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本文在国家自然科学基金项目(51979126、51579117)和国家留学基金委公派联合培养博士生项目的资助下展开工作。
我国河流分布广阔，水资源丰富，随着生态环境被破坏，水土流失严重，造成江河流域含沙量高，严重威胁沿河流域水力机械的机组效率及使用寿命。一方面带有动能的固体颗粒不停的冲击、切削过流部件表面，引发固体颗粒对零部件造成的磨损现象，另一方面，流体在低压处形成的空泡在高压区破裂，释放出巨大的能量和冲击波，对过流部件表面造成空蚀破坏；这些对过流部件表面造成的破坏现象称为磨蚀，它包括水流中固体颗粒直接造成的磨损和空泡溃灭引起的空蚀两种不同的破坏过程，形成机理十分复杂。含沙水条件下，磨损与空蚀相伴而生并相互影响，其破坏的特征既有空蚀痕迹又有磨损的痕迹，很难区分。为研究空化空蚀及磨蚀的形成机理，基于水洞的设计方法，改进了卢布尔雅那大学机械工程学院的空化试验台，设计添加了收缩段及扩散段；为了满足磨蚀试验的试验条件，设计了防沉降系统、冷却系统以及文丘里喷嘴流量计。基于反射原理，设计并搭建了获取空蚀图像的光路系统。进而对空化空蚀相互关系以及含沙水文丘里管表面磨蚀的形成机理进行了试验研究和数值计算。本文主要工作及创新点如下：
1.基于水洞的设计方法，改进了空化试验台。设计并添加了扩散段、收缩段、文丘里喷嘴流量计，冷却系统、防沉降系统等。对文丘里喷嘴的流出系数C进行了校准，实测文丘里喷嘴的流出系数(C=0.952615)与计算得出的结果(C=0.96111)的相对百分比为0.9%。
2.基于反射原理，设计并搭建了获取蚀坑图像的光路系统。该系统由电源、光源、分束镜及相机等部分组成；一方面，光源透过分束镜将光线投射到试件表面，另一方面，从试件表面反射的光又通过分束镜反射到相机，解决了光源与试件同轴时对拍摄带来巨大干扰的问题，实现了蚀坑图像的拍摄。
3.基于LabVIEW平台，结合空蚀图像特点，开发了一套获取蚀坑数量及分布的图像处理程序。采用VIVision图像处理功能，先通过局部阈值分割(Local Thresholding)对图像进行分割，而后通过形态学处理对图像进行多次的腐蚀(Erode)和膨胀(Dilate)，去除噪声颗粒，最后通过颗粒分析(Particle Analysis)模块对获得的颗粒进行分析检测。解决了因流体的冲击以及空泡的冲刷和溃灭对图像背景产生的干扰问题。经过结果验证，本程序处理图片的蚀坑清晰，识别率达98.4%。基于Matlab平台，对高速相机获得的空化图像进了平均值及标准方差运算，通过图片处理方式预测空蚀发生的位置。研究结果表明：相对于平均值法，标准差法得到的结果更能准确预测试件表面空蚀的位置分布，与试件表面蚀坑位置更加吻合。
4.基于改进的试验台，以空化数1.22为试验条件，选取粒径分别为0mm、0.023mm、0.046mm及0.063mm沙粒为研究对象，浓度分别为25kg/m3、50kg/m3、75kg/m3等10种方案对磨蚀形成机理进行试验研究。结果表明：(1)空蚀与磨损有很强的联合作用，此联合作用为流体粘度与颗粒磨损的综合表现。(2)不同的颗粒粒径与不同的浓度进行配比，可以造成与空蚀质量损失一致的结果。
5.首次开展了文丘里管空化流的声速及马赫数的数值分析，并研究了液体粘度对空泡最大长度及脱落频率的影响：结果表明空泡内部区域的音速最小，其值为4.32m/s，远远低于声音在水中的传播速度340m/s，声速所形成的“核”区域大于空泡的体积，文丘里管内绝大部分区域的马赫数小于1，属于亚音速流动，马赫数最高的区域位于喉部附近的空泡核内，最高值达到7马赫，属于高可压缩状态。随着流体粘度的增大，空泡的最大长度减小；空泡最大脱落频率为44.1Hz，发生在粘度最大时，最小脱落频率为43.1Hz，两者的相对百分比为2.3%。
6.采用DPM模型对文丘里管内含沙水固液两相流进行模拟计算，采用McLaury磨损模型对文丘里管试件表面的磨损分布进行数值计算，研究文丘里管内不同粒径(0.023mm、0.046mm、0.063mm)、不同浓度(25kg/m3、50kg/m3、75kg/m3)以及不同的粘度(1.003 mPa·s、1.16 mPa·s、1.24 mPa·s、1.46 mPa·s、2.37 mPa·s、2.51 mPa·s、6.40 mPa·s)对试件表面磨损分布的影响，结果表明：(1)同一粒径条件下，随着颗粒浓度的增加，试件表面磨损率逐步增大。磨损的分布主要在靠近文丘里管喉部壁面处的两侧。(2)随着颗粒浓度的增大，磨损的平均值与最大值均逐步增大，相比于颗粒浓度，颗粒粒径对磨损的影响占主导地位。
7.考虑颗粒粒径、浓度以及液体粘度对结果的影响，在空化数为1.22时，对文丘里管含沙水发生空化时的汽、液、固三相进行了数值计算，结果表明：(1)相同粒径及相同浓度下，空泡的长度随着粘度的增大逐渐减小；颗粒粒径、浓度及液体的粘度对空泡的脱落频率无显著影响，最大及最小空泡脱落频率分别为43.67Hz与42.8Hz。(2)同一粒径下，随着颗粒浓度的增大，试件表面的磨损增大；同一浓度条件下，随着粒径的增大，磨损率增大。(3)在不同粘度条件下，粒径越小，粘度对磨损的结果影响越大，粒径越大，粘度对磨损影响的权重降低。
我国河流分布广阔，水资源丰富，随着生态环境被破坏，水土流失严重，造成江河流域含沙量高，严重威胁沿河流域水力机械的机组效率及使用寿命。一方面带有动能的固体颗粒不停的冲击、切削过流部件表面，引发固体颗粒对零部件造成的磨损现象，另一方面，流体在低压处形成的空泡在高压区破裂，释放出巨大的能量和冲击波，对过流部件表面造成空蚀破坏；这些对过流部件表面造成的破坏现象称为磨蚀，它包括水流中固体颗粒直接造成的磨损和空泡溃灭引起的空蚀两种不同的破坏过程，形成机理十分复杂。含沙水条件下，磨损与空蚀相伴而生并相互影响，其破坏的特征既有空蚀痕迹又有磨损的痕迹，很难区分。为研究空化空蚀及磨蚀的形成机理，基于水洞的设计方法，改进了卢布尔雅那大学机械工程学院的空化试验台，设计添加了收缩段及扩散段；为了满足磨蚀试验的试验条件，设计了防沉降系统、冷却系统以及文丘里喷嘴流量计。基于反射原理，设计并搭建了获取空蚀图像的光路系统。进而对空化空蚀相互关系以及含沙水文丘里管表面磨蚀的形成机理进行了试验研究和数值计算。本文主要工作及创新点如下：
1.基于水洞的设计方法，改进了空化试验台。设计并添加了扩散段、收缩段、文丘里喷嘴流量计，冷却系统、防沉降系统等。对文丘里喷嘴的流出系数C进行了校准，实测文丘里喷嘴的流出系数(C=0.952615)与计算得出的结果(C=0.96111)的相对百分比为0.9%。
2.基于反射原理，设计并搭建了获取蚀坑图像的光路系统。该系统由电源、光源、分束镜及相机等部分组成；一方面，光源透过分束镜将光线投射到试件表面，另一方面，从试件表面反射的光又通过分束镜反射到相机，解决了光源与试件同轴时对拍摄带来巨大干扰的问题，实现了蚀坑图像的拍摄。
3.基于LabVIEW平台，结合空蚀图像特点，开发了一套获取蚀坑数量及分布的图像处理程序。采用VIVision图像处理功能，先通过局部阈值分割(Local Thresholding)对图像进行分割，而后通过形态学处理对图像进行多次的腐蚀(Erode)和膨胀(Dilate)，去除噪声颗粒，最后通过颗粒分析(Particle Analysis)模块对获得的颗粒进行分析检测。解决了因流体的冲击以及空泡的冲刷和溃灭对图像背景产生的干扰问题。经过结果验证，本程序处理图片的蚀坑清晰，识别率达98.4%。基于Matlab平台，对高速相机获得的空化图像进了平均值及标准方差运算，通过图片处理方式预测空蚀发生的位置。研究结果表明：相对于平均值法，标准差法得到的结果更能准确预测试件表面空蚀的位置分布，与试件表面蚀坑位置更加吻合。
4.基于改进的试验台，以空化数1.22为试验条件，选取粒径分别为0mm、0.023mm、0.046mm及0.063mm沙粒为研究对象，浓度分别为25kg/m3、50kg/m3、75kg/m3等10种方案对磨蚀形成机理进行试验研究。结果表明：(1)空蚀与磨损有很强的联合作用，此联合作用为流体粘度与颗粒磨损的综合表现。(2)不同的颗粒粒径与不同的浓度进行配比，可以造成与空蚀质量损失一致的结果。
5.首次开展了文丘里管空化流的声速及马赫数的数值分析，并研究了液体粘度对空泡最大长度及脱落频率的影响：结果表明空泡内部区域的音速最小，其值为4.32m/s，远远低于声音在水中的传播速度340m/s，声速所形成的“核”区域大于空泡的体积，文丘里管内绝大部分区域的马赫数小于1，属于亚音速流动，马赫数最高的区域位于喉部附近的空泡核内，最高值达到7马赫，属于高可压缩状态。随着流体粘度的增大，空泡的最大长度减小；空泡最大脱落频率为44.1Hz，发生在粘度最大时，最小脱落频率为43.1Hz，两者的相对百分比为2.3%。
6.采用DPM模型对文丘里管内含沙水固液两相流进行模拟计算，采用McLaury磨损模型对文丘里管试件表面的磨损分布进行数值计算，研究文丘里管内不同粒径(0.023mm、0.046mm、0.063mm)、不同浓度(25kg/m3、50kg/m3、75kg/m3)以及不同的粘度(1.003 mPa·s、1.16 mPa·s、1.24 mPa·s、1.46 mPa·s、2.37 mPa·s、2.51 mPa·s、6.40 mPa·s)对试件表面磨损分布的影响，结果表明：(1)同一粒径条件下，随着颗粒浓度的增加，试件表面磨损率逐步增大。磨损的分布主要在靠近文丘里管喉部壁面处的两侧。(2)随着颗粒浓度的增大，磨损的平均值与最大值均逐步增大，相比于颗粒浓度，颗粒粒径对磨损的影响占主导地位。
7.考虑颗粒粒径、浓度以及液体粘度对结果的影响，在空化数为1.22时，对文丘里管含沙水发生空化时的汽、液、固三相进行了数值计算，结果表明：(1)相同粒径及相同浓度下，空泡的长度随着粘度的增大逐渐减小；颗粒粒径、浓度及液体的粘度对空泡的脱落频率无显著影响，最大及最小空泡脱落频率分别为43.67Hz与42.8Hz。(2)同一粒径下，随着颗粒浓度的增大，试件表面的磨损增大；同一浓度条件下，随着粒径的增大，磨损率增大。(3)在不同粘度条件下，粒径越小，粘度对磨损的结果影响越大，粒径越大，粘度对磨损影响的权重降低。