流速對(duì)管網(wǎng)水錘負(fù)壓影響的試驗(yàn)研究

魏闖，李明思，雷成霞，郭銀

(1 山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044004；2 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；3 黃河水利委員會(huì)水文局，河南 鄭州 450000)

目前，我國(guó)的田間節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用廣泛，但輸水過(guò)程中的節(jié)水仍是重要環(huán)節(jié)。管網(wǎng)輸水屬于管道灌溉系統(tǒng)中的一部分，其中首要問(wèn)題是水錘負(fù)壓，因?yàn)樗坏珪?huì)使輸水效率降低，而且會(huì)使管網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性變差，甚至破壞相關(guān)設(shè)備。為了降低負(fù)壓水錘風(fēng)險(xiǎn)，提高管網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，運(yùn)行管理時(shí)要控制關(guān)閉閥門過(guò)程，同時(shí)，要求在管網(wǎng)設(shè)計(jì)和施工階段，除了根據(jù)需要在管網(wǎng)特定部位設(shè)置水錘防護(hù)裝置外，更要科學(xué)合理控制管流速度。因此，流速與管網(wǎng)水錘負(fù)壓之間關(guān)系的研究對(duì)減少水錘負(fù)壓破壞具有重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)單管水錘問(wèn)題進(jìn)行了深入研究[1-7]，部分學(xué)者利用特征線法對(duì)水錘問(wèn)題進(jìn)行了模擬，并提出了相應(yīng)的防護(hù)措施[8-16]。關(guān)于水錘問(wèn)題的研究已經(jīng)取得了大量有益的成果，其中關(guān)于管網(wǎng)中水錘負(fù)壓?jiǎn)栴}的研究成果較少，尤其是關(guān)于PVC-U大口徑薄壁管道抗擊水錘負(fù)壓破壞問(wèn)題的研究更少，因此，本文采用水力試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析PVC-U管材樹狀管網(wǎng)中流速和負(fù)壓值的相互關(guān)系，以期為管網(wǎng)選擇合理的安全流速提供參考和灌區(qū)發(fā)展PVC-U管網(wǎng)提供工程設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 材料和方法

根據(jù)水錘試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，本文研究試驗(yàn)選擇在石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)管網(wǎng)采用樹狀布置于田間地面上，并修建蓄水池和配套離心水泵，水泵功率較大，電力供應(yīng)采用發(fā)電車現(xiàn)場(chǎng)供電。試驗(yàn)水流通過(guò)水泵加壓進(jìn)入試驗(yàn)管網(wǎng)內(nèi)，經(jīng)控制閥門后由回水管路進(jìn)入蓄水池，形成循環(huán)供水狀態(tài)，利用干管首部的泄壓控制閥門調(diào)節(jié)管道流速。本文試驗(yàn)使用超聲波流量計(jì)監(jiān)測(cè)流速，分別裝在干管和支管側(cè)面；采用18套壓力變送器監(jiān)測(cè)和采集壓力數(shù)值。

具體試驗(yàn)管網(wǎng)布置和設(shè)備安裝及參數(shù)見圖1和表1。

圖1 試驗(yàn)管網(wǎng)布置圖

表1 試驗(yàn)設(shè)備及相關(guān)參數(shù)

進(jìn)行水錘負(fù)壓試驗(yàn)時(shí)，先將干、支管上的閥門A關(guān)閉，閥門B、C、D處于全開狀態(tài)，啟動(dòng)水泵，壓力表讀數(shù)穩(wěn)定后緩慢打開閥門A，試驗(yàn)管網(wǎng)干支管充水，再通過(guò)閥門B、C、D接入回水管道，最終返回蓄水池，形成循環(huán)供水運(yùn)行狀態(tài)。

整個(gè)管網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定后，通過(guò)首部泄壓閥門控制干管流速，5個(gè)試驗(yàn)流速處理分別達(dá)到0.88、1.48、2.02、2.55、3.05 m/s，當(dāng)管道水流流速穩(wěn)定后，在閥門B、C、D處于全開狀態(tài)時(shí)啟動(dòng)壓力監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)采集壓力數(shù)據(jù)，然后手動(dòng)快速關(guān)閉干管首端的閥門A，并保持關(guān)閉狀態(tài)60 s，壓力變送器數(shù)據(jù)采集時(shí)間1 min，采集頻率20次/s。

為保證試驗(yàn)的科學(xué)、準(zhǔn)確、有效，重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程3次;5個(gè)流速由低到高依次進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程同上。

2 結(jié)果與分析

2.1 流速對(duì)水錘負(fù)壓影響的試驗(yàn)

根據(jù)管網(wǎng)中最大水錘負(fù)壓值分析水錘負(fù)壓的波動(dòng)傳遞過(guò)程及衰減規(guī)律。由閥后管道負(fù)壓水錘破壞圖(圖2)可見：管件和管材都有不同程度的破壞，試驗(yàn)PVC-U管材的公稱壓力為0.63 MPa，管徑為200 mm，壁厚4.9 mm，破壞位置位于干管首端緊挨閥門A后位置，管道試驗(yàn)監(jiān)測(cè)流速為3.05 m/s。

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際工況采用軟件進(jìn)行數(shù)值模擬得出閥后水錘波動(dòng)曲線。

圖2 閥后管道負(fù)壓水錘破壞圖

圖3 負(fù)壓破壞管道的節(jié)點(diǎn)模擬曲線

由試驗(yàn)現(xiàn)象和對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)處的模擬結(jié)果(圖3)可以看出：

(1)干管首端閥門快速關(guān)閉后，致使閥后出現(xiàn)了負(fù)壓水錘波動(dòng)現(xiàn)象，且強(qiáng)度較大，達(dá)到了設(shè)定的極限負(fù)壓值，并持續(xù)作用10 s，隨后呈快速衰減的趨勢(shì)。

(2)閥后正壓水頭值達(dá)到60 m左右時(shí)，管道沒(méi)有出現(xiàn)破壞，而是出現(xiàn)了負(fù)壓破壞。這是因?yàn)楣艿罃嗝娴钠茐臓顟B(tài)是受力變形為扁平狀后破壞的，管道兩側(cè)外壁出現(xiàn)兩道明顯的白紋，所以，據(jù)此判定管道屬于負(fù)壓破壞形式。對(duì)變形管道的斷面進(jìn)行了變形測(cè)量，變形量達(dá)到20 mm，變形度達(dá)到10%。這驗(yàn)證了試驗(yàn)管材抗擊負(fù)壓能力較弱，破壞相對(duì)比較嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間作用在管壁上的負(fù)壓沖擊會(huì)導(dǎo)致管材負(fù)壓破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)該負(fù)壓水錘的產(chǎn)生也使其他部位的管道出現(xiàn)一定程度的截面變形，但沒(méi)有破壞。由該試驗(yàn)管材的變形可以直接觀察到，管道外壁沒(méi)有出現(xiàn)白色變形，變形較輕微，經(jīng)測(cè)定變形量為5 mm，變形度為2.5%，管道沒(méi)有出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。從外因而言，說(shuō)明負(fù)壓破壞是負(fù)壓沖擊管壁達(dá)到一定的變形量才會(huì)使管道發(fā)生破壞，管道是否負(fù)壓破壞主要是由負(fù)壓強(qiáng)度及其作用在管壁上的時(shí)間而定；從內(nèi)因來(lái)說(shuō)，抗擊負(fù)壓能力與管材的截面形狀有很大關(guān)系，試驗(yàn)說(shuō)明PVC-U管材的管壁厚度越大，管道抗擊負(fù)壓變形的能力就越大，承受負(fù)壓破壞的能力就越強(qiáng)。

2.2 流速對(duì)水錘負(fù)壓影響的模擬分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果分析得到，流速的增大也會(huì)一定程度上加大流體自身慣性力，也就增大了負(fù)壓生成的風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)值模擬以試驗(yàn)的樹狀管網(wǎng)為研究對(duì)象，設(shè)1干管2支管，2個(gè)支管對(duì)置布置，設(shè)置干管5個(gè)流速處理為0.88、1.48、2.02、2.55、3.05 m/s。通過(guò)泄壓閥調(diào)節(jié)流速，流量為333.64 m3/h;模擬控制閥門為干管首端閥門FCV-1，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)干管閥門A，其它閥門保持全開狀態(tài)，關(guān)閉閥門完成時(shí)間為1.8 s，并保持全關(guān)狀態(tài)60 s。根據(jù)模擬結(jié)果讀取各測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)間歷程曲線，分別得到干、支管的最大水錘壓力波動(dòng)曲線，分別為干管首端瞬態(tài)操作閥門FCV-1后(對(duì)應(yīng)試驗(yàn)管網(wǎng)1號(hào)壓力變送器測(cè)點(diǎn))和支管首端節(jié)點(diǎn)J-15(對(duì)應(yīng)試驗(yàn)管網(wǎng)13號(hào)壓力變送器測(cè)點(diǎn))處。結(jié)果見圖4。

圖4 流速干管負(fù)壓曲線

由圖4a、b可以看出：干管流速為0.8、1.48 m/s的水錘負(fù)壓波動(dòng)平緩，作用強(qiáng)度較弱，負(fù)壓達(dá)到最大值后就進(jìn)入穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)，其波動(dòng)強(qiáng)度和頻率基本一致，屬于基本無(wú)壓能衰減的波動(dòng)，而且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，增大了管道破壞風(fēng)險(xiǎn)。

由圖4c、d、e可知:干管流速大于2 m/s時(shí)，負(fù)壓水錘的波動(dòng)劇烈，為高頻大幅度，但衰減也較快，波動(dòng)時(shí)間明顯縮短，負(fù)壓極限值為周期性出現(xiàn)，且持續(xù)時(shí)間為周期性遞減。干管中的負(fù)壓值持續(xù)時(shí)間要大于支管，且水錘波動(dòng)幅度和頻率都要大于支管，衰減速度也較快。閥門關(guān)閉后，干管負(fù)壓水錘瞬間就達(dá)到極限負(fù)壓狀態(tài)，并保持時(shí)間最長(zhǎng)，而支管則先經(jīng)歷短暫的周期性小幅度波動(dòng)后再進(jìn)入快速高頻的大幅度波動(dòng)。這是由于支管在干管閥門關(guān)閉后的短暫時(shí)間可以從干管內(nèi)獲得流量補(bǔ)給，有一個(gè)水錘壓力緩沖過(guò)程，而干管瞬間就失去了流量補(bǔ)給。

由圖4可知：隨著干管中流速的增大，水錘波動(dòng)強(qiáng)度越大，頻率越高，波幅也大，作用時(shí)間也長(zhǎng)。干、支管中的水錘負(fù)壓值都是逐漸增大的趨勢(shì)，且經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)擬合符合2次多項(xiàng)式函數(shù)分布規(guī)律，持續(xù)的總時(shí)間也是逐漸增長(zhǎng)的。這是因?yàn)楦晒荛y門的瞬間關(guān)閉時(shí)閥后管道在瞬間就完全失去流量的補(bǔ)給，高速流體由于慣性作用還會(huì)繼續(xù)向干管和支管下游流動(dòng)，致使封閉的管道在閥后形成空管段而產(chǎn)生負(fù)壓，液體進(jìn)一步汽化形成蒸汽壓，這就使空管段達(dá)到了極限負(fù)壓狀態(tài)，然后進(jìn)入周期性的波動(dòng)，直至負(fù)壓能量衰減釋放結(jié)束。因此，干管流速的增大必然會(huì)使閥門后流體慣性增大，導(dǎo)致空管段更容易形成負(fù)壓并且達(dá)到極限值，從而使負(fù)壓作用在管壁上的時(shí)間和次數(shù)增加，管道破壞的風(fēng)險(xiǎn)加大。

圖5為干管不同流速處理下干管和支管中沿程各節(jié)點(diǎn)的水錘負(fù)壓的模擬結(jié)果。

由圖5可以看出：干管的負(fù)壓最大值產(chǎn)生在干管首端緊靠閥門后位置，并向干管末端遞減波動(dòng)，且干管分水口上游段的遞減幅度較大，下游段遞減幅度較小;隨著干管流速的增大，干管中的負(fù)壓值都是逐漸增大的，干管中間位置的水錘負(fù)壓值分布規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)分布：

P負(fù)壓=9.1×e-0.70v-8.7，R2=0.973 33，

(1)

其中，P負(fù)壓為干管中的水錘負(fù)壓值(m H2O)，v為干管的流速(m/s)，R2為相關(guān)系數(shù)。

圖5 干管(a)、支管(b)沿程最大負(fù)壓分布圖

在該試驗(yàn)條件下，流速2.02 m/s以上時(shí)負(fù)壓值都達(dá)到極限值，對(duì)管道沖擊很大，破壞的風(fēng)險(xiǎn)顯著增大，管道有明顯震動(dòng)和抖動(dòng)；支管的負(fù)壓最大值出現(xiàn)在支管首端與干管連接口處，并向支管末端逐漸遞減傳播，負(fù)壓值的衰減速度明顯低于干管；伴隨著流速的增大，支管中的負(fù)壓水頭值也是逐漸增大的，流速在2.55 m/s以上時(shí)支管中才出現(xiàn)極限負(fù)壓值，比干管略低一些，這是因負(fù)壓能量衰減引起的。

綜上所述，閥門后和分水口處是負(fù)壓極限水頭極易發(fā)生的地方，在實(shí)踐中應(yīng)采取必要的負(fù)壓防護(hù)措施。

3 結(jié)論

(1)隨著管道流速增大，水錘負(fù)壓值也隨之增大，呈指數(shù)函數(shù)P負(fù)壓=9.1×e-0.70v-8.7分布，且呈現(xiàn)極限負(fù)壓值持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)負(fù)壓沖擊頻次越高的規(guī)律，同時(shí)，支管中極限負(fù)壓值和極限負(fù)壓作用頻次都低于和少于干管中的相應(yīng)數(shù)值，負(fù)壓最大值出現(xiàn)在干管首端緊靠閥門后和支管首端分水口處。

(2)干管流速為1.48 m/s時(shí)只有干管中產(chǎn)生了極限負(fù)壓值，達(dá)到2 m/s 以上時(shí)極限負(fù)壓值在干、支管中均有發(fā)生。干管的負(fù)壓最大值出現(xiàn)在干管首端緊靠閥門后位置，并向干管末端逐漸衰減傳播，且干管在分水口上游段的衰減速度較快，下游段衰減速度明顯減緩，而支管中負(fù)壓最大值出現(xiàn)在支管首端與干管連接的分水口處，并向支管末端逐漸遞減傳播，而且負(fù)壓衰減速度明顯低于干管。

(3)在實(shí)際工程中負(fù)壓破壞最常出現(xiàn)的位置是閥后部位，應(yīng)做好相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)和管理的水錘負(fù)壓破壞防護(hù)措施。