李東來(lái)

(遼寧省石佛寺水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110055)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

此次研究以大伙房輸水工程為依托，著眼于有壓管道流，在試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中盡可能模擬工程實(shí)際，提高試驗(yàn)研究結(jié)果與實(shí)際工程的契合性，以獲得科學(xué)、準(zhǔn)確的研究成果。

試驗(yàn)裝置的供水系統(tǒng)主要由水泵、水箱、管道、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、止回閥、電磁閥、球閥等部分組成。其中，水箱是連接管路首、末兩端的過(guò)渡裝置，其容積略大于管道和穩(wěn)壓罐體積之和。此次試驗(yàn)中水箱為容積2.5 m3的長(zhǎng)方體水箱，由厚度5 mm的鋼板焊接而成。水泵是管道水流運(yùn)動(dòng)的能量提供裝置[1]，經(jīng)過(guò)比選，采用的是上海佳福ISG80-125型水泵，其揚(yáng)程為20 m，額定流量為50 m3/s?；诖舜窝芯康男枰?，管道需要方便觀察和拍攝，同時(shí)要具有一定的承壓能力，因此選用有機(jī)玻璃材質(zhì)的管道，管道的內(nèi)徑為90 mm，管壁厚度為10 mm。整個(gè)試驗(yàn)裝置采用圓環(huán)式回轉(zhuǎn)管道布置，可以節(jié)省試驗(yàn)場(chǎng)地，增加管道長(zhǎng)度[2]。此次試驗(yàn)中管道回轉(zhuǎn)一次，總長(zhǎng)度為45 m。在管道的首端和末端均設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，在中段和后段設(shè)置電磁閥，其余管路調(diào)節(jié)閥采用手動(dòng)球閥。

試驗(yàn)裝置的供氣系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、空氣濾清器、調(diào)壓閥、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、逆止閥等部分組成。其中，空氣壓縮機(jī)為臺(tái)灣捷豹V-0.6/8型，其公稱流量為0.6 m3/min，額定壓力為0.8 MPa。系統(tǒng)的氣流量變化利用調(diào)壓閥進(jìn)行調(diào)解，計(jì)量由豎直放置的轉(zhuǎn)子流量計(jì)實(shí)現(xiàn)，其量程為1～10 m3/h，精度為0.2 m3/h。

1.2 研究方法

由于停泵、關(guān)閥、初通水、檢修、空氣閥排氣不暢等原因常會(huì)使輸水管道處于氣水兩相流狀態(tài)，而兩相間的相互作用較于單相流來(lái)說(shuō)更為復(fù)雜，氣水兩相流在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)引發(fā)輸水管道的劇烈振動(dòng)，輸水管道各節(jié)點(diǎn)的壓力會(huì)突然增大然后衰減，對(duì)輸水管道的安全運(yùn)行帶來(lái)危害。此次研究利用模型試驗(yàn)的方法對(duì)比分析了不同初始含氣率、不同泄漏位置、不同泄漏量等因素對(duì)閥門(mén)末端壓力的影響。在試驗(yàn)過(guò)程中，水由水泵從水箱抽出，并經(jīng)過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量[3]；空氣則由空氣壓縮機(jī)壓縮之后存入氣罐，經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥和轉(zhuǎn)子流量計(jì)之后進(jìn)入管道[4]。管道中的水流量測(cè)量采用的是大連海峰 TDS-100P 型便攜式超聲波流量計(jì)，采用傳播時(shí)間差法進(jìn)行測(cè)量，其參數(shù)精度為1%。試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)利用Advantech公司的USB-4711A數(shù)據(jù)采集卡和電腦連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和存儲(chǔ)。

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》(CECS 193—2005)中的相關(guān)規(guī)定，輸水管道中的水流速度應(yīng)在3.0 m/s以內(nèi)。結(jié)合此次試驗(yàn)中試驗(yàn)裝置的參數(shù)，流速控制在2.0 m3/s不變，將含氣率、泄漏位置和泄漏孔的大小作為試驗(yàn)變量。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究成果，設(shè)置0.010、0.005和0.001等三種不同的含氣率；設(shè)置上、中、下三個(gè)不同的泄漏位置，其與上游水箱的距離分別為10 m、25 m和40 m；設(shè)置5 mm、6 mm和7 mm等三種不同直徑的泄漏孔進(jìn)行試驗(yàn)。為了減少成本和時(shí)間投入，在試驗(yàn)研究過(guò)程中保持兩個(gè)變量不變，研究第三個(gè)變量對(duì)管道泄漏量的影響，每種試驗(yàn)方案進(jìn)行三次試驗(yàn)，以其均值作為最終的試驗(yàn)結(jié)果。其中，泄漏量占比為泄漏水量占管道總輸水量的百分比。

2 結(jié)果與討論

2.1 含氣率

在試驗(yàn)中保持泄漏位置在管道中部，管道的泄漏孔大小為6 mm不變，對(duì)不同含氣率方案下的泄漏量進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)計(jì)算出具體的泄漏量，結(jié)果如表1所示。由表中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在含氣管道的泄漏位置和泄漏孔大小保持不變的情況下，改變管道的初始含氣率，在閥門(mén)突然關(guān)閉發(fā)生泄漏水擊的情況下，泄漏量會(huì)隨著含氣量的增大而減小，但是平均泄漏量和水流量的泄漏比并沒(méi)有比較明顯的規(guī)律。

表1 不同含氣率方案泄漏量試驗(yàn)結(jié)果

2.2 泄漏位置

在試驗(yàn)中保持管道含氣率0.001、管道的泄漏孔大小為6 mm不變，對(duì)不同泄漏位置方案下的泄漏量進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)計(jì)算出具體的泄漏量，結(jié)果如表2所示。由表中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在含氣管道的初始含氣率和泄漏孔大小保持不變的情況下，泄漏位置越靠近上游，其泄漏量就越大，而泄流位置與上游的距離越大，其泄漏量就越小。當(dāng)然，在泄漏量數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中，會(huì)有少量的水在瞬變水擊過(guò)程中濺出，因此試驗(yàn)結(jié)果存在少量的誤差，但是不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)的規(guī)律造成影響。

表2 不同泄漏位置方案泄漏量試驗(yàn)結(jié)果

2.3 泄漏孔大小

在試驗(yàn)中保持管道含氣率0.001、泄漏位置位于管道中部不變，對(duì)不同泄漏孔大小方案下的泄漏量進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)計(jì)算出具體的泄漏量參數(shù)，結(jié)果如表3所示。由表中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在含氣管道的初始含氣率和泄漏孔位置保持不變的情況下，隨著泄漏孔直徑的增大，管道的泄漏量也呈現(xiàn)出明顯增大的變化特點(diǎn)。但是，隨著泄漏孔直徑的增大，泄漏量的增大速率逐步趨緩。此外，由于管道的泄漏孔屬于人為鉆孔，其大小存在一定的誤差，但是試驗(yàn)結(jié)果的誤差在允許范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)的規(guī)律造成顯著影響。

表3 不同泄漏孔大小方案泄漏量試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

此次研究利用物理模型試驗(yàn)的方式，對(duì)含氣管瞬變流特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了不同因素在泄漏水擊作用下對(duì)管道泄漏特征的影響。結(jié)果顯示，閥門(mén)突然關(guān)閉發(fā)生泄漏水擊的情況下，管道泄漏量會(huì)隨著含氣量的增大而減小，但是平均泄漏量和水流量的泄漏比并沒(méi)有比較明顯的規(guī)律；泄漏位置越靠近上游，其泄漏量就越大；隨著泄漏孔直徑的增大，管道的泄漏量也呈現(xiàn)出明顯增大的變化特點(diǎn)，但是，隨著泄漏孔直徑的增大，泄漏量的增大速率逐步趨緩。當(dāng)然，本文試驗(yàn)中壓力傳感器的精度以及噪聲、管道振動(dòng)等問(wèn)題，會(huì)產(chǎn)生較高的誤報(bào)警率，因此在試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大誤差。在今后的研究中應(yīng)該采取必要的技術(shù)措施，降低管道的誤報(bào)警率以及提高信號(hào)采集精度，進(jìn)一步提高研究結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。