泥沙运动特征及其与水流的关系与区别

泥沙被水流挟持通过水轮机时，其运动必然要受到水轮机空间流道约束。从宏观现象观察，泥沙运动方向大体上与水流方向一致，但是泥沙本身作为刚体，还要受到本身惯性、接触碰撞，以及动量传递等多种因素的影响，从微观角度研究，泥沙运动则是复杂的瞬变运动。

如图9-1所示，是单颗泥沙瞬间运动的轨迹。在水轮机流道内，取直角坐标（x，y，z），并取其中任一泥沙颗粒，对其运动状况进行分析。

图9-1　单颗泥沙瞬时运动轨迹

设该颗粒的质量为Δm，起始位置A0，经过时间ti 后，运动到另一新位置Ai。

因受紊流脉动和碰撞的影响，泥沙颗粒一方面作跳跃式相对移动，另一方面又因其形状不规则，瞬间合力不通过重心，使其绕通过重心的轴线作旋转运动，即自转。对各个瞬时均可列出

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上式表示泥沙本身的运动是刚体运动，该运动与水流质点的运动既有关系，也有根本的区别。

针对水电站具体的运行机组，用基本方程式来分析

当水轮机在汛期多沙水质下运行时，其作用在水轮机转轮叶片上的反击力是由水流微团与泥沙联合产生的。

因固相沙粒质点的运动惯性大，无法像清水微团那样任意剪切变形，因此其对流道的适应性较差，沙粒经过同一蜗壳和导叶时往往不能满足所需要的进口环量Vu1水，因Vu1沙<Vu1水，而且叶片不易使沙粒产生圆周方向的动量变化，出口处的Vu2沙>Vu2水，使出口处的损失增大。

泥沙因其沙粒比重不同而惯性不同，不仅表现在超前或滞后于水流质点速度，引起沙粒纷纷从流线上脱离，从而把水流分割成不连续的两相流动；而且沙粒间的碰撞摩擦及本身几何形状不规则所产生的转动，会严重干扰水流质点的流动，使流道内原有流速和压力分布发生变化，特别是在高速情况下，每颗沙粒的旋转都会加剧水流脉动，是形成漩涡和消耗压能的根源，导致水轮机输出功率下降，其水力效率也下降，即ηs两相流<ηs清水流。故浑水含沙量越多，水轮机效率越低，此时应通过更多的流量才能保证发出同样的功率，所以通常浑水速度值相应地变大，而压力值变小，极易出现局部汽蚀。