PVC球閥對山地灌溉管道水錘特性的影響

周晉軍，呂宏興，石 喜，朱德蘭,2，周美林，王家琪

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 中國旱區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水研究院，陜西 楊凌 712100)

近年來，隨著灌溉技術(shù)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)高效用水的推廣，微灌技術(shù)不斷普及，PVC管材由于質(zhì)量輕、耐腐蝕性強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢，已經(jīng)在微灌工程中大量使用，例如PVC球閥因具有水頭損失小、啟閉靈活等特點(diǎn)而在微灌工程管網(wǎng)中得以廣泛使用。球閥作為一種閥門，主要用以調(diào)節(jié)和控制流體，在特殊情況下用來截?cái)嗔黧w，在實(shí)際工況下球閥處于局部開啟或關(guān)閉狀態(tài)，其阻力性能不同于全開啟狀態(tài)，此時球閥的阻力性能會對響管網(wǎng)的水力性能產(chǎn)生一定影響；特別是在山地灌溉管網(wǎng)中，球閥的開啟狀態(tài)對灌溉管道凸起部位的水流特性、水擊壓力變化等產(chǎn)生影響。因此有必要研究灌溉管網(wǎng)中球閥啟閉對管道水力性能、水擊特性等規(guī)律的影響。

國內(nèi)外專家和學(xué)者對各種閥門的性能及其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了大量試驗(yàn)和研究。戴家齊[1]探討了石油管道閥門的開閉速度，對傳動裝置設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)意見。黃明亞[2]、鄔佑靖[3]和孫麗等[4]研究分析了國內(nèi)外閥門的行業(yè)現(xiàn)狀、技術(shù)現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。袁新明等[5]對閥門流道流場進(jìn)行了數(shù)值模擬及阻力特性研究。鄧海英等[6]研究確定了供水管網(wǎng)在事故時的閥門關(guān)閉方案；高紅等[7]模擬研究了球閥閥口氣穴流場。伍悅濱等[8]研究了給水管網(wǎng)中的閥門阻力；萬五一等[9]研究了閥門系統(tǒng)的過流特性及其對瞬變過程的影響。沈新榮等[10]通過數(shù)值分析與試驗(yàn)研究，分析了調(diào)節(jié)型球閥的流量特性；陳軼杰等[11]分析了減振器節(jié)流閥片對閥門水擊力的影響。賀小峰等[12]研究了球閥閥口的流量特性；蔡標(biāo)華[13]采用仿真與試驗(yàn)方法，對艦船首尾移水系統(tǒng)水錘特點(diǎn)進(jìn)行了研究。石喜等[14]采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了PVC球閥的水流阻力特性及流動規(guī)律。Park等[15]利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了蝶閥的性能系數(shù)。Schmidt等[16]用數(shù)值模擬的方法研究了高壓安全閥的水力性能。Fu等[17]研究了閥門可壓縮氣流流量性能。

目前，關(guān)于閥門的研究主要集中在閥門本身水力性能、阻力特性以及閥口流場水力性能等方面，關(guān)于閥門啟閉對有壓輸水管道水錘特性影響的研究較少，更少有針對灌溉輸水管道在事故等突發(fā)情況下閥門關(guān)閉對水錘特性影響的報道。由于灌溉管道大都采用PVC管材，相比城市供水輸水管網(wǎng)采用的鋼管，灌溉用PVC管材承受最大正壓力和最小負(fù)壓力的能力均較小，因此本研究對灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)閥門快速關(guān)閉時管道的水錘壓力特性進(jìn)行了研究，以期為灌溉輸水管道在事故突發(fā)狀態(tài)下的運(yùn)行管理提供參考。

1 水柱分離的判斷和斷流彌合水錘的計(jì)算

在有壓管路中，某處的絕對壓力低于水的汽化壓力時便會發(fā)生水柱分離，特別是在管路的凸起部位、駝峰、向上拐點(diǎn)處等，水柱分離現(xiàn)象更容易發(fā)生。

對長距離輸水管道，特別是山地灌溉管道，復(fù)雜多變的地形條件往往使管道出現(xiàn)凸起部位，在事故停泵、閥門緊急關(guān)閉等工況下極易發(fā)生斷流彌合水錘。在用特征線法求解管道瞬變流引發(fā)的水錘時，應(yīng)該考慮水柱分離和再彌合因素;用特征線法求解液體瞬變流問題時，對于任何一個網(wǎng)格內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，如截面j(圖1)，沿特征線的差分方程為：

順波C+：HPj=CP-BQPj。

(1)

逆波C-:HPj=CM+BQPj。

(2)

圖1 簡單管道的距離-時間網(wǎng)格圖

式中：C+的邊界條件為管道上游端是水庫；C-的邊界條件為管道下游端是閥門；HPj為管道j斷面處的瞬時壓力；QPj為管道j斷面處的瞬時流量；j為x方向上任何一個網(wǎng)格交點(diǎn)；B為管道特性常數(shù)，B=a/gAj，其中a為水錘波的傳播速度，g為重力加速度，Aj為j斷面處的斷面面積；CP和CM為已知常數(shù)，按下式計(jì)算：

CP=Hj-1+BQj-1+RQj-1|Qj-1|。

(3)

CM=Hj-1-BQj-1-RQj-1|Qj-1|。

從每年全國征兵報名、應(yīng)征入伍的情況看，入伍人員存在男多女少的現(xiàn)象。常州五所高職院校的退役復(fù)學(xué)高職生中，男生占93.2%，女生僅占6.8%。這些退役復(fù)學(xué)高職生年齡普遍較大，一般比同年級或同班級的學(xué)生大2-3歲。而與他們同齡的高職生，要么已經(jīng)在畢業(yè)班就讀，要么已經(jīng)畢業(yè)走上了工作崗位。入伍參軍、退役求學(xué)，對退役復(fù)學(xué)高職生來說，是寶貴的人生經(jīng)歷。一方面，年齡偏大的退役復(fù)學(xué)高職生，由于有豐富的生活經(jīng)驗(yàn)和軍營閱歷，在關(guān)心和引導(dǎo)同學(xué)等方面，能夠起到示范作用，可以潛移默化地影響同學(xué)。另一方面，年齡偏大、獨(dú)特的軍營生活習(xí)慣、所在班級同學(xué)已經(jīng)穩(wěn)固的人際關(guān)系，也成為他們?nèi)谌胪瑢W(xué)群體、重新適應(yīng)大學(xué)生活的阻力[1]。

(4)

(5)

對于斷流彌合水錘，在水柱分離時，水體汽化成氣穴空腔，記為?c，計(jì)算公式如下：

?c=∑(Q-Qu)Δt。

(6)

式中：Q為Δt時間內(nèi)流出截面的平均流量，Qu為Δt時間內(nèi)流入截面的平均流量。

水柱重新彌合時，兩股水流撞擊形成的壓力升高值ΔH為：

(7)

2 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

圖2 灌溉管道水力特性試驗(yàn)系統(tǒng)布置圖

水力系統(tǒng)由直徑d=75 mm的PVC管和潛水泵、恒壓水箱、截止閥、球閥、回水渠等組成；計(jì)算機(jī)量測系統(tǒng)包括PC計(jì)算機(jī)(北京阿爾泰科技發(fā)展公司)、電磁流量計(jì)(IFM4080K型)、壓力傳感器(BSCYG9010型)、溫度計(jì)等。試驗(yàn)水溫為18 ℃，運(yùn)動黏度為1.067×10-6m2/s。試驗(yàn)時由潛水泵將地下水庫的水抽送至恒壓水箱，水箱底高出管道所在地面5 m，由截止閥來控制管道流量，由電磁流量計(jì)量測實(shí)時流量。在凸起段及其前后裝有精度為±0.1%的硅壓阻壓力傳感器，以實(shí)時監(jiān)測管道壓力(試驗(yàn)前對每個傳感器進(jìn)行標(biāo)定，其線性相關(guān)系數(shù)均≥0.999)。傳感器信號由裝有PC18602型數(shù)據(jù)采集儀的PC計(jì)算機(jī)采集，為保證采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，所用電源為穩(wěn)壓電源。

試驗(yàn)中裝有4個球閥，5個壓力傳感器。為了便于描述，將圖2中傳感器P1、P2、P3、P4、P5所在管段依次命名為坡前段、上坡段、坡頂段、下坡段、坡后段。為了準(zhǔn)確記錄球閥關(guān)閉時間，特在球閥上安裝角位傳感器，通過標(biāo)定，將電壓值轉(zhuǎn)化為角度值，測定數(shù)據(jù)由PC計(jì)算機(jī)采集。壓力傳感器和角位傳感器的安裝見圖3。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)中壓力傳感器(A)、角位傳感器(B)安裝實(shí)景圖

試驗(yàn)中球閥1、2、3、4關(guān)閉試驗(yàn)分別在流量2.92，4.07，5.04，6.12，7.18，8.18和9.09 L/s時進(jìn)行，每個傳感器在每個流量下進(jìn)行多次試驗(yàn)，最終選擇球閥1、2、3、4關(guān)閉時間差在±0.01 s內(nèi)的4組數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。關(guān)閉時間通過角位傳感器來記錄。為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，試驗(yàn)中最大水錘壓力是10個最大水錘壓力的平均值，單位用水柱高度(m)表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同流量下球閥快速關(guān)閉時水錘壓力最大值的變化

圖4-a,b,c,d依次為球閥1、2、3、4快速關(guān)閉時(球閥1、2、3、4的關(guān)閉時間依次為0.80，0.81，0.82，0.81 s)管道坡前段、上坡段、坡頂段、下坡段、坡后段水錘壓力最大值隨流量的變化趨勢。從圖4-a,b,c,d可以看出，隨著管道內(nèi)流量的增大，球閥快速關(guān)閉時凸起部位各管段的水錘壓力最大值均隨之增大，但球閥1、2關(guān)閉時水錘壓力最大值大于球閥3、4關(guān)閉時的水錘壓力最大值。圖4-a顯示，球閥1快速關(guān)閉時，不同流量下以坡前段的水錘壓力最大，上坡段次之，坡頂段、下坡段和坡后段較?。粓D4-b顯示，球閥2快速關(guān)閉時，不同流量下坡前段水錘壓力最大，上坡段次之，坡頂段、下坡段和坡后段較小；圖4-c表明，球閥3快速關(guān)閉時，不同流量下坡后段水錘壓力最大，下坡段次之，坡頂段、上坡段和坡前段較??；而圖4-d表明，球閥4快速關(guān)閉時，不同流量下坡后段水錘壓力最大，下坡段次之，坡頂段、上坡段和坡前段較小。

圖4 球閥1(a)、2(b)、3(c)、4(d)快速關(guān)閉時凸起部位不同坡段最大水錘壓力與流量的關(guān)系曲線

3.2 相同流量下球閥關(guān)閉時水錘壓力的變化

圖5-a,b,c,d為流量7.18 L/s條件下球閥1、2、3、4快速關(guān)閉時，凸起部位坡前段、上坡段、坡頂段、下坡段、坡后段水錘壓力隨時間的變化趨勢。從圖5-a,b,c,d可以看出，球閥1、2、3、4快速關(guān)閉時，凸起部位坡前段、上坡段、坡頂段、下坡段和坡后段水錘壓力隨時間的變化規(guī)律一致。圖5-a,b顯示，球閥1、2快速關(guān)閉時，坡前段水錘壓力值最大；圖5-c,d顯示，球閥3、4快速關(guān)閉時，坡后段水錘壓力值最大。表明球閥1、2快速關(guān)閉時，其凸起部位水錘變化規(guī)律相類似，而球閥3、4快速關(guān)閉時，其凸起部位水錘變化規(guī)律相類似。從圖5還可以看出，球閥1、2快速關(guān)閉時，水錘壓力在波谷時均為負(fù)值，即管道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓；而球閥3、4快速關(guān)閉時，水錘壓力除在其最大值出現(xiàn)后的第1個波谷處出現(xiàn)極少數(shù)負(fù)值外，在其余波谷處水錘壓力均為正值。

圖5 球閥1(a)、2(b)、3(c)、4(d)快速關(guān)閉時凸起部位不同坡段水錘壓力隨時間的變化

3.3 球閥關(guān)閉時水錘壓力最大值出現(xiàn)坡段及水錘壓力變化規(guī)律分析

試驗(yàn)中球閥1、2布置在凸起部位的上游，球閥3、4布置在凸起部位的下游，分別量測坡前段、上坡段、坡頂段、下坡段、坡后段的5個壓力傳感器均布置在球閥1、2的下游和球閥3、4的上游。球閥1或球閥2關(guān)閉后，壓力傳感器處于關(guān)閉球閥的下游，管道中水流流出，同時空氣從管道出口進(jìn)入管道，隨著水流的繼續(xù)流出，空氣進(jìn)入管道的速度加快，但是坡前段和上坡段不會有空氣進(jìn)入，因此坡前段和上坡段水錘壓力最大值大于坡頂段、下坡段和坡后段(圖4-a,b)。在球閥關(guān)閉瞬間產(chǎn)生水柱分離，由于空氣的進(jìn)入，分離后的水柱重新彌合時相互撞擊力大大減小，水錘壓力迅速減小，直至壓力趨于0(圖5-a,b)。球閥3或球閥4關(guān)閉后，壓力傳感器處于關(guān)閉球閥的上游，管道水流流速在球閥3或者球閥4處突然變?yōu)?，水錘壓力波從球閥開始向上游傳播，中間要經(jīng)過凸起部位，直至上游恒壓水箱。水錘壓力波就在球閥與恒壓水箱間反復(fù)傳播，水錘壓力從第2個波峰起隨時間的變化規(guī)律類似于余弦曲線(圖5-c,d)。

4 結(jié) 論

通過試驗(yàn)與理論結(jié)合的方法，在不同流量下，對山地灌溉管道中凸起部位上游、下游球閥快速關(guān)閉時，凸起部位不同坡段的水錘壓力值、水錘壓力最大值的變化進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1)不同位置球閥快速關(guān)閉時，關(guān)閥前流量越大，凸起部位不同坡段的水錘壓力最大值均越大。

2)在關(guān)閥前管道內(nèi)流量相等，球閥關(guān)閉時間相同的前提下，凸起部位上游球閥關(guān)閉時水錘壓力最大值大于下游球閥關(guān)閉時的水錘壓力最大值。

3)關(guān)閥前管道內(nèi)流量相等的條件下，同一球閥關(guān)閉時凸起部位各管段水錘壓力變化規(guī)律相似。

4)在關(guān)閥前管道內(nèi)流量相等，球閥關(guān)閉時間相同的前提下，上游球閥快速關(guān)閉時凸起部位的水錘壓力遞減速率大于下游球閥關(guān)閉時的水錘壓力遞減速率。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 戴家齊.管道閥門開閉速度探討及對傳動裝置設(shè)計(jì)改進(jìn)意見 [J].石油管道技術(shù)，1980(1)：32-36.

Dai J Q.Discussion pipeline valves opening and closing speed and design improvements for transmission [J].Oil Pipeline Technology,1980(1)：32-36.(in Chinese)

[2] 黃明亞. 我國閥門行業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 [J].閥門，2002(1)：29-36.

Huang M Y.Present situation and tendency in development of China valve industry [J].Valve，2002(1)：29-36.(in Chinese)

[3] 鄔佑靖.管線球閥的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向 [J].閥門，2007(6)：22-29.

Wu Y J.The technical condition and development of pipeline ball valve [J].Valve，2007(6)：22-29.(in Chinese)

[4] 孫 麗，陳立龍.我國閥門行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 [J].機(jī)電工程，2009，26(10)：103-104.

Sun L,Chen L L.Current situation and development trends of the valve industry in China [J].Mechanical & Electrical Engineering Magazine,2009,26(10)：103-104.(in Chinese)

[5] 袁新明，毛根海，張土喬.閥門流道流場的數(shù)值模擬及阻力特性研究 [J].水力發(fā)電學(xué)報，1999(4)：60-66.

Yuan X M,Mao G H,Zhang T Q.The numerical simulation of flow field and resistance characteristics of valve pipe [J].Journal of Hydroelectric Engineering,1999(4)：60-66.(in Chinese)

[6] 鄧海英，趙宏斌，解 斌.供水管網(wǎng)事故時閥門關(guān)閉方案的確定 [J].中國給水排水，2000(6)：42-44.

Deng H Y,Zhao H B,Xie B.Determination of water supply pipeline accident valve closing scheme [J].China Water & Waste Water,2000(6)：42-44.(in Chinese)

[7] 高 紅，傅 新，楊華勇，等.球閥閥口氣穴流場的模擬與可視化研究 [J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2003，34(3):44-47.

Gao H,Fu X,Yang H Y,et al.Numerical simulation and visualization study of cavitating flow in hydraulic ball valve [J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2003,34(3):44-47.(in Chinese)

[8] 伍悅濱，曲世琳，張維佳，等.給水管網(wǎng)中閥門阻力實(shí)驗(yàn)研究 [J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，35(11)：1311-1313.

Wu Y B,Qu S L,Zhang W J,et al.Local head loss caused by valves in water distribution network [J].Journal of Harbin Institute of Technology,2003,35(11)：1311-1313.(in Chinese)

[9] 萬五一，練繼建，李玉柱.閥門系統(tǒng)的過流特性及其對瞬變過程的影響 [J].清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2005，45(9)：1198-1201.

Wan W Y,Lian J J,Li Y Z.Influence of valve system discharge coefficient on hydraulic transients [J].Journal of Tsinghua Univ:Sci &Tech,2005,45(9)：1198-1201.(in Chinese)

[10] 沈新榮，潘 康，單力鈞,等.調(diào)節(jié)型球閥流量特性的數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)研究 [J].流體傳動與控制，2008(1)：6-9.

Shen X R,Pan K,Shan L J,et al.Numerical analysis and experimental investigation of the control ball valve [J].Fluid Power Transmission and Control,2008(1)：6-9.(in Chinese)

[11] 陳軼杰，顧 亮.減振器節(jié)流閥片對閥門水擊力的影響研究 [J].振動與沖擊，2008，27(2)：103-107.

Chen Y J,Gu L.Study on influence of a shock absorber throttle slice on valve water hammer [J].Journal of Vibration and Shock,2008,27(2)：103-107.(in Chinese)

[12] 賀小峰，黃國勤，楊友勝,等.球閥閥口流量特性的試驗(yàn)研究 [J].機(jī)械工程學(xué)報，2008，40(8)：30-33.

He X F,Huang G Q,Yang Y S,et al.Experimental research on the flow characteristics of ball valve orifice [J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2008,40(8)：30-33.(in Chinese)

[13] 蔡標(biāo)華.艦船首尾移水系統(tǒng)水錘特性仿真與試驗(yàn) [J].艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33(9)：52-55.

Cai B H.The water hammer characteristic simulation and test study in warship system pipeline [J].Ship Science and Technology,2011,33(9)：52-55.(in Chinese)

[14] 石 喜，呂宏興，張寬地,等.聚氯乙烯球閥水流阻力特性及流動規(guī)律分析 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(4):95-101.

Shi X,Lü H X,Zhang K D,et al.Analysis on resistance characteristics and flow mechanism of PVC ball valve [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2013,29(4):95-101.(in Chinese)

[15] Park J Y,Lee G H,Lee D H.Study on the operability margin variation of butterfly valve [C]//FEDSM 2007:Proceedings of the 5th Joint ASME/JSME Fluids Engineering Summer Conference.San Diego,CA:Amer Soc of Mechanical Engineers,2007,2:1273-1277.

[16] Schmidt J,Peschel W,Beune A.Experimental and theoretical studies on high pressure safety valves:Sizing and design supported by numerical calculations (CFD) [J].Chemical Engineering & Technology,2009,32(2):252-262.

[17] Fu W S,Ger J S.A concise method for determining a valve flow coefficient of a valve under compressible gas flow [J].Experimental Thermal and Fluid Science,1998,18(4):207-313.