真空管道水力特性試驗(yàn)研究

張小瑩，李 琳，王夢(mèng)婷，譚義海

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆新能源新風(fēng)投資開(kāi)發(fā)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

目前，虹吸式輸水管道已被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中［1-5］。朱紅耕等［6-7］運(yùn)用三維數(shù)值模擬的方法，對(duì)虹吸管路的水力特性進(jìn)行模擬分析，創(chuàng)造了虹吸管道研究的新篇章。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多以短距離虹吸管道(如駝峰式虹吸管道)為研究對(duì)象，對(duì)虹吸的過(guò)程以及虹吸管道水力特性進(jìn)行了多方面研究，但對(duì)長(zhǎng)距離虹吸管道的研究較少。李琳［8］、許史［9-10］針對(duì)新疆臺(tái)蘭河某地下水庫(kù)中的長(zhǎng)距離虹吸管道進(jìn)行了水力學(xué)模型試驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)隨著安裝高度的增大，管內(nèi)的汽化現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，虹吸管內(nèi)由單一液相流轉(zhuǎn)變成氣液兩相流;王夢(mèng)婷［11］針對(duì)非駝峰式的正虹吸管道進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究，并將量綱分析法與數(shù)值擬合方法相結(jié)合，得出了計(jì)算長(zhǎng)距離虹吸管道流量的公式。筆者在前期研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究了安裝高度和上下游水位差與流量減小率的關(guān)系，通過(guò)對(duì)管道內(nèi)氣液兩相流流型的研究，利用面積減小率對(duì)不同流型時(shí)流量的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置及儀器

試驗(yàn)由上游進(jìn)口溢流堰、虹吸管路、下游出口堰組成，試驗(yàn)裝置如圖1所示。其中，虹吸管路是由有機(jī)玻璃制作而成，管徑2 cm，管長(zhǎng)17.7 m，整個(gè)試驗(yàn)中管道相互連接處均為密封狀態(tài)。在虹吸管道的上、下行管段的上部各安裝一個(gè)環(huán)形摻氣電極和壓力傳感器，下部各安裝一個(gè)環(huán)形摻氣電極和電子真空壓力表，分別用以測(cè)量管道內(nèi)摻氣濃度和壓強(qiáng)的大小，在水平管段從上游至下游依次布置5個(gè)環(huán)形摻氣電極，水平管段開(kāi)頭及結(jié)尾處各安裝一個(gè)壓力傳感器。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

1.2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)觀測(cè)了不同安裝高度的管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)，如圖2所示。在1 m的安裝高度下，管內(nèi)水流為單一的液相流，管路完全被水充滿，未觀察到有氣泡析出(圖2a);當(dāng)安裝高度為2、3 m時(shí)，虹吸管道內(nèi)有少量微小氣泡析出，并且氣泡隨水流方向運(yùn)動(dòng)(圖2b、圖2c)，此時(shí)虹吸管道內(nèi)的氣泡分散在管道內(nèi)隨水流運(yùn)動(dòng)，這種流型為氣泡流;當(dāng)安裝高度為4、5 m時(shí)，可以清晰地看到氣泡的數(shù)量增多，并且氣泡順著水流方向運(yùn)動(dòng)(圖2d、圖2e)，個(gè)別小氣泡集聚成的大氣泡在管道頂部向下游運(yùn)動(dòng);當(dāng)安裝高度為6 m時(shí)，管道內(nèi)小氣泡集聚成一個(gè)個(gè)大氣泡沿著管道頂部運(yùn)動(dòng)(圖2f)，此時(shí)管道內(nèi)氣泡數(shù)量明顯減少，氣泡間距增大，氣泡之間摻混著一些小氣泡，這種流型為氣團(tuán)流;當(dāng)安裝高度為7 m時(shí)，氣團(tuán)流的現(xiàn)象更為明顯(圖2g)，比6 m安裝高度下氣泡增大了1倍左右;當(dāng)安裝高度為8 m時(shí)，管段內(nèi)仍然為氣團(tuán)流，氣泡進(jìn)一步增大，氣泡隨水流運(yùn)動(dòng)中發(fā)展為大氣囊，當(dāng)氣囊體積增大到貫穿整個(gè)管段時(shí)，管路發(fā)生了斷流現(xiàn)象(圖2h)。

圖2 安裝高度為1～8 m工況下的試驗(yàn)現(xiàn)象

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

表1為不同水位差下安裝高度與流量關(guān)系，可看出:在上下游水位差不變的情況下，安裝高度與過(guò)流量成反比關(guān)系;在安裝高度一定的情況下，上下游水位差與過(guò)流量成正比關(guān)系。通過(guò)流量減小率研究安裝高度對(duì)流量的影響程度，流量減小率ΔQ的計(jì)算公式為

式中，QL為管道輸水流量的理論值，將hs=1 m時(shí)所測(cè)得的流量值作為管道輸水流量的理論值;QS為不同安裝高度下所測(cè)得的虹吸管的實(shí)際輸水流量。

從式(1)可知:流量減小率越大，虹吸管道內(nèi)實(shí)測(cè)流量值越小。由式(1)計(jì)算得到的結(jié)果如圖3所示，在上、下游水位差不變時(shí)，hs越高，ΔQ越大，且ΔQ增加的程度較大;在安裝高度一定的情況下，ΔQ隨著上下游水位差的增大而減小。由此可知，虹吸管道的安裝高度和上下游水位差這兩個(gè)因素對(duì)虹吸管道內(nèi)輸水流量影響較大，而安裝高度和上下游水位差不同時(shí)，虹吸管道內(nèi)流態(tài)也不一樣，管道內(nèi)由單一液相流變?yōu)闅庖簝上嗔?，又可把氣液兩相流分為氣泡流和氣團(tuán)流，且當(dāng)管道內(nèi)出現(xiàn)氣泡流和氣團(tuán)流時(shí)，所測(cè)得的流量均小于滿管時(shí)的流量。故筆者認(rèn)為由于流型不同，管道內(nèi)流量變化規(guī)律也不相同，因此下文分別對(duì)不同流型下管內(nèi)的流量變化進(jìn)行分析。

圖3 不同安裝高度hs與流量減小率ΔQ關(guān)系曲線

3.2 氣泡流對(duì)流量的影響

常規(guī)有壓管流流量計(jì)算公式為

式中，μ0為管道的流量系數(shù);A為管道的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e。

根據(jù)表1可知，H一定情況下，隨著hs的增大，虹吸管內(nèi)的實(shí)測(cè)流量QS小于滿管時(shí)的流量QL，流量減小的主要原因是流量系數(shù)或過(guò)水?dāng)嗝婷娣e減小了。為此，引入面積減小率ΔA，即

式中，AL為虹吸管滿管過(guò)流時(shí)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;AS為實(shí)測(cè)的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e。

把試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)帶入式(3)得到結(jié)果見(jiàn)表2，由表2可知，當(dāng)hs=2 m時(shí)，隨著H的增大，ΔA逐漸減小，而ΔQ隨著ΔA的減小而減小。ΔA與ΔQ的關(guān)系見(jiàn)圖4a，可知ΔA與ΔQ呈線性關(guān)系，直線斜率約為1。即，當(dāng)管道內(nèi)流型為氣泡流時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e對(duì)管道流量的大小起決定性作用。

表1 不同水位差下安裝高度與輸水流量關(guān)系實(shí)測(cè)值

表2 hs=2 m時(shí)，不同上下游水位差下ΔA與ΔQ關(guān)系

3.3 氣團(tuán)流對(duì)流量的影響

當(dāng)hs從4 m增大到5 m的過(guò)程中，虹吸管內(nèi)為氣泡流摻雜氣團(tuán)流，以氣泡流為主。當(dāng)hs從6 m增大到8 m時(shí)，真空管道內(nèi)為氣團(tuán)流。將hs=7 m時(shí)不同上下游水位差下ΔA與ΔQ進(jìn)行比較，如表3所示，可知，隨著H的增大，ΔQ逐漸減小，ΔA也逐漸減小，但ΔQ的數(shù)值比ΔA大了兩倍之余，ΔA與ΔQ的關(guān)系見(jiàn)圖4b所示。故在以氣團(tuán)流為主的虹吸管道內(nèi)，ΔA與ΔQ有關(guān)，故管道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e減小是引起流量減小的一個(gè)原因，除此之外，流量的減小應(yīng)該還與其他因素有關(guān)。根據(jù)式(2)可知，當(dāng)管道內(nèi)為氣團(tuán)流時(shí)，流量系數(shù)的變化也是引起流量減小的主要因素。因此，流量減小還應(yīng)考慮流量系數(shù)的變化，影響管道流量系數(shù)因素有很多，如沿程阻力系數(shù)、流速及局部阻力系數(shù)等，且真空管道水流摻氣后對(duì)流量系數(shù)也會(huì)產(chǎn)生一定影響。故在后續(xù)試驗(yàn)研究中，應(yīng)考慮摻氣后的氣團(tuán)流中流量系數(shù)的變化規(guī)律。

圖4 ΔA與ΔQ的關(guān)系

表3 hs=7 m時(shí)，不同上下游水位差下ΔQ與ΔA關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)真空管道進(jìn)行的系列試驗(yàn)研究，觀察了不同工況下的水流流態(tài)，分析了不同安裝高度及水位差下流量的變化規(guī)律，并得到以下結(jié)論:

(1)隨著安裝高度的增加，真空有壓管內(nèi)由單一的液相流變?yōu)闅庖簝上嗔?，且隨著hs的增大，虹吸管內(nèi)的氣液兩相流流型由氣泡流→氣泡流為主(摻雜氣團(tuán)流)→氣團(tuán)流為主(氣泡流很少)→斷流。

(2)真空有壓管道的過(guò)流量隨安裝高度的增大而減小，隨上下游水位差的增大而增大。且流量的變化與管道內(nèi)的流型有關(guān):當(dāng)管道內(nèi)為氣泡流時(shí)，氣泡流的面積減小率與流量減小率幾乎相等;當(dāng)管內(nèi)為氣團(tuán)流為主時(shí)，氣團(tuán)流的面積減小率約占流量減小率的50%。

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