CN109115641A - 水工混凝土冲磨与空蚀混合作用试验方法 - Google Patents

水工混凝土冲磨与空蚀混合作用试验方法 Download PDF

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王新
胡亚安
李中华
严秀俊
牛志国
白银
金英
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Abstract

本发明水工混凝土冲磨与空蚀混合作用试验方法，根据流速越高压力越低的水力学伯努利原理，在缩放型空蚀发生器的基础上，增加自动加沙装置，在加沙桶内沙体的顶部和底部形成压力差，实现高压***内压力差作用下的自动加沙，在喉口前形成高速挟沙水流，挟沙水流至喉口部位时，流速达到最大值，出现负压，发生强空化，固定在喉口后扩散段的试件将受到挟沙水流冲磨与空蚀的双重作用，试验段后挟沙水流通过沉沙池将水沙分离，水体流入水库循环，沙粒回收重复利用。本发明在高压***内压差的作用下实现自动加沙，不需要额外动力，且高速挟沙水流仅出现在试验段，避免了对装置其他部位的磨损。

Description

水工混凝土冲磨与空蚀混合作用试验方法
技术领域
本发明涉及一种试验方法，具体说是一种水工混凝土冲磨与空蚀混合作用试验方法，属于水利工程材料试验领域。
背景技术
冲刷磨损和空蚀破坏是水工泄水建筑物普遍存在的工程问题。统计资料显示，我国70％以上的大型水利工程泄水设施存在冲磨和空蚀破坏，尤其近年来随着工程规模的不断扩大，高坝下泄水流已达到50m/s级的超高流速，泄水建筑物的冲磨空蚀问题目益突出。因此，为解决这一工程技术难题，关于水工高性能混凝土抗蚀材料的研究始终没有停止过，优异的抗蚀材料不断涌现，对于新型材料需要进行抗冲磨防空蚀性能的考察和评价。
目前，研究水工混凝土的抗冲磨防空蚀性能主要采用对比试验的方法，抗冲磨试验如最常见的水下钢球法、高速水沙法等，抗空蚀试验如缩放型空蚀发生装置等，通过对比试验可以得出不同材料的相对抗冲磨或抗空蚀强度，以便对材料进行评价和优选。然而，已有的方法和装置多按单一破坏作用下的试验考虑，而实际工程中，水工建筑物过流表面会受到挟沙水流冲磨和空蚀的共同作用，两种破坏作用相互促进、相互影响，较为复杂，非一般单一破坏作用所能表征。另外，若在实验室进行含沙水流的空蚀试验，通常会想到浑水试验，即将沙粒掺入水库，水泵将含沙水流送入试验循环***，这样整个试验***都充满了高速含沙水流，对水泵、管路、测量设备等均会造成很大的损害，且含沙量也不易控制，故该思路很难行的通。因此，为能科学评价水工混凝土的抗冲磨和防空蚀性能，需要研究提出一种新的试验方法，能够真实模拟冲磨和空蚀的混合作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够模拟高速水流冲磨与空蚀混合作用的试验方法。
本发明达到上述目的的技术方案是：
水工混凝土冲磨与空蚀混合作用试验方法，根据流速越高压力越低的水力学伯努利原理，在缩放型空蚀发生器的基础上，增加自动加沙装置，在加沙桶内沙体的顶部和底部形成压力差，实现高压***内压力差作用下的自动加沙，在喉口前形成高速挟沙水流，挟沙水流至喉口部位时，流速达到最大值，出现负压，发生强空化，固定在喉口后扩散段的试件将受到挟沙水流冲磨与空蚀的双重作用，试验段后挟沙水流通过沉沙池将水沙分离，水体流入水库循环，沙粒回收重复利用。
水工混凝土冲磨与空蚀混合作用试验方法，其试验装置包括动力***、稳压箱、自动加沙装置、试验段和沉沙池。动力***采用三相电机驱动多级增压离心泵为整个装置供水，水流经进水管系进入稳压箱，稳压箱一端接试验段，顶部通过连通管与加沙桶相连，加沙桶与试验段喉口前的收缩段相接，试验段后接沉沙池，最后水流回水库形成循环，具体设计要求如下：
(1)动力***，采用三相电机驱动多级增压离心泵为整个装置供水，电机额定功率120kW以上，多级增压离心泵的工作水头200m以上、额定流量60L/s以上；
(2)自动加沙装置，主要由沙桶、盖板、排气管、观察窗、输沙管和控制阀门组成，沙桶顶部与稳压箱相连，输沙管与试验段喉口前的收缩段相连，由于稳压箱断面尺寸较大，箱内水流流速较低，静压较大，待水流到达试验段，断面尺寸迅速减小，水流流速显著增大，静压减小，因此，沙桶顶部压力将明显大于输沙管出口压力，在上下压差的作用下，沙粒被自动吸入水中，形成挟沙水流；
(3)试验段，包括收缩段、试件槽和扩散段，试验段前后采用压力表监测***内压力，喉口后压力对空蚀状态影响较大，因此采用阀门进行调节，以达到强空蚀状态，试件固定于试件槽内，表面将受到挟沙强空化水流的冲磨与空蚀混合作用；
(4)沉沙池，采用较大断面尺寸以降低断面流速，使沙粒沉淀，以防沙粒进入水库，同时可以测量水流的含沙量，以便控制试验工况。
水工混凝土冲磨与空蚀混合作用试验方法，其试验步骤如下：
(1)试验前，打开加沙桶桶盖向桶内加入试验用沙，并通过侧壁观察窗观察加沙量，桶盖与加沙桶之间采用金属垫片和螺栓密封，将称量初始质量后的混凝土试件装入试件槽，随后进行密封；
(2)开启动力装置为***供水，通过试验段前后的压力表观察***压力，打开加沙桶顶的排气管排出***内气体，由于稳压箱和试验段断面流速相差较大，加沙桶顶和输沙管末端存在较大的压力差，打开输沙管控制阀门，沙粒会在压差的作用下自动掺入水流，形成了挟沙水流，在试验段喉口部位，过流断面最小，挟沙水流流速达到最大值，出现负压，发生强空化，固定在喉口后扩散段的混凝土试件将受到挟沙水流冲磨与空蚀的混合作用，调节水流速度至试验要求进行试验；
(3)试验达到规定的时间后，称量冲磨与空蚀混合作用后试件的质量，根据质量差、作用面积和作用时间计算蚀损率。
本发明具有如下优点：
(1)利用装置内的压力分布特征，在高压***内压差的作用下实现自动加沙，形成挟沙水流，不需要额外动力；
(2)本装置在冲磨空蚀发生位置之前形成挟沙水流，之后沙粒迅速沉淀，有效避免了对装置其他部位的磨损。
附图说明
图1为水工混凝土冲磨与空蚀混合作用试验装置的正视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
水工混凝土冲磨空蚀混合作用试验方法，根据流速越高压力越低的水力学伯努利原理，在缩放型空蚀发生器的基础上，增加自动加沙装置，在加沙桶内沙体的顶部和底部形成压力差，实现高压***内压力差作用下的自动加沙，在喉口前形成高速挟沙水流，挟沙水流至喉口部位时，流速达到最大值，出现负压，发生强空化，固定在喉口后扩散段的试件将受到挟沙水流冲磨与空蚀的双重作用，试验段后挟沙水流通过沉沙池将水沙分离，水体流入水库循环，沙粒回收重复利用。
水工混凝土冲磨空蚀混合作用试验方法，采用多级增压离心泵为整个试验装置供水，水流进入稳压箱1，稳压箱1一端渐缩与试验段2相连，稳压箱顶部通过连通管3与加沙桶4相连，加沙桶顶部设置桶盖5，桶内为试验用沙6，侧壁设置观察窗7，桶盖顶设置排气管8用于排出***内的气体，加沙桶通过输沙管9与试验段喉口10前的收缩段相接，输沙管中间布置阀门11控制加沙量，混凝土试件12固定于试验段喉口后扩散段，试验段后接尾水控制阀门13，然后水流进入沉沙池14，最后水流回水库形成循环，试验段前后采用压力表15监测***内压力。
试验前，打开加沙桶桶盖向桶内加入试验用沙，并通过侧壁观察窗观察加沙量，桶盖与加沙桶之间采用金属垫片和螺栓密封，将称量初始质量后的混凝土试件装入试件槽，随后进行密封，开启动力装置为***供水，通过试验段前后的压力表观察***压力，打开加沙桶顶的排气管排出***内气体，由于稳压箱和试验段断面流速相差较大，加沙桶顶和输沙管末端存在较大的压力差，打开输沙管控制阀门，沙粒会在压差的作用下自动掺入水流，形成了挟沙水流，在试验段喉口部位，过流断面最小，挟沙水流流速达到最大值，出现负压，发生强空化，固定在喉口后扩散段的混凝土试件将受到挟沙水流空蚀和冲磨的双重作用。调节水流速度至试验要求进行试验，试验达到规定的时间后，称量冲磨和空蚀共同作用后试件的质量，根据质量差、作用面积和作用时间计算蚀损率。

Claims (2)

1.水工混凝土冲磨与空蚀混合作用试验方法，其特征在于：根据流速越高压力越低的水力学伯努利原理，在缩放型空蚀发生器的基础上，增加自动加沙装置，在加沙桶内沙体的顶部和底部形成压力差，实现高压***内压力差作用下的自动加沙，在喉口前形成高速挟沙水流，挟沙水流至喉口部位时，流速达到最大值，出现负压，发生强空化，固定在喉口后扩散段的试件将受到挟沙水流冲磨与空蚀的双重作用，试验段后挟沙水流通过沉沙池将水沙分离，水体流入水库循环，沙粒回收重复利用。
2.如权利要求1所述的水工混凝土冲磨与空蚀混合作用试验方法，其特征在于：试验装置包括动力***、稳压箱、自动加砂装置、试验段和沉砂池，动力***采用三相电机驱动多级增压离心泵为整个装置供水，水流经进水管系进入稳压箱，稳压箱一端接试验段，顶部通过连通管与加砂桶相连，加砂桶与试验段喉口前的收缩段相接，试验段后接沉砂池，最后水流回水库形成循环，具体设计要求如下：
(1)动力***采用三相电机驱动多级增压离心泵为整个装置供水，电机额定功率120kW以上，多级增压离心泵的工作水头200m以上、额定流量60L/s以上；
(2)自动加沙装置主要由沙桶、盖板、排气管、观察窗、输沙管和控制阀门组成，沙桶顶部与稳压箱相连，输沙管与试验段喉口前的收缩段相连，由于稳压箱断面尺寸较大，箱内水流流速较低，静压较大，待水流到达试验段，断面尺寸迅速减小，水流流速显著增大，静压减小，因此，沙桶顶部压力将明显大于输沙管出口压力，在上下压差的作用下，沙粒被自动吸入水中，形成挟沙水流；
(3)试验段包括收缩段、试件槽和扩散段，试验段前后采用压力表监测***内压力，喉口后压力对空蚀状态影响较大，因此采用阀门进行调节，以达到强空蚀状态，试件固定于试件槽内，表面将受到挟沙强空化水流的冲磨与空蚀混合作用；
(4)沉沙池采用较大断面尺寸以降低断面流速，使沙粒沉淀，以防沙粒进入水库，同时可以测量水流的含沙量，以便控制试验工况。
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