白兆亮,李 琳

(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)

有壓輸水管道孔板局部阻力相鄰影響試驗(yàn)

白兆亮,李 琳

(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)

為研究有壓輸水管道的局部阻力相鄰影響及其對總局部水頭損失大小的影響,采用模型試驗(yàn)方法對總局部阻力系數(shù)隨相對間距的變化關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)孔板相對間距Ls/d≥9時(shí),按照傳統(tǒng)公式計(jì)算孔板產(chǎn)生的總局部水頭損失結(jié)果與實(shí)測值最大相對誤差不超過1.2%,而當(dāng)Ls/d＜9時(shí),孔板產(chǎn)生的總局部水頭損失的實(shí)測值遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)公式的計(jì)算值,最大相對誤差達(dá)到197.6%;相對間距較大時(shí),不需考慮孔板間距的影響,而相對間距較小時(shí),孔板間存在相鄰影響,并且相對間距越小影響越明顯,計(jì)算總局部水頭損失必須考慮局部阻力相鄰影響,需用相鄰影響系數(shù)對傳統(tǒng)計(jì)算公式進(jìn)行修正。

有壓管道;局部水頭損失;局部阻力相鄰影響;相對間距;模型試驗(yàn)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展對水資源及區(qū)域水資源優(yōu)化配置的需求逐步提高,有壓輸水管道被廣泛應(yīng)用在各類長距離、跨流域輸水工程中。在這些大中型輸水工程中,管路往往長達(dá)數(shù)千米乃至數(shù)百千米,管道形變件可達(dá)數(shù)百乃至數(shù)千個(gè),因此,準(zhǔn)確計(jì)算管道形變件產(chǎn)生的局部水頭損失是合理進(jìn)行管道水力設(shè)計(jì)、滿足節(jié)能降耗設(shè)計(jì)原則的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)水力學(xué)中,局部水頭損失一般的表達(dá)形式為

式中:hj為局部水頭損失;v為管道斷面平均流速;ζ為形變件局部阻力系數(shù)。管道中多個(gè)形變件產(chǎn)生的總局部水頭損失計(jì)算公式為

式中:hj總為總局部水頭損失;ζtt為形變件的總局部阻力系數(shù)。這種簡單地按阻力疊加原則計(jì)算出的局部水頭損失往往與實(shí)際情況不符[1-2],其原因主要有兩個(gè):一是傳統(tǒng)水力學(xué)中認(rèn)為局部阻力系數(shù)ζ的大小僅與形變件本身有關(guān),而與管道流態(tài)無關(guān),而實(shí)際上ζ是隨著流態(tài)的變化而變化的[3-4];二是局部阻力相鄰影響的問題[5-12]。此時(shí),若按計(jì)算手冊選用未考慮相鄰影響的局部阻力系數(shù)值,根據(jù)式(2)進(jìn)行簡單的疊加計(jì)算總局部水頭損失,其結(jié)果必然出現(xiàn)偏差。

早在20世紀(jì)50年代蘇聯(lián)學(xué)者就已提出局部阻力相鄰影響的問題[6],但我國水力計(jì)算中局部阻力相鄰影響至今未得到合理的考慮。李濤等[5,7-8]針對電廠循環(huán)水管道和通風(fēng)管道中彎管形變件的Z型組合的局部阻力相鄰影響問題進(jìn)行了研究和探討,而水利工程中有壓輸水管道由于多個(gè)形變件的同時(shí)存在而引起的局部阻力相鄰影響問題鮮有報(bào)道。本文以孔板形變件為例,將孔板安裝在有壓輸水管道內(nèi),通過試驗(yàn)量測管道內(nèi)安裝多個(gè)孔板時(shí)孔板的總局部阻力系數(shù)ζte,并將其與總局部阻力系數(shù)的理論計(jì)算值ζtt進(jìn)行對比,分析試驗(yàn)值和理論計(jì)算值產(chǎn)生差異的原因,探討局部阻力相鄰影響對總局部阻力系數(shù)大小的影響機(jī)理,并對局部阻力相鄰影響進(jìn)行量化,為合理計(jì)算有壓管道的局部水頭損失提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水力學(xué)及水工實(shí)驗(yàn)室完成。試驗(yàn)裝置由供水系統(tǒng)、穩(wěn)流箱、有機(jī)玻璃管(長度5m、內(nèi)徑0.06m)、用聚氯乙烯板加工而成的孔板(外徑0.06m、內(nèi)徑0.05m)、測壓管排、20°三角量水堰、排水系統(tǒng)組成,如圖1所示。在有機(jī)玻璃直管上從距入口0.6m處開始每隔0.2m安裝1根測壓管,共計(jì)安裝了19根測壓管。有機(jī)玻璃管道必須滿足長度要求,即其長度不僅應(yīng)包含全部形變件影響的總長,滿足正確測定沿程水頭損失的相應(yīng)管長,而且還應(yīng)滿足消除入口和出口影響的管道長度。測壓管用于測量各測點(diǎn)的測壓管水頭,管道水平安裝,測壓管讀數(shù)便是各測點(diǎn)的壓強(qiáng)水頭。

在進(jìn)行不同雷諾數(shù)下單個(gè)孔板局部阻力系數(shù)的試驗(yàn)研究時(shí),孔板布置在9號測壓管處;在進(jìn)行不同間距下兩個(gè)孔板總局部阻力系數(shù)的試驗(yàn)研究時(shí), 1號孔板布置在9號測壓管處,2號孔板根據(jù)試驗(yàn)方案布置在距1號孔板不同位置處。

1.2 測量方法

對圖1所示的1—1、2—2兩個(gè)斷面,應(yīng)用伯努利方程[13-14]有

式中:p1、p2分別為斷面1—1、2—2的壓強(qiáng);v1、v2分別為斷面1—1和2—2平均流速;Z1、Z2分別為斷面1—1、2—2位置的水頭;hw為總水頭損失。由于本試驗(yàn)中有機(jī)玻璃管道水平安裝即Z1=Z2,且管徑相同即v1=v2=v,有

式中:v為管道平均流速;hf、hj分別為沿程水頭損失和局部水頭損失。

試驗(yàn)過程中繪制測壓管水頭線,沿程均勻下降段表示該管段僅有沿程水頭損失,求出管段的水力坡度J,由于管徑不變,整個(gè)管道水力坡度相同,根據(jù)J=hf/L(L為兩斷面之間的長度)計(jì)算1—1至2—2斷面的沿程水頭損失hf。根據(jù)測壓管排讀出1—1至2—2的總水頭損失hw。根據(jù)量水堰量測出的流量,由連續(xù)方程Q=vA計(jì)算出管道流速v,將其與hf、hw一并代入式(4),求出孔板局部阻力系數(shù)ζ和ζ總。

1.3 試驗(yàn)步驟

1.3.1 1、2號孔板局部阻力系數(shù)測量

由于局部阻力系數(shù)ζ除了與形變件的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)形式有關(guān)外,還與水流流態(tài)有關(guān)[15],因此,針對不同流態(tài)下1、2號孔板的局部阻力系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。兩孔板局部阻力系數(shù)的測量方法一致:打開入口閥門,對測壓管排進(jìn)行排氣處理,使穩(wěn)流箱液面穩(wěn)定,待水流穩(wěn)定后記錄各測壓管、量水堰的讀數(shù)。調(diào)整入口閥門的開度,改變流量,重復(fù)上述步驟。通過調(diào)整流量改變雷諾數(shù),為較準(zhǔn)確繪制局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線,在2×104～1.1×105的雷諾數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行了多組試驗(yàn)。

1.3.2 1、2號孔板不同間距時(shí)總局部阻力系數(shù)測量

對不同間距1、2號孔板總局部阻力系數(shù)測量時(shí),僅測量大雷諾數(shù),即單個(gè)孔板局部阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)的情況,作為試驗(yàn)?zāi)M的一個(gè)松弛條件,試驗(yàn)管內(nèi)水流的雷諾數(shù)應(yīng)盡可能提高,但也不必完全相同,只要高于使單個(gè)孔板局部阻力系數(shù)趨于不變時(shí)的雷諾數(shù)即可,試驗(yàn)采用的雷諾數(shù)在1×105以上。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

改變孔板間距Ls,使得其相對間距Ls/d=16、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3、2.5、2、1.5、0.9、0.7、0.3、0,共計(jì)21組試驗(yàn),在每種工況下,讀取測壓管、量水堰的讀數(shù),按式(4)計(jì)算各個(gè)間距下的總局部阻力系數(shù)ζte。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 1、2號孔板局部阻力系數(shù)

圖2為1、2號孔板局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線。從圖2可以看出:當(dāng)Re＜1×105時(shí),孔板局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而增大,這是由于水流流經(jīng)孔板時(shí),水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化,隨著雷諾數(shù)的增加,水流的紊動(dòng)增強(qiáng),水流質(zhì)點(diǎn)之間摩擦和碰撞加劇,局部阻力系數(shù)增大;當(dāng)Re≥1×105時(shí),水流已達(dá)到充分發(fā)展的紊流狀態(tài),雷諾數(shù)繼續(xù)增大,水流紊動(dòng)不再增強(qiáng),局部阻力系數(shù)不再隨雷諾數(shù)的增大而變化,1、2號孔板局部阻力系數(shù)變化幅度很小,分別為0.7%、0.6%,可以認(rèn)為孔板的局部阻力系數(shù)已經(jīng)與雷諾數(shù)無關(guān),為一個(gè)定值,即當(dāng)Re≥1×105時(shí),1、2號孔板局部阻力系數(shù)分別為1.141和0.660。

圖2 1、2號孔板局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線

由于1、2號孔板的制作問題,造成了兩孔板局部阻力系數(shù)的不同,但在研究局部阻力相鄰影響的試驗(yàn)中,用到總局部阻力系數(shù)的理論值與實(shí)測值,并不關(guān)心單個(gè)孔板的局部阻力系數(shù),因此這種不同對局部阻力相鄰影響的研究沒有影響。

2.2 1、2號孔板總局部阻力系數(shù)

表1 Ls/d≥9時(shí)總局部阻力系數(shù)實(shí)測值及其與理論值的相對誤差

表2 Ls/d＜9時(shí)總局部阻力系數(shù)實(shí)測值及其與理論值的相對誤差

2.3 孔板局部阻力相鄰影響

為衡量1、2號孔板的相鄰影響程度,引入局部阻力相鄰影響系數(shù)C,令C=ζte/ζtt。根據(jù)表1和表2,可得相鄰影響系數(shù)C與相對間距Ls/d的關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出,當(dāng)Ls/d＜9時(shí),C＜1;當(dāng)Ls/d≥9時(shí),C=1。C＜1時(shí),兩孔板之間存在相互影響且呈抑制狀態(tài),C=1時(shí)兩者之間沒有影響。

由于局部阻力相鄰影響的存在,孔板相對間距較小時(shí),ζtt≠ζte,采用式(2)計(jì)算管道局部水頭損失與實(shí)際情況不符。應(yīng)用ζte替換ζtt,將ζte=Cζtt代入式(2)得

圖3 相鄰影響系數(shù)與相對間距的關(guān)系

式(5)即為考慮局部阻力相鄰影響時(shí)的總局部水頭損失計(jì)算公式,式中相鄰影響系數(shù)C與Re、Ls/d、孔板尺寸等因素有關(guān)。

利用圖1試驗(yàn)裝置,重新制作孔板,并測得總局部水頭損失。分別應(yīng)用式(2)和式(5)計(jì)算了兩個(gè)孔板產(chǎn)生的總局部水頭損失,結(jié)果見表3。表中hjs為實(shí)測總局部水頭損失,hjtt、hjte分別是應(yīng)用式(2)、式(5)計(jì)算得到的總局部水頭損失。從表3可以看出,當(dāng)Ls/d≥9時(shí),式(2)和式(5)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值相比,最大誤差不超過1.2%,計(jì)算值與實(shí)測值間的誤差主要源于ζtt帶有一定的誤差,說明孔板間無相鄰影響時(shí),可以直接應(yīng)用式(2)計(jì)算局部水頭損失。當(dāng)Ls/d＜9時(shí),式(2)和式(5)計(jì)算結(jié)果不同,式(5)的計(jì)算值與實(shí)測值相比,最大相對誤差為0.96%,式(2)計(jì)算結(jié)果的最大相對誤差為197.6%?？梢?不考慮孔板間的相鄰影響,直接應(yīng)用式(2)計(jì)算出的局部水頭損失與實(shí)測值相比,相差甚遠(yuǎn)。因此,當(dāng)孔板相對間距較小時(shí),不能直接應(yīng)用式(2)來計(jì)算總局部水頭損失,應(yīng)根據(jù)式(5)來計(jì)算總局部水頭損失。

表3 總局部水頭損失實(shí)測值和計(jì)算值比較

3 結(jié) 論

a.孔板局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān),Re＜1×105時(shí),其局部阻力系數(shù)大小隨雷諾數(shù)變化而變化,在水力計(jì)算時(shí)不能視為定值;當(dāng)Re≥1×105時(shí),孔板局部阻力系數(shù)基本為一定值,不隨雷諾數(shù)的變化而變化。

b.當(dāng)孔板相對間距Ls/d≥9時(shí),孔板形變件之間無相鄰影響,此時(shí)可以按式(2)準(zhǔn)確計(jì)算孔板產(chǎn)生的總局部水頭損失;當(dāng)Ls/d＜9時(shí),計(jì)算局部水頭損失時(shí)必須考慮局部阻力的相鄰影響,采用修正后的式(5)進(jìn)行計(jì)算。

c.與傳統(tǒng)局部阻力損失理論不同,管道內(nèi)存在局部阻力相鄰影響時(shí),總局部阻力系數(shù)不再等于單個(gè)局部阻力系數(shù)之和,且總局部水頭損失并不一定隨孔板數(shù)增加而增加,其增加與否與孔板的相對間距密切相關(guān)。

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Test on local resistance adjacent influence of pressure water pipe

BAIZhaoliang,LI Lin(College of Hydraulic and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi830052,China)

To study the local resistance adjacent influence of pressure pipes and its effect on the total local head loss,the relation between total local resistance coefficient and relative distance has been researched with model test method.The results showed:when the relative distance of orifice plate is equal ormore than 9(Ls/d≥9),themaximum relative error between the calculated andmeasured values of the total local head loss caused by orifice plate is less than 1.2%;when the relative distance of orifice plate is less than 9(Ls/d＜9),themeasured value ismuch less than the calculated value,and themaximum relative error is up to 197.6%;when the relative distance is large,it is not necessary to consider the influence of space among orifice plate;when the relative distance is small,orifice plate will influence each other with the relationship that the spacemore small,the influencemore clear.So it is necessary to consider the local resistance adjacent influence when calculate the total local head loss and correct the calculated formula with adjacent influence coefficient.

pressure pipeline;local head loss;local resistance adjacent influence;relative distance;model test

TV131.61

A

1006-7647(2015)02-0028-04

10.3880/j.issn.1006 7647.2015.02.006

2013-12-23 編輯:熊水斌)

新疆研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(XJGRI2014073);新疆水利水電工程重點(diǎn)學(xué)科基金(20131387970)

白兆亮(1988—),男,山東日照人,碩士研究生,主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:1050353332@qq.com

李琳(1979—),女,山東青島人,副教授,博士,主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:lilin_xjau@163.com