水力机械磨蚀研究综述

李晓超，谢威威，张 浩，秦 蓉，王晓丽

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045；2.中国民航大学，天津 300300；3.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南阳 474664)

欧拉早在1753年就预言了空化现象：当水管某处压强降至负值时，该处会形成真空，即水与管壁分离。直到19世纪末，人们在螺旋桨叶上发现空化(Cavitation)[1]现象，以及在水轮机的转轮叶片也发现了类似现象之后，空化现象才开始引起人们的注意。长期的空化作用会使过流部件表面产生破坏，这就是所谓的空蚀。对于夹带泥沙的水流，还会使过流部件的表面产生磨损。在空化空蚀和泥沙磨损(即磨蚀)的共同作用下，过流部件表面损坏的很快。这其实是水流在运动与能量转换过程中产生的一种特殊现象，就目前的理论研究和实际生产运行水平而言，这种现象无法避免，只能将其破坏程度降低。

中国的水能资源蕴藏量极其丰富，但地理分布极不均衡，且中国大多河流属于多泥沙河流，导致中国的水电站和泵站尤其是在黄河上的水电站、引黄泵站的转轮磨蚀状况比较严重。20世纪60年代，中国曾对水轮机的磨蚀状况开展过一次普查，发现磨蚀属于三级或重于三级的水轮机达到调查总数的90%以上，水轮机的磨蚀往往成为决定机组大修周期的决定性因素。随着水电开发的迅速发展和一系列大中型水电站、跨流域重大水利工程中泵站的开发建设，其运行经验表明，含沙河流的泵站和电站常遭受到泥沙磨损、水力空化空蚀及两者的联合作用，其破坏十分严重，这也说明了中国水电站与泵站存在磨蚀的水轮机或水泵机组众多。因此，水力机械的磨蚀问题常常成为保证机组安全可靠运行的首要因素。

1 空化、空蚀和泥沙磨损的作用机理及其分类

任一液体在恒定压力下，当液体的温度高于其沸点时，液体开始汽化形成气泡蒸发，称之为沸腾；而空化则是当温度一定时，液体压力降低到某一临界压力值时，液体发生气化或溶解于液体中的空气发育成空穴的现象。空化在水中形成的空洞称为空穴，球形空穴常被称为空泡，较大的空穴称为空腔，带有空穴的水流常称为空穴流。除了水这一常见的液体之外，其他液体如原子能电站中常用的传热介质液态金属钾、钠、铋以及飞行器中的液氢还有液压系统中的液压油等，也常会发现空化现象[1]。

空化现象包括空泡的产生、发育和溃灭，是一个非恒定的过程。低压区发生空化的液体携带着大量的空泡，形成了两相流运动，破坏了液体宏观上的连续性。空泡在流经高压区时发生溃灭，溃灭时会产生很大的瞬时压强，当溃灭发生在固体表面附近时，空泡溃灭产生持续的高温高压作用，会破坏固体表面，此现象称为空蚀。

泥沙磨损则是由于在流体中含有一定比例的不同直径的砂砾等悬浮物固体颗粒，这些颗粒在不同流速以及不同含沙量的流体当中，会撞击和磨损过流部件表面，从而使机件发生疲劳甚至损坏。

固体与水流作相对运动时，水的内部或水固交界面上的空化状态可分为以下4种：亚空化状态(没有空化的状态)、临界空化状态(开始出现空化的状态)、局部空化状态(水固交界面或邻近水体内部出现空化的状态)和超空化状态(固体整个边界面上和靠近固体的尾端都出现空化的状态)。不同状态的空化数σ值不同。郑雪玉等[2]总结了不同的水工建筑物的初生空化数计算公式及比尺效应，在国内外专家学者研究的基础上归纳了不同部位的初生空化判断标准。需要指出的是，空化现象不仅发生在液体内部，也会出现在固体边界上。空蚀却是由于空泡的溃灭所引起的过流表面材料的损坏，即其发生在固体边界处。其中空泡在溃灭过程中伴随着机械作用、电化学作用、热力学作用和化学腐蚀作用等过程[3]。虽然目前空蚀发生的机理众说纷纭，但专家学者普遍比较公认发生空蚀的主要原因是空泡溃灭所产生的机械作用，机械作用中大家又都比较认可冲击波模式和射流模式2种模式作用论。

根据不同的空穴外观，按照空穴发生的条件和其主要的物理特性将空化现象分为以下4类：①游移型空化，即单个的随水流一起运动的不稳定的空泡或空穴；②固定型空化，即游移型空泡沿固定型空穴内表面移动直至溃灭的周期性循环过程，发生在边壁上压强近于临界压力处；③漩涡型空化，主要见于船舶工程中的螺旋桨叶梢附近的梢涡中，在螺旋桨的毂涡(毂涡空化)中，中心压强最低，首先发生空化；④振荡型空化，即一些传感器表面的高频振动，在不流动水体中(一般是在不流动水体中)造成的空化[1]。发生在水力机械内部的空化空蚀问题有其自身的特点，以水轮机为例，根据其发生的部位不同，习惯上又定义了4种空化空蚀类型：翼型空化空蚀、间隙空化空蚀、局部空化空蚀和空腔空化空蚀[4]。

另外，由于中国黄土高原自身土质结构比较特殊，且水流中自身均含有一定的泥沙粒子，故中国的河流含沙量很大，黄河中下游河流尤为严重。中国南方也不排除有一些流经特殊地质的河流，但其普遍含沙量较低。高速含沙水流本身就是一种极其紊乱的流体。颗粒的存在破坏了水流的连续性，导致水流更加紊乱。此外，颗粒携带的气核一般会促进空化的提前发生[5-6]，流体的紊动伴随着脉动压强的产生，压强的变化又加快了空泡的溃灭，同时也加剧了空蚀的破坏程度。

磨损可按其作用外貌的不同，分为普遍磨损和局部磨损两大类。这2种磨损由不同的水力原因所造成。局部磨损常出现在水流急剧转向、冲角加大处即出现在间断面之后发生漩涡脱流处或易受到泥沙直接打击的部位，而普遍磨损通常出现在水流比较平顺的绕流表面，布纹和鱼鳞的深度常常较浅。而局部磨损虽然波及的面积范围较小，但由于破坏较深，所以常常成为影响安全运行的控制因素[7]。

水力机械在含沙水流运行中遭受的破坏主要可分为磨损、空化空蚀和磨蚀三大类，不同原因产生的破坏特征是有区别的。空蚀破坏的主要特征是初期金属表面往往仅变粗糙、失去光泽，之后可以观察到表面出现针孔和麻点。再之后，针孔和麻点逐渐密集加深连成一片，形成蜂窝、麻面和海绵状。磨损初期有时表现为抛光发亮，之后逐渐观察到出现大面积的深度很浅的波纹和鱼鳞状，再之后则由波浪形鱼鳞坑发展成相互串通呈沟槽状。磨损与空蚀同时存在时，则表面同时具有以上2种破坏的特征，但当一种破坏的强度大大超过另外一种破坏时，则较弱的一种破坏痕迹，也可能被掩盖，而不被察觉。

2 影响空化、空蚀和泥沙磨损的关键因素

纵观前人的研究成果，影响空化空蚀的主要因素有以下方面。①液体内部的含气量及气核量。Kawakami等[8]专门针对水内气体含量对空化的影响做了实验探究，发现水质对空化有显著影响。众所周知，纯水(不含任何异相介质的水)是不会发生空化的，而天然水含有其他杂质，这些杂质的表面会附着一些粒径很小的气核。当来流中含有较多气体及气核，则液体流经低于临界压力区时，这些气体会发育成空穴，含气量和气核量越多，则空化就越严重[5]。②液流性质及其速度。这是由于液体的种类不同，其发生空化的临界压力值也随之改变，且由于其自身的黏性会影响空化初生的位置。另外液体速度的不同，会影响压力分布及其紊动程度，只要使压强低于液体临界汽化压力即发生空蚀[9]。③过流部件的参数及其表面粗糙度。过流部件中，叶片的进口厚度、和水力机械的进口流道相关参数需要根据自身运行情况合理设置，不同的参数会影响来流的速度分布，从而影响机组的空化性能[10]。④过流部件表面材料。在易发生空化空蚀的关键部位采用高耐磨的材料，不失为减轻空化空蚀危害的一种好办法。日本的Mitsubishi重工业集团就曾专门对13种涂层等材料做了试验研究，分析其抗磨性能[11]。从20世纪60年代发展起来的具有比传统的碳钢更高的抗空蚀性能的Cr-Ni-Mo系不锈钢，到硬度更高的Fe-Mn-Al合金，到有极高的硬度从而比一般的碳钢和合金钢具有高的抗空蚀性能的金属陶瓷WC-Co，再到Ti-Al系合金、新型的Cr-Mn-N不锈钢、具有超弹性可以吸收空泡溃灭产生的强大冲击波的Ti-Ni合金，抗空蚀材料的抗空蚀性能大大提高。由于空蚀仅发生在金属构件的表面,为提高性能和降低成本,抗空蚀金属涂层及相关的与金属基体的结合工艺成为具有实用价值的科研热点[12]。

影响泥沙磨损强度的因素有以下方面。①液体含沙直径及其含量。文献[13]指出1 μm以下的小粒径颗粒磨损伴随冲击波破坏模式和空蚀同时发生于固体边界，两者损害程度不分伯仲；而10 μm以上的大粒径颗粒磨损伴随着微射流破坏模式和空蚀同时作用于过流部件壁面，但其磨损损害程度要大于空蚀损害程度。Warman国际公司研究小组针对磨粒直径的大小和流量的不同对磨蚀的影响进行了实验研究，发现水力机械不同位置受磨粒直径大小的影响不同[14]。文献[15]指出，当含沙量整体较低时，砂砾数目含量的增加会促进磨蚀，当增长到某一临界值时，砂砾数目的增加反而会抑制磨蚀的程度。沈鑫伟等[16]对不同泥沙浓度下的旋转圆盘空化特性数值模拟研究发现，当直径为0.01 mm的泥沙颗粒浓度增大至0.09的过程中，空化越来越剧烈，当达到0.09继续增加时，空化反而会随着浓度的增加受到抑制。但具体问题要结合实际具体分析，临界含沙量与该地区的水流条件、泥沙特性、壁面材料等有关，不能一概而论。②空蚀程度。屈红岗[17]指出在空蚀发生后，过流部件壁面受到了破坏，由于导波作用，砂砾随水流进入蚀坑中，往往蚀坑内流态紊乱，从而加重其磨蚀程度。

3 空化、空蚀和泥沙磨损的主要试验方法

针对磨蚀这一现象的试验方法目前主要有：①超声振动空蚀法，即利用超声波引起特定频率的压力脉动，从而使液体局部压力降低产生空化空蚀[18]；②文丘里管空蚀法，主要是在文丘里管喉部断面收缩处，流速变大，压力降低，从而发生空化空蚀[19]，Matevž Dular等[20-22]采用文丘里管法，将薄铝箔附着在其断面处，使用高帧率相机观察空化结构及空蚀现象，研究空化泡引起空蚀坑的机理；③水洞试验台法[23]；④孔板射流法[24]，Yong Wang 等[25]使用孔板系统做了空化流动和空蚀的实验分析，通过3种不同的图像处理方法研究空化强度对空蚀的影响；⑤旋转装置法，在高速旋转的装置上有凹陷的小孔或凸起体，使小孔或凸起后部发生空化空蚀[26]。Ge X F等[27]就通过旋转圆盘装置，进行了空化的试验研究，葛新峰等[28]在旋转圆盘实验中还定义了旋转圆盘空化系数，发现了旋转圆盘转速n与空化数成幂函数关系，转速越大，空化数越小。

空化的发生伴随着空泡的成长与溃灭，针对空化与否的主要观察方法有目测法、噪声法、光学法、影像法。

衡量磨蚀程度的方法主要有传感器直接测量和间接测量磨蚀参数反推的2种方法。近年来金属薄膜蚀点测试法由于其高效且经济，被广泛应用于磨蚀试验中[29]。Jin-Keun Choi等[30]就研究了点蚀试验中，金属材料表面在空化冲击力作用下发生变形的数值模拟，探究材料点蚀与空化作用力的关系。Davide Carnelia等[31]在点蚀试验中还通过应用纳米压痕测量法与材料力学进行了耦合，成功地评估了空化的冲击压力及其分布。

4 CFD技术在研究空化、空蚀和泥沙磨损中的应用

随着科技的发展，基于计算机技术的计算流体力学(Computational Fuid Dynamics,简称CFD)技术也取得了长足的进步，已经被广泛应用于流体分析中。CFD技术可以创建一个虚拟的测试平台，大大的节省人力物力，准确的预测出机组的相关参数，且可将内部流动“可视化”更加方便地进行观察与改进[32]。而且数值模拟技术具有试验不具备的理想化状态，利用数值模拟可实现空化特性的准确相似，可促进对空化空蚀机理的进一步深入探索[33]。但CFD技术的关键一招是计算模型的建立，Ashok K Singhal等[34]指出全空化模型对空化数值研究起决定性的推动作用，模型的准确与否直接决定了计算的好坏。

Tamura等[35]在Rayleigh-Plesset的基础上提出了空泡模型，Peshkovsky等[36]还针对声空化建立了一种冲击波模型，Yu An等[37]考虑了黏性效应及密度、压力等局部变化提出了一种空化模型，LINDAU J等[38]则提出了一种用于气体模拟的空化模型。为了不断改进空化的数值模拟，在雷诺数平均Navier-Stokes方法(即RANS方法)中，Johansen等[39]在模型的基础上发展了FBM模型，Huang Biao等[40]又将FBM模型和DCM模型结合，提出了FBDCM模型，而Girimaji[41]提出了基于部分平均Navier-Stokes方法(即PAN方法)，已被应用于湍流空化数值模拟中。高忠信等[42]建立了一种三维泥沙固液两相紊流计算模型，通过数值运算和试验验证证明了其一定程度上的合理性。可以在一定程度上代替模型试验对水轮机转轮的磨损部位和强度进行数值预估。还有吴玉林、刘小兵等专家学者也提出了固液两相湍流模型对水力机械的磨蚀开展数值模拟研究，Okita等[43]采用DES湍流模型和改进的空化模型进行了数值模拟研究，Andreas Peters等[44]提出一种新的三维欧拉空蚀模型，并通过数值模拟和实验对比，发现该模型能够很好的发现空蚀敏感区并能区分空蚀强度。Regiane Fortes Patella等[45]提出一种基于疲劳判据的空蚀模型，通过空蚀质量损失的数值模拟，发现其预测效果和实验数据吻合程度良好。目前的数值模拟技术也已经取得了一些进步[46]，但理论尚不完善，模拟结果缺乏普遍性和精确性，仍有诸多问题亟待解决，但随着计算技术的不断发展，不断地掌握试验资料，一切问题都会被解决的[47]。

5 空化、空蚀和泥沙磨损的防护与利用

目前磨蚀现象的机理尚未完全清晰，无法避免其发生，关键在于在实际工程中如何把损失降到最低，以及如何在其他领域中利用目前已掌握的原理。金泰来[48]提出了一种掺气减蚀的方法，形成近壁气垫，阻尼溃灭压力，或向低压区补气，降低负压。董志勇等[49]在浙江工业大学直流水洞的试验中发现掺气后的水流压力显著增高，空化数显著增加，但减小空蚀的最低掺气浓度与水流流速存在的幂函数关系。计志也[50]则指出国外普遍用于汽缸减蚀的方法则是向液体中添加防蚀剂。李志博等[51]主要从液压装置结构、参数、压力和运行维护4个方面提出了10种减轻液压系统空化空蚀损害的措施。贺文静[52]详细的介绍了一种在水电站的机组空蚀区域涂抹环氧树脂配方剂的办法来有效减免金盘子电站的磨蚀。赵双杰[53]也介绍了关于不同类型磨蚀的对应处理措施，以减少水机磨蚀。Yang J等[54]对水翼的空化特性进行了数值研究，探讨分析了升阻比随空化程度的变化情况。近年来，有专家学者从翼型叶片穿孔来探索对空化性能的影响，于凤荣等[55]发现翼型结构穿孔会改变流体绕流翼型的压力场分布及流道内的最低压力值，破坏了空化的发生条件，可有效防止空化。胡赞熬等[56]则发现对离心泵叶轮穿孔对空化性能的影响主要与流体压力面与吸力面的能量差及开孔能量损失的差值有关。差值为正则会抑制空化，差值为负还会加剧空化。减轻磨蚀的危害主要即从设计、运行、制造3方面下手。具体如下。

a)改善水力机械的设计。针对不同形式的机组设备，相应的改善其易于发生磨蚀的设计条件，有目的的结合应用装置，根据液流实际情况做出更有利于机组的设计参数，从而改善其运行条件。不过，一般来讲都是从优化水力机械叶片结构等方面入手，目前已有研发并应用且取得很好效果的新型叶片，如“X”型水轮机叶片以及一些超空化水力机械[57]。

b)直接采用更耐磨蚀的水机材料。把易发生磨蚀的部位或部件的材料替换成耐磨性更好的材料是最直接的一种做法，但不会根除或减轻磨蚀的程度，仅是降低了机体的受损伤程度。如在水电站中普遍使用抗蚀材料涂层，以减少机体受到的磨蚀损害。随着材料技术的不断进步，尤其是纳米技术的发展，也为水机涂层材料提供了一个新方向。

c)提高加工工艺水平。很多磨蚀往往都是因为过流表面不平整而产生的水力突变引起。故提高加工工艺水平，更大限度的与设计保持一致，会更多的减轻机体发生磨蚀的条件，大大提高机组运行效率。

d)改善运行工况。采用合理的运行工况。在设计的最优工况下空化与空蚀的程度要小很多，那么就要减少机组在非最优工况下的运行时间。此外，汛期含沙量大，避开在汛期或含沙时段量大的时间运行也十分有利于延长设备的使用寿命。

虽然空化空蚀与泥沙磨损有很大的破坏力，但如果加以利用，也可造福人类。KUMAR P S利用水力空化进行了蓖麻油、红花油的水解实验[58]，陈大融[59]指出在超声医学领域借助空化机理以低频高能量的形式作用于人体，从而使人体组织发生某种有利于身体健康的某种变化；在化学领域通过空化空蚀产生的高温高压及冲击波和微射流来促进化学中的合成、分解、催化等作用；在常温中子聚变领域通过空化给脉冲中子发生器产生的微空泡提供足够的能量，以得到一定产额的中子，从而控制聚变反应。Teleyarkhan等[60]就利用空化来研究常温中子聚变问题。Pandit等[61]发现在生物的细胞裂解实验中，利用空化作用为实验输入的能量值是传统方法能耗的5%～10%，大大提高了能量利用率。武君等[62]提到目前水力空化重要的工业应用领域是制浆工业，由于木浆精炼耗能在总耗能中占比1/3，故利用水力空化为木浆精炼提供能量，可极大的节约能源。李根生等[63]则从矿采工程中的钻井方向利用了空化空蚀现象，其介绍了7种空化射流喷嘴钻头和6种产生空化射流的方法。朱昊[64]还介绍了空化射流技术在管道清洗、材料切割加工等方面的应用。Hitoshi Soyama[65]则将空化引入到表面处理工艺中，提出一种使用激光空化供能进行喷丸的一种表面处理工艺，并通过试验验证了该方法的可行性。

6 结语

磨蚀破坏不仅造成巨大的经济损失，还严重影响水电站与泵站的安全运行。由于机组运行工况复杂多变，涉及复杂的气液两相流、泥沙磨损、摩擦学、材料学和表面防护等多学科问题，具有多相、微观、瞬态和随机的特点，相关的理论建模和试验研究往往十分复杂和困难。因此，水力机械的空化空蚀和泥沙磨损是一个十分复杂的物理过程，目前有关研究虽取得了一定的进展，但仍不充分。未来建议重视在以下方面的研究。

a)空蚀的机理。空蚀涉及到固、液、气3种形态，流动分析十分复杂，且为瞬态过程。目前关于空蚀的研究主要是基于单空泡溃灭的过程，而多空泡及空泡群的溃灭过程要远远比单空泡溃灭复杂。随着科技的不断发展，显微摄像技术也在不断地进步，利用这些高科技更好的来揭开空蚀的神秘面纱，只有追本溯源，才能根除或者针对性的减轻磨蚀对工程的损害。

b)数值模拟技术的运用。一方面在实践中不断的优化CFD技术，使其有更高的适应性、精度和可上手性，使CFD朝着专业领域不断的深入下去。另一方面也要在不断优化CFD技术的同时，利用现有的技术开展磨蚀数值模拟，建立起水力机械内部过流部件在一定工况下的良好预测模型。随着不断的发展，CFD技术必将显露出更加蓬勃的生命力。

c)多学科分析。由于磨蚀问题涉及流体力学、热力学、材料学、化学等学科，因此需要着重培养交叉学科型人才和多学科分析精神，在探索磨蚀奥秘的同时，更好的带动本学科的发展，造福社会。