張小瑩，李 琳，王夢婷，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.新疆新能源新風投資開發(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)用于實際工程中［1-5］。朱紅耕等［6-7］運用三維數(shù)值模擬的方法，對虹吸管路的水力特性進行模擬分析，創(chuàng)造了虹吸管道研究的新篇章。目前，國內(nèi)外學(xué)者多以短距離虹吸管道(如駝峰式虹吸管道)為研究對象，對虹吸的過程以及虹吸管道水力特性進行了多方面研究，但對長距離虹吸管道的研究較少。李琳［8］、許史［9-10］針對新疆臺蘭河某地下水庫中的長距離虹吸管道進行了水力學(xué)模型試驗，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)嚴重，虹吸管內(nèi)由單一液相流轉(zhuǎn)變成氣液兩相流;王夢婷［11］針對非駝峰式的正虹吸管道進行了系列試驗研究，并將量綱分析法與數(shù)值擬合方法相結(jié)合，得出了計算長距離虹吸管道流量的公式。筆者在前期研究的基礎(chǔ)上進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，通過對管道內(nèi)氣液兩相流流型的研究，利用面積減小率對不同流型時流量的變化規(guī)律進行了分析。

1 試驗裝置及試驗方案

1.1 試驗裝置及儀器

試驗由上游進口溢流堰、虹吸管路、下游出口堰組成，試驗裝置如圖1所示。其中，虹吸管路是由有機玻璃制作而成，管徑2 cm，管長17.7 m，整個試驗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環(huán)形摻氣電極和壓力傳感器，下部各安裝一個環(huán)形摻氣電極和電子真空壓力表，分別用以測量管道內(nèi)摻氣濃度和壓強的大小，在水平管段從上游至下游依次布置5個環(huán)形摻氣電極，水平管段開頭及結(jié)尾處各安裝一個壓力傳感器。

圖1 試驗裝置示意

1.2 試驗方案

2 試驗現(xiàn)象

試驗觀測了不同安裝高度的管內(nèi)流動狀態(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);當安裝高度為2、3 m時，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動(圖2b、圖2c)，此時虹吸管道內(nèi)的氣泡分散在管道內(nèi)隨水流運動，這種流型為氣泡流;當安裝高度為4、5 m時，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動(圖2d、圖2e)，個別小氣泡集聚成的大氣泡在管道頂部向下游運動;當安裝高度為6 m時，管道內(nèi)小氣泡集聚成一個個大氣泡沿著管道頂部運動(圖2f)，此時管道內(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，這種流型為氣團流;當安裝高度為7 m時，氣團流的現(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;當安裝高度為8 m時，管段內(nèi)仍然為氣團流，氣泡進一步增大，氣泡隨水流運動中發(fā)展為大氣囊，當氣囊體積增大到貫穿整個管段時，管路發(fā)生了斷流現(xiàn)象(圖2h)。

圖2 安裝高度為1～8 m工況下的試驗現(xiàn)象

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(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，上下游水位差與過流量成正比關(guān)系。通過流量減小率研究安裝高度對流量的影響程度，流量減小率ΔQ的計算公式為

式中，QL為管道輸水流量的理論值，將hs=1 m時所測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得的虹吸管的實際輸水流量。

從式(1)可知:流量減小率越大，虹吸管道內(nèi)實測流量值越小。由式(1)計算得到的結(jié)果如圖3所示，在上、下游水位差不變時，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因素對虹吸管道內(nèi)輸水流量影響較大，而安裝高度和上下游水位差不同時，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流，且當管道內(nèi)出現(xiàn)氣泡流和氣團流時，所測得的流量均小于滿管時的流量。故筆者認為由于流型不同，管道內(nèi)流量變化規(guī)律也不相同，因此下文分別對不同流型下管內(nèi)的流量變化進行分析。

圖3 不同安裝高度hs與流量減小率ΔQ關(guān)系曲線

3.2 氣泡流對流量的影響

常規(guī)有壓管流流量計算公式為

式中，μ0為管道的流量系數(shù);A為管道的過水斷面面積。

根據(jù)表1可知，H一定情況下，隨著hs的增大，虹吸管內(nèi)的實測流量QS小于滿管時的流量QL，流量減小的主要原因是流量系數(shù)或過水斷面面積減小了。為此，引入面積減小率ΔA，即

式中，AL為虹吸管滿管過流時過水斷面面積;AS為實測的過水斷面面積。

把試驗所測數(shù)據(jù)帶入式(3)得到結(jié)果見表2，由表2可知，當hs=2 m時，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)系見圖4a，可知ΔA與ΔQ呈線性關(guān)系，直線斜率約為1。即，當管道內(nèi)流型為氣泡流時，過水斷面面積對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)系實測值

表2 hs=2 m時，不同上下游水位差下ΔA與ΔQ關(guān)系

3.3 氣團流對流量的影響

當hs從4 m增大到5 m的過程中，虹吸管內(nèi)為氣泡流摻雜氣團流，以氣泡流為主。當hs從6 m增大到8 m時，真空管道內(nèi)為氣團流。將hs=7 m時不同上下游水位差下ΔA與ΔQ進行比較，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)系見圖4b所示。故在以氣團流為主的虹吸管道內(nèi)，ΔA與ΔQ有關(guān)，故管道過水斷面面積減小是引起流量減小的一個原因，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，當管道內(nèi)為氣團流時，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流量系數(shù)也會產(chǎn)生一定影響。故在后續(xù)試驗研究中，應(yīng)考慮摻氣后的氣團流中流量系數(shù)的變化規(guī)律。

圖4 ΔA與ΔQ的關(guān)系

表3 hs=7 m時，不同上下游水位差下ΔQ與ΔA關(guān)系

4 結(jié)語

通過真空管道進行的系列試驗研究，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(摻雜氣團流)→氣團流為主(氣泡流很少)→斷流。

(2)真空有壓管道的過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):當管道內(nèi)為氣泡流時，氣泡流的面積減小率與流量減小率幾乎相等;當管內(nèi)為氣團流為主時，氣團流的面積減小率約占流量減小率的50%。

［1］李云，黃光明.老虎山水電站倒虹吸管伸縮節(jié)振動機理分析［J］.水力發(fā)電，2004，30(2):66-68.

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［9］許史，李琳，邱秀云，等.長距離虹吸管輸水試驗研究初探［J］.中國農(nóng)村水利水電，2010(3):70-72.

［10］許史.長距離虹吸管輸水試驗研究［D］.烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

［11］王夢婷，李琳.正虹吸管道水力特性試驗研究［J］.水電能源科學(xué)，2014，32(12):87-90.