單凹槽形態混凝土壁面抗風蝕磨損研究

湯潤超,陳善群,廖 斌,張龍珠

(安徽工程大學 建筑工程學院，安徽 蕪湖 241000)

混凝土作為一種常見的建筑材料，廣泛應用于生產生活之中。隨著高層、超高層建筑的普及，風蝕作為混凝土長期服役過程中不可避免的問題，不但影響混凝土結構整體的美觀，嚴重時甚至會引發漏筋等質量問題。風蝕防治的研究具有顯著的工程實際指導意義，理應得到足夠的重視。

20世紀50年代起，學者們研究發現風蝕問題來源于氣流和被氣流裹挾的沙粒對壁面的吹蝕和磨損，其中沙粒對壁面的撞擊作用是壁面破壞的直接原因，而沙粒撞擊壁面的角度和動能依賴于氣流。典型的研究有：Shedlon[1]通過粒子沖蝕實驗，提出了低沖蝕角度下的微切削理論和高沖蝕角度下的沖擊破壞脆性材料斷裂理論。Goretta[2]研究了固體顆粒對混凝土的沖蝕影響，發現沖蝕損失質量隨固體顆粒質量增大而增大，兩者線性相關。同時，混凝土的沖蝕量與沖蝕角度也存在一定關聯。Momber[3-4]采用噴砂法研究多種混凝土的磨損性能。研究發現僅考慮抗壓強度并不能充分體現混凝土的抗沖蝕性能，應考慮粗骨料的影響；對于水泥基材料而言，還需要考慮水泥基體與骨料之間界面的影響。

王彥平[5]等采用氣流挾砂噴射法研究混凝土的風蝕機理。研究發現，混凝土材料的風蝕特性符合脆性材料特征且隨著沖蝕時間的增加，沖蝕率呈現下降趨勢。郝贠洪[6]等在沖蝕實驗中發現了類似現象，并指出當沖蝕造成風蝕坑時，風蝕將主要在風蝕坑內部發育，外部產生新的風蝕坑的幾率降低。這些研究成果表明非光滑壁面具有獨特的風蝕性能，而自然界中存在著眾多生物實例。Werner Baumgartne[7-8]等人采用電子顯微鏡對砂魚蜥蜴的鱗片進行觀測，發現其體表鱗片凹坑具有極高的抗風蝕能力。張雪鵬[9]借鑒沙漠蜥蜴的凹坑表皮，采用大渦模擬研究凹坑壁面流場形態，發現凹坑具有局部分流并對主流施加向上速度分量的作用。閆國慶[10]對沙漠紅柳進行研究，通過生理學分析和抗風沙沖蝕性實驗，表明沙漠紅柳亦采用相似的思路來抵抗風沙的侵蝕。

目前，在工程應用中通常采用改良配合比[11-12]或覆蓋保護涂層[13-14]的方法防治風蝕，但這兩種方法都是從強化材料性能入手，經濟成本較高。如何節約成本并降低混凝土的風蝕影響，是一個頗有挑戰性的研究工作。

鑒于此，基于結構表層形態優化思路，依托混凝土結構中常見凹槽的工程背景并考慮到單凹槽形態較多凹槽形態具有過程易控干擾較小的優點，采用DPM離散相模型對不同沖蝕角度條件下單凹槽形態混凝土壁面的風蝕問題進行研究。通過與光滑壁面的風蝕速率進行對比，論證凹槽壁面的抗風蝕性能并判定沖蝕角度的適用范圍。同時從風向、風速及壁面剪應力分布三個方面進行剖析，研究凹槽壁面和光滑壁面風蝕分布的差異。

1 計算模型

1.1 計算域

考慮到光滑壁面和凹槽壁面置于同一流場中進行抗風蝕考察具有更好的可比性，同時還能減小系統誤差以及一定程度上節約計算資源,選取計算域模型如圖1所示。由圖1可知，風沙入口面的尺寸為200 mm×600 mm×100 mm，光滑壁面與凹槽壁面間隔600 mm，兩壁面均長100 mm。凹槽壁面的凹槽布設在壁面中部，半徑為3 mm。

鑒于混凝土發生風蝕時，性能接近脆性材料特征，參考王彥平[5]等的研究思路，設置不同的沖蝕角度，用于研究風沙微切削和沖擊破壞作用下光滑壁面與凹槽壁面的抗風蝕性能，從而判定沖蝕角度對壁面抗風蝕性能的影響。基于以上考慮，研究特意將光滑壁面與凹槽壁面設置成具有相同傾斜角度對稱布置在計算域的風沙出口附近，這樣既保證沖蝕氣流得到充分發展，又盡可能使得兩壁面流場分布近乎相同。沖蝕角度由凹槽壁面或光滑壁面與沖蝕氣流角度決定，數值為30°～90°。為盡可能詳盡研究沖蝕角度對壁面抗風蝕性能的影響，選取5種沖蝕角度工況，分別為30°、45°、60°、75°以及90°。

圖1 計算域示意圖

1.2 求解方法和計算設置

(1)離散方法：空間離散格式為基于SIMPLEC算法的二階迎風格式，具有二階精度；時間離散格式為非穩態二階迎風格式；

(2)計算模型：采用RNG k-ε湍流模型+DPM離散相模型；

(3)流體：采用理想空氣作為介質，密度1.225 kg/m3，運動粘度1.789 4×10-5kg/ms；

(4)DPM邊界條件：風沙入口選取速度入口，速度設定26 m/s。風沙出口采用自由出流。凹槽壁面與平滑壁面粗糙高度為2 mm。壁面材料密度2 400 kg/m3，壁面反彈恢復系數取0.6[15]；

(5)DPM粒子設置：粒子射入速度26 m/s，方向平行于X軸。沖蝕光滑壁面與凹槽壁面的流量質量63 g/min，粒子直徑0.25 mm，密度2 650 kg/m3，沖蝕時間取3 min，與王彥平[5]等沖蝕實驗的研究參數一致。采用瞬態計算方法，每一次時間步長進行一次粒子追蹤，并統計壁面侵蝕程度，沖蝕速率計算公式：

(1)

式中，Rerosion為壁面沖蝕速率；Nporticle為粒子項；mp為流量質量；C(dp)為顆粒粒徑函數；f(a)為沖擊角函數；b(v)為顆粒相對速度函數；Aface為壁面面積；V為顆粒相對速度。

2 計算結果與分析

2.1 模型可靠性驗證

以王彥平[6]等的100 mm×100 mm×100 mm規則六面體試塊沖蝕實驗結果為參考，驗證數值方法對光滑壁面抗風蝕性能的數值計算結果，進而驗證所用數值模型的可靠性，對比結果如圖2所示。從圖2中可以得知，在不同的沖蝕角度下，數值解與實驗解吻合良好，兩者的發展趨勢亦基本一致：沖蝕角度為30°時，沖蝕量最低;而沖蝕角度為90°時，沖蝕量最大;沖蝕量與沖蝕角度呈近似線性關系。以上結果表明，研究采用的數值模型能夠較好地反應混凝土材料的風蝕特性，計算結果具有較高的可信度。

圖2 光滑壁面沖蝕速率數值解和實驗解對比圖

2.2 風蝕速率

不同沖蝕角度下，光滑壁面與單凹槽壁面的沖蝕速率如表1所示。由表1可知，沖蝕角度為30°和45°時，光滑壁面風蝕速率低于凹槽壁面，而沖蝕角度為60°，75°和90°時，光滑壁面的風蝕速率高于凹槽壁面。低沖蝕角度的數模結果表明，凹槽壁面的抗風蝕性能劣于光滑壁面，與張拓[16]等所用平磨法的實驗研究結果相一致，而高沖蝕角度的數模結果則與之相悖。這種現象產生原因是沖蝕角度的變化和混凝土材料的風蝕特性：混凝土是一種高硬度、低韌性的脆性材料，而沙粒對壁面的剪應力根據速度方向分為垂直應力及橫向應力。在低沖蝕角度時，垂直于壁面的速度分量較小而平行于壁面的速度分量較大，沙粒對壁面的破壞作用主要是微切削作用。受混凝土材料高硬度的影響，此時壁面質量損失較小。隨著沖蝕角度的增大，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減小，沙粒對壁面的破壞作用轉換為沖擊作用。受混凝土材料低韌性的影響，壁面質量損失顯著增加。凹槽對氣流的擾動作用使得被氣流裹挾的沙粒沖擊壁面的角度產生變化，如圖3、圖4所示。在低沖蝕角度(30°)時，沙粒撞擊壁面的角度α1大于α2，凹槽面垂直于壁面的速度分量較大，所受垂直應力較多。在高沖蝕角度(75°)時，沙粒撞擊壁面的角度β1小于β2，凹槽面平行于壁面的速度分量占比大于光滑面，更易受平行應力的影響。因此，凹槽壁面的抗風蝕性能(較光滑壁面)隨著沖蝕角度的增加，呈現出上升的趨勢。

表1 風蝕速率計算結果

圖3 凹槽壁面和光滑壁面沙粒運動軌跡圖(風蝕角度30°)

圖4 凹槽壁面和光滑壁面沙粒運動軌跡圖(風蝕角度75°)

2.3 風蝕分布

微切削作用(風蝕角度30°)和沖擊破壞作用(風蝕角度75°)下，凹槽壁面和光滑壁面的風蝕分布分別如圖5、圖6所示。觀察兩幅圖可知，相比較光滑壁面，凹槽壁面的風蝕分布具有顯著差異，較多發生于凹槽區域，尤其是氣流進入和流出凹槽的附近區域，同時其余區域的風蝕現象得到不同程度的改善，與郝贠洪[7]等在沖蝕實驗中發現的現象相吻合。

圖5 凹槽壁面和光滑壁面風蝕分布圖(風蝕角度30°)

圖6 凹槽壁面和光滑壁面風蝕分布圖(風蝕角度75°)

2.4 風速和風向

凹槽壁面和光滑壁面的近壁面流場分布如圖7所示。從圖7中可以看出，凹槽的布設對近壁面流場產生了顯著影響。在流向方面，氣流在光滑壁面流動較為均勻，而在凹槽壁面出現分流現象，即凹槽內形成了一個渦。該渦持續對主流施加影響，具體表現在主流流經凹槽后有一個明顯向上抬起的運動趨勢。在流速方面，布設凹槽的影響體現在兩個方面：一方面，分流現象的發生使得流入凹槽的部分氣流的運動方向與主流不再平行，動能補充受到制約，流速顯著下降；另一方面，該部分氣流在凹槽位置形成渦，該渦發揮了類似于氣墊的效果，使得主流向上發生抬升，產生內耗，減弱了氣流的動能，降低了氣流的流速。因此，氣流在光滑壁面的流速變化較為平緩，而在凹槽壁面流速變化較為劇烈。

圖7 凹槽壁面和光滑壁面近壁面流場圖

2.5 壁面剪應力

壁面剪應力沿程變化曲線圖(風蝕角度30°)如圖8所示。壁面剪應力沿程變化曲線圖(風蝕角度75°)如圖9所示。由圖8、圖9可知，凹槽對氣流的擾動作用影響了沙粒運動的軌跡。比較光滑壁面的剪應力分布，凹槽壁面的剪應力分布在凹槽處呈現先驟減后激增的趨勢且凹槽內部的剪應力數值較低。產生這種現象的原因是：氣流的動能是沙粒運動能量的唯一來源，當氣流流經凹槽發生分流現象時，沙粒被氣流裹挾撞擊凹槽，在氣流流入凹槽區域施加較大的剪應力；當氣流在凹槽內部運動時，由于流入凹槽的這部分氣流流動方向與主流不平行，動能補充受到極大制約，因此沙礫沖蝕壁面的動能亦受到影響，隨氣流流動距離的增加而不斷降低且處于較低水平；當氣流流出凹槽時，沙礫在出口位置與壁面發生二次碰撞，導致壁面剪應力數值迅速回升。其余區域，尤其是凹槽后方區域，氣流因受凹槽擾動影響，流向向上發生偏轉，流速相對較慢，壁面所受剪應力有所降低。隨著氣流逐步遠離凹槽，擾動作用減弱，從而使得壁面剪應力逐步回升。

圖8 壁面剪應力沿程變化曲線圖(風蝕角度30°) 圖9 壁面剪應力沿程變化曲線圖(風蝕角度75°)

3 結論

選用RNG k-e模型結合DPM離散相，建立了一種用于模擬混凝土風蝕的數值模型，探究了凹槽布設對混凝土壁面風蝕問題的影響，重點研究了凹槽壁面的適用攻角和風蝕分布，得出了結論：數值模擬結果符合混凝土脆性材料的風蝕特性，且發展趨勢同實驗結果吻合良好，模擬結果具有可靠性。隨著沖蝕角度的增大，凹槽壁面的抗風蝕性能總體呈現出上升趨勢。在低沖蝕角度下，凹槽壁面的抗風蝕性能劣于光滑壁面，在高沖蝕角度下，凹槽壁面的抗風蝕性能則優于光滑壁面。布設凹槽使得風蝕分布出現顯著差異，較多分布于凹槽區域，尤其是氣流進入和流出凹槽的位置，而其他區域風蝕得到不同程度的緩解。