗风蚀磨损研究

汤润超,陈善群,廖 斌,张龙珠

(安徽工程大学 建筑工程学院，安徽 芜湖 241000)

混凝土作为一种常见的建筑材料，广泛应用于生产生活之中。随着高层、超高层建筑的普及，风蚀作为混凝土长期服役过程中不可避免的问题，不但影响混凝土结构整体的美观，严重时甚至会引发漏筋等质量问题。风蚀防治的研究具有显著的工程实际指导意义，理应得到足够的重视。

20世纪50年代起，学者们研究发现风蚀问题来源于气流和被气流裹挟的沙粒对壁面的吹蚀和磨损，其中沙粒对壁面的撞击作用是壁面破坏的直接原因，而沙粒撞击壁面的角度和动能依赖于气流。典型的研究有：Shedlon[1]通过粒子冲蚀实验，提出了低冲蚀角度下的微切削理论和高冲蚀角度下的冲击破坏脆性材料断裂理论。Goretta[2]研究了固体颗粒对混凝土的冲蚀影响，发现冲蚀损失质量随固体颗粒质量增大而增大，两者线性相关。同时，混凝土的冲蚀量与冲蚀角度也存在一定关联。Momber[3-4]采用喷砂法研究多种混凝土的磨损性能。研究发现仅考虑抗压强度并不能充分体现混凝土的抗冲蚀性能，应考虑粗骨料的影响；对于水泥基材料而言，还需要考虑水泥基体与骨料之间界面的影响。

王彦平[5]等采用气流挟砂喷射法研究混凝土的风蚀机理。研究发现，混凝土材料的风蚀特性符合脆性材料特征且随着冲蚀时间的增加，冲蚀率呈现下降趋势。郝贠洪[6]等在冲蚀实验中发现了类似现象，并指出当冲蚀造成风蚀坑时，风蚀将主要在风蚀坑内部发育，外部产生新的风蚀坑的几率降低。这些研究成果表明非光滑壁面具有独特的风蚀性能，而自然界中存在着众多生物实例。Werner Baumgartne[7-8]等人采用电子显微镜对砂鱼蜥蜴的鳞片进行观测，发现其体表鳞片凹坑具有极高的抗风蚀能力。张雪鹏[9]借鉴沙漠蜥蜴的凹坑表皮，采用大涡模拟研究凹坑壁面流场形态，发现凹坑具有局部分流并对主流施加向上速度分量的作用。闫国庆[10]对沙漠红柳进行研究，通过生理学分析和抗风沙冲蚀性实验，表明沙漠红柳亦采用相似的思路来抵抗风沙的侵蚀。

目前，在工程应用中通常采用改良配合比[11-12]或覆盖保护涂层[13-14]的方法防治风蚀，但这两种方法都是从强化材料性能入手，经济成本较高。如何节约成本并降低混凝土的风蚀影响，是一个颇有挑战性的研究工作。

鉴于此，基于结构表层形态优化思路，依托混凝土结构中常见凹槽的工程背景并考虑到单凹槽形态较多凹槽形态具有过程易控干扰较小的优点，采用DPM离散相模型对不同冲蚀角度条件下单凹槽形态混凝土壁面的风蚀问题进行研究。通过与光滑壁面的风蚀速率进行对比，论证凹槽壁面的抗风蚀性能并判定冲蚀角度的适用范围。同时从风向、风速及壁面剪应力分布三个方面进行剖析，研究凹槽壁面和光滑壁面风蚀分布的差异。

1 计算模型

1.1 计算域

考虑到光滑壁面和凹槽壁面置于同一流场中进行抗风蚀考察具有更好的可比性，同时还能减小系统误差以及一定程度上节约计算资源,选取计算域模型如图1所示。由图1可知，风沙入口面的尺寸为200 mm×600 mm×100 mm，光滑壁面与凹槽壁面间隔600 mm，两壁面均长100 mm。凹槽壁面的凹槽布设在壁面中部，半径为3 mm。

鉴于混凝土发生风蚀时，性能接近脆性材料特征，参考王彦平[5]等的研究思路，设置不同的冲蚀角度，用于研究风沙微切削和冲击破坏作用下光滑壁面与凹槽壁面的抗风蚀性能，从而判定冲蚀角度对壁面抗风蚀性能的影响。基于以上考虑，研究特意将光滑壁面与凹槽壁面设置成具有相同倾斜角度对称布置在计算域的风沙出口附近，这样既保证冲蚀气流得到充分发展，又尽可能使得两壁面流场分布近乎相同。冲蚀角度由凹槽壁面或光滑壁面与冲蚀气流角度决定，数值为30°～90°。为尽可能详尽研究冲蚀角度对壁面抗风蚀性能的影响，选取5种冲蚀角度工况，分别为30°、45°、60°、75°以及90°。

图1 计算域示意图

1.2 求解方法和计算设置

(1)离散方法：空间离散格式为基于SIMPLEC算法的二阶迎风格式，具有二阶精度；时间离散格式为非稳态二阶迎风格式；

(2)计算模型：采用RNG k-ε湍流模型+DPM离散相模型；

(3)流体：采用理想空气作为介质，密度1.225 kg/m3，运动粘度1.789 4×10-5kg/ms；

(4)DPM边界条件：风沙入口选取速度入口，速度设定26 m/s。风沙出口采用自由出流。凹槽壁面与平滑壁面粗糙高度为2 mm。壁面材料密度2 400 kg/m3，壁面反弹恢复系数取0.6[15]；

(5)DPM粒子设置：粒子射入速度26 m/s，方向平行于X轴。冲蚀光滑壁面与凹槽壁面的流量质量63 g/min，粒子直径0.25 mm，密度2 650 kg/m3，冲蚀时间取3 min，与王彦平[5]等冲蚀实验的研究参数一致。采用瞬态计算方法，每一次时间步长进行一次粒子追踪，并统计壁面侵蚀程度，冲蚀速率计算公式：

(1)

式中，Rerosion为壁面冲蚀速率；Nporticle为粒子项；mp为流量质量；C(dp)为颗粒粒径函数；f(a)为冲击角函数；b(v)为颗粒相对速度函数；Aface为壁面面积；V为颗粒相对速度。

2 计算结果与分析

2.1 模型可靠性验证

以王彦平[6]等的100 mm×100 mm×100 mm规则六面体试块冲蚀实验结果为参考，验证数值方法对光滑壁面抗风蚀性能的数值计算结果，进而验证所用数值模型的可靠性，对比结果如图2所示。从图2中可以得知，在不同的冲蚀角度下，数值解与实验解吻合良好，两者的发展趋势亦基本一致：冲蚀角度为30°时，冲蚀量最低;而冲蚀角度为90°时，冲蚀量最大;冲蚀量与冲蚀角度呈近似线性关系。以上结果表明，研究采用的数值模型能够较好地反应混凝土材料的风蚀特性，计算结果具有较高的可信度。

图2 光滑壁面冲蚀速率数值解和实验解对比图

2.2 风蚀速率

不同冲蚀角度下，光滑壁面与单凹槽壁面的冲蚀速率如表1所示。由表1可知，冲蚀角度为30°和45°时，光滑壁面风蚀速率低于凹槽壁面，而冲蚀角度为60°，75°和90°时，光滑壁面的风蚀速率高于凹槽壁面。低冲蚀角度的数模结果表明，凹槽壁面的抗风蚀性能劣于光滑壁面，与张拓[16]等所用平磨法的实验研究结果相一致，而高冲蚀角度的数模结果则与之相悖。这种现象产生原因是冲蚀角度的变化和混凝土材料的风蚀特性：混凝土是一种高硬度、低韧性的脆性材料，而沙粒对壁面的剪应力根据速度方向分为垂直应力及横向应力。在低冲蚀角度时，垂直于壁面的速度分量较小而平行于壁面的速度分量较大，沙粒对壁面的破坏作用主要是微切削作用。受混凝土材料高硬度的影响，此时壁面质量损失较小。随着冲蚀角度的增大，垂直于壁面的速度分量逐步增大而平行于壁面的速度分量逐步减小，沙粒对壁面的破坏作用转换为冲击作用。受混凝土材料低韧性的影响，壁面质量损失显著增加。凹槽对气流的扰动作用使得被气流裹挟的沙粒冲击壁面的角度产生变化，如图3、图4所示。在低冲蚀角度(30°)时，沙粒撞击壁面的角度α1大于α2，凹槽面垂直于壁面的速度分量较大，所受垂直应力较多。在高冲蚀角度(75°)时，沙粒撞击壁面的角度β1小于β2，凹槽面平行于壁面的速度分量占比大于光滑面，更易受平行应力的影响。因此，凹槽壁面的抗风蚀性能(较光滑壁面)随着冲蚀角度的增加，呈现出上升的趋势。

表1 风蚀速率计算结果

图3 凹槽壁面和光滑壁面沙粒运动轨迹图(风蚀角度30°)

图4 凹槽壁面和光滑壁面沙粒运动轨迹图(风蚀角度75°)

2.3 风蚀分布

微切削作用(风蚀角度30°)和冲击破坏作用(风蚀角度75°)下，凹槽壁面和光滑壁面的风蚀分布分别如图5、图6所示。观察两幅图可知，相比较光滑壁面，凹槽壁面的风蚀分布具有显著差异，较多发生于凹槽区域，尤其是气流进入和流出凹槽的附近区域，同时其余区域的风蚀现象得到不同程度的改善，与郝贠洪[7]等在冲蚀实验中发现的现象相吻合。

图5 凹槽壁面和光滑壁面风蚀分布图(风蚀角度30°)

图6 凹槽壁面和光滑壁面风蚀分布图(风蚀角度75°)

2.4 风速和风向

凹槽壁面和光滑壁面的近壁面流场分布如图7所示。从图7中可以看出，凹槽的布设对近壁面流场产生了显著影响。在流向方面，气流在光滑壁面流动较为均匀，而在凹槽壁面出现分流现象，即凹槽内形成了一个涡。该涡持续对主流施加影响，具体表现在主流流经凹槽后有一个明显向上抬起的运动趋势。在流速方面，布设凹槽的影响体现在两个方面：一方面，分流现象的发生使得流入凹槽的部分气流的运动方向与主流不再平行，动能补充受到制约，流速显著下降；另一方面，该部分气流在凹槽位置形成涡，该涡发挥了类似于气垫的效果，使得主流向上发生抬升，产生内耗，减弱了气流的动能，降低了气流的流速。因此，气流在光滑壁面的流速变化较为平缓，而在凹槽壁面流速变化较为剧烈。

图7 凹槽壁面和光滑壁面近壁面流场图

2.5 壁面剪应力

壁面剪应力沿程变化曲线图(风蚀角度30°)如图8所示。壁面剪应力沿程变化曲线图(风蚀角度75°)如图9所示。由图8、图9可知，凹槽对气流的扰动作用影响了沙粒运动的轨迹。比较光滑壁面的剪应力分布，凹槽壁面的剪应力分布在凹槽处呈现先骤减后激增的趋势且凹槽内部的剪应力数值较低。产生这种现象的原因是：气流的动能是沙粒运动能量的唯一来源，当气流流经凹槽发生分流现象时，沙粒被气流裹挟撞击凹槽，在气流流入凹槽区域施加较大的剪应力；当气流在凹槽内部运动时，由于流入凹槽的这部分气流流动方向与主流不平行，动能补充受到极大制约，因此沙砾冲蚀壁面的动能亦受到影响，随气流流动距离的增加而不断降低且处于较低水平；当气流流出凹槽时，沙砾在出口位置与壁面发生二次碰撞，导致壁面剪应力数值迅速回升。其余区域，尤其是凹槽后方区域，气流因受凹槽扰动影响，流向向上发生偏转，流速相对较慢，壁面所受剪应力有所降低。随着气流逐步远离凹槽，扰动作用减弱，从而使得壁面剪应力逐步回升。

图8 壁面剪应力沿程变化曲线图(风蚀角度30°) 图9 壁面剪应力沿程变化曲线图(风蚀角度75°)

3 结论

选用RNG k-e模型结合DPM离散相，建立了一种用于模拟混凝土风蚀的数值模型，探究了凹槽布设对混凝土壁面风蚀问题的影响，重点研究了凹槽壁面的适用攻角和风蚀分布，得出了结论：数值模拟结果符合混凝土脆性材料的风蚀特性，且发展趋势同实验结果吻合良好，模拟结果具有可靠性。随着冲蚀角度的增大，凹槽壁面的抗风蚀性能总体呈现出上升趋势。在低冲蚀角度下，凹槽壁面的抗风蚀性能劣于光滑壁面，在高冲蚀角度下，凹槽壁面的抗风蚀性能则优于光滑壁面。布设凹槽使得风蚀分布出现显著差异，较多分布于凹槽区域，尤其是气流进入和流出凹槽的位置，而其他区域风蚀得到不同程度的缓解。