周 斌,馬曉麗

(1.甘肅省臨夏回族自治州水務(wù)局,甘肅 臨夏 731100; 2.甘肅省臨夏回族自治州廣河縣水務(wù)局,甘肅 臨夏 731300)

0 前 言

水的供應(yīng)與城市的發(fā)展緊密相連,是影響城市快速發(fā)展的重要因素。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步,人們對(duì)供水服務(wù)的水質(zhì)、水量和供水穩(wěn)定性要求越來越高,用水和供水的矛盾日益突出[1]。大量的實(shí)踐證明,長(zhǎng)距離輸水工程是解決城市日益增長(zhǎng)的生活生產(chǎn)用水與城市水資源匱乏之間矛盾的最有效技術(shù)手段之一[2]。但長(zhǎng)距離輸水工程由于地勢(shì)起伏變化大,管線布設(shè)隨地形蜿蜒起伏,導(dǎo)致管道內(nèi)水力過渡過程不穩(wěn)定,管道內(nèi)壓力變化劇烈,容易引發(fā)氣體堵塞和出流不均勻,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致爆管等事故[3-4]。因此,如何通過合理的技術(shù)手段提高供水管路系統(tǒng)的安全性與可靠性,是長(zhǎng)距離輸水工程在設(shè)計(jì)之初考慮的重要問題,也使得管道內(nèi)氣液兩相流動(dòng)特性的研究受到越來越多的學(xué)者關(guān)注和重視[5-6]。

供水管道在首次通水或因故排空管道后重新投入使用時(shí),均需對(duì)管道進(jìn)行充水[7],但管道充水過程中存在著水柱分離現(xiàn)象和因充水過快而帶來的氣堵問題,使管道內(nèi)形成氣液兩相流動(dòng)[8-9]。而管道存氣不僅是誘發(fā)水擊造成爆管的主要因素之一[10],也會(huì)增加供水的動(dòng)力消耗,影響輸水穩(wěn)定性。因此,通過合理設(shè)置排氣系統(tǒng),排出長(zhǎng)距離輸水管道中的氣體,降低氣體帶來的不利影響,是提高整個(gè)輸水系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。排氣閥設(shè)置是長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)中防止氣阻及爆管,降低水錘不利效應(yīng)的有效手段,國內(nèi)外許多學(xué)者也開展了相關(guān)研究[11-13],但對(duì)于管道充水過程中排氣閥設(shè)置引起的管道內(nèi)流動(dòng)速度及壓強(qiáng)的變化還鮮有報(bào)道。

基于此,本研究以甘肅省臨夏回族自治州(簡(jiǎn)稱“臨夏州”)引黃濟(jì)臨供水工程起伏最大管段(二泵站—高位水池,管線長(zhǎng)度2.90 km,設(shè)計(jì)總揚(yáng)程97.38 m)為研究對(duì)象,選取特征斷面和剖面,采用數(shù)值模擬的方法,研究在實(shí)際工況流量(0.539 m3/s)條件下,排氣閥設(shè)置前后管道內(nèi)水流流態(tài)、壓強(qiáng)和流速的動(dòng)態(tài)變化,以期為管路設(shè)計(jì)和安全、節(jié)能運(yùn)行提供理論支撐。

1 管道模型與數(shù)值方法

1.1 管道幾何模型

為研究排氣閥設(shè)置對(duì)管道內(nèi)水流特性的影響,對(duì)引黃濟(jì)臨供水工程二泵站-高位水池2.90 km的管段進(jìn)行建模,管道直徑1.10 m,設(shè)置6個(gè)橫斷面和4個(gè)縱向剖面進(jìn)行監(jiān)測(cè),如圖1所示。由于水流從二泵站流向高位水池,根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果,在距離二泵站較遠(yuǎn)的高位水池附近設(shè)置的觀測(cè)斷面較密集,來研究管道內(nèi)水流流動(dòng)特性。

圖1 研究管段及選取斷面與剖面

1.2 湍流模型

由于管道內(nèi)水流速度較低,為不可壓縮流體,因此管道內(nèi)流場(chǎng)特性的控制方程采用不可壓縮雷諾平均方程(RANS),湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型,其具體形式為[14]:

(1)

(2)

式中:Cμ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取0.09。σk為k的湍流普朗特?cái)?shù),1.00;σε為ε的湍流普朗特?cái)?shù),1.20;C1和C2為ε方程中的常數(shù),分別為1.44和1.92。Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng),其可由下式確定

(3)

湍動(dòng)能的耗散率ε可以寫作:

(4)

渦黏系數(shù)μt可以表示為k和ε的函數(shù):

(5)

1.3 VOF多相流模型

常見的多相流模型有VOF模型、Mixture模型和Eulerian模型等,在VOF模型中,不同的流體組分共用一套運(yùn)動(dòng)方程,通過定義一個(gè)相體積分?jǐn)?shù)變量來實(shí)現(xiàn)歐拉網(wǎng)格下每一個(gè)單元相界面的追蹤,可以直接計(jì)算所有相的運(yùn)動(dòng)情況,間接推導(dǎo)界面的運(yùn)動(dòng)狀況,避免追蹤相界面時(shí)遇到界面運(yùn)動(dòng)和變形困難[15]。主要適用于自由水面、分層流動(dòng)、液體中的懸浮大氣泡運(yùn)動(dòng)以及潰壩水流等的計(jì)算,能夠較好地捕捉自由表面。因此,為了研究管道內(nèi)可能存在的滯留氣體對(duì)供水管道內(nèi)水流流動(dòng)特性的影響,本文采用VOF法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

1.4 網(wǎng)格劃分

為了提高計(jì)算精度,本研究采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分,對(duì)圓管截面進(jìn)行“O”型剖分,管道截面網(wǎng)格和主體管路網(wǎng)格如圖2所示。在管道壁面添加15層編輯層網(wǎng)格,距離壁面第一層網(wǎng)格高度為4.3×10-5m,滿足標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型要求的y+<30。為了驗(yàn)證模擬的網(wǎng)格無關(guān)性,對(duì)46.3萬、58.9萬和65.6萬三套網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)58.9萬和65.6萬網(wǎng)格方案的計(jì)算結(jié)果較為接近,管道內(nèi)壓降基本保持恒定,差異在2%以內(nèi),考慮計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性,最終選定網(wǎng)格單元數(shù)為58.9萬的計(jì)算方案進(jìn)行后續(xù)數(shù)值分析。

圖2 管道截面和主體管道細(xì)部網(wǎng)格

1.5 邊界條件與計(jì)算方法

邊界條件是否準(zhǔn)確對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性影響較大,因此在應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法求解輸水管道內(nèi)流場(chǎng)特性時(shí),必須給定恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件。本研究中采用在實(shí)際運(yùn)行過程中二泵站測(cè)得的流量、壓強(qiáng)、前池水位等參數(shù),作為計(jì)算域的進(jìn)口邊界條件,但以工程運(yùn)行工況下的壓強(qiáng)為進(jìn)口邊界條件所得管道內(nèi)流量較實(shí)際值偏大,這對(duì)于管道內(nèi)流場(chǎng)特性的分析將產(chǎn)生較大影響。因此進(jìn)口邊界條件采用質(zhì)量流量進(jìn)口,即具有一定質(zhì)量流量的水流沿垂直于進(jìn)口方向進(jìn)入計(jì)算區(qū)域,取單管實(shí)際運(yùn)行工況下的質(zhì)量流量0.539 m3/s進(jìn)行分析。采用壓力出口邊界條件,壓強(qiáng)為大氣壓,相對(duì)壓強(qiáng)為零。管道壁面邊界條件為靜止的無滑移壁面邊界,由于水流具有黏性,因此與管道壁面接觸的水流相對(duì)速度為零,且認(rèn)為管道壁面與周邊沒有物質(zhì)和能量交換。近壁面采用非平衡的壁面函數(shù)法處理。

質(zhì)量、動(dòng)量控制方程采用改進(jìn)的QUICK格式進(jìn)行離散,改進(jìn)的QUICK格式可減少擴(kuò)散誤差,計(jì)算精度較高,穩(wěn)定性好[16]。速度與壓力耦合采用PISO算法,PISO算法是基于校正壓力與速度之間的高度近似關(guān)系算法,求解結(jié)果精度較高[17]本研究中采用ANSYS Fluent 17.0 商業(yè)軟件完成數(shù)值模擬計(jì)算。管道在投入使用時(shí)的充水排氣過程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過程,但受篇幅限制,本文僅以瞬態(tài)模擬管道充水60 min達(dá)到穩(wěn)定后管道斷面和剖面內(nèi)水流的壓強(qiáng)和速度進(jìn)行分析。

2 結(jié)果分析

2.1 壓強(qiáng)特性

氣液兩相流動(dòng)是長(zhǎng)距離大起伏引輸水管道中容易出現(xiàn)的問題。由于管路中氣體的存在,會(huì)引起管路中壓強(qiáng)出現(xiàn)波動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生管路中流動(dòng)的不穩(wěn)定。圖3和圖4為管路橫斷面壓強(qiáng)變化,從中可以看出,管路未設(shè)置排氣閥時(shí)(見圖3),管路近高位水池?cái)嗝?1-1、2-2斷面和3-3斷面)氣體淤積較為嚴(yán)重,通水后管道截面僅有不到50%為水流,而近二泵站4-4、5-5斷面和6-6斷面管道中氣阻現(xiàn)象不明顯。這主要是因?yàn)楣艿栏叩推鸱?管道在低點(diǎn)的累積氣體會(huì)滯留在管道內(nèi)部,隨著水流向管段末端流動(dòng),管內(nèi)的滯留氣體越來越多,一些氣團(tuán)無法順利排出,從而影響管道的過流能力。設(shè)置排氣閥后(見圖4),管路上部氣體淤積明顯減輕。同時(shí),從圖5和圖6管路縱斷面的壓強(qiáng)變化中也可以看出,管路中各段面設(shè)置排氣閥后,管路內(nèi)1-1、2-2斷面和3-3斷面壓強(qiáng)降低,過流斷面積有所增加,而4-4、5-5斷面和6-6斷面沒有明顯變化。說明4-4、5-5斷面和6-6斷面受氣阻影響較小,可以不設(shè)置排氣閥。初步分析主要是由于4-4、5-5斷面和6-6斷面靠近二泵站,地勢(shì)起伏較小,水泵產(chǎn)生的水壓力大于管路內(nèi)氣阻壓力;而1-1、2-2斷面和3-3斷面近高位水池,地勢(shì)起伏較大,同時(shí)受到管路沿程水頭損失、局部水頭損失和未設(shè)置排氣閥產(chǎn)生的累積氣阻的影響,水泵產(chǎn)生的水壓力受到管路內(nèi)氣阻的影響逐漸增大,因此,設(shè)置排氣閥前后管道內(nèi)壓力變化較大。

圖3 斷面壓強(qiáng)(未設(shè)排氣閥)

圖4 斷面壓強(qiáng)(設(shè)置排氣閥)

圖5 剖面壓強(qiáng)(未設(shè)排氣閥)

圖6 剖面壓強(qiáng)(設(shè)置排氣閥)

圖5和圖6顯示了管道內(nèi)縱向剖面1-1至4-4剖面在設(shè)置排氣閥前后壓強(qiáng)的變化?？梢钥闯?未設(shè)排氣閥時(shí)管道內(nèi)水流和氣體流同時(shí)存在,因氣體的可壓縮性,導(dǎo)致管道內(nèi)流體壓力較大,監(jiān)測(cè)橫截面壓強(qiáng)在60 654～254 257 Pa。當(dāng)設(shè)置排氣閥后,管道截面壓強(qiáng)降低至50 465～234 541 Pa,最大可降低 19 986 Pa,而1-1、2-2、3-3斷面和4-4剖面管道內(nèi)流體最小壓強(qiáng)較設(shè)置排氣閥前分別下降了10 546、9 104、9 106 Pa 和9 107 Pa,同時(shí)管道內(nèi)液體的流動(dòng)均勻性較好,很大程度上保證了管道的安全。

2.2 流速特性

圖7為實(shí)際運(yùn)行工況下二泵站—高位水池段管道未設(shè)空氣閥和設(shè)置空氣閥兩種工況下的關(guān)鍵斷面速度矢量。從中可以看出,管道未設(shè)排氣閥時(shí),1-1斷面和2-2斷面內(nèi)水流存在不同程度的回流,從而在管道內(nèi)部形成旋渦,加大了水流在管道中流動(dòng)的摩擦阻力和局部阻力,大大增加管路輸水系統(tǒng)的動(dòng)力消耗和運(yùn)行成本。當(dāng)管道內(nèi)設(shè)排氣閥后,1-1斷面和2-2斷面除靠近壁面邊界層區(qū)域外,中心區(qū)域的水流近似均勻直線流,大小較為接近,方向基本平行,斷面的回流的旋渦消失,管道內(nèi)形成良好的內(nèi)部流動(dòng),各斷面中心區(qū)域的水流速度分布更為均勻(見圖8)。

圖7 關(guān)鍵斷面速度矢量

圖8 2-2斷面流速

圖9和圖10為實(shí)際運(yùn)行工況下二泵站—高位水池段管道內(nèi)設(shè)置空氣閥前后4-4剖面流速云圖和矢量圖。從圖9中可以看出,管道未設(shè)排氣閥時(shí),由于氣體的存在,管道內(nèi)液體流動(dòng)不均勻、不平穩(wěn),管道內(nèi)局部速度突變,容易引起管道振動(dòng),嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng),管道在長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)作用下,易導(dǎo)致連接處松動(dòng)漏水甚至管道斷裂,從而會(huì)降低管道的使用壽命。管道設(shè)排氣閥后(見圖10),在管道的彎曲處,流速矢量圖反饋出其水流流動(dòng)方向相互平行,管道內(nèi)水流均勻性和平穩(wěn)性增加,水頭損失大大減小,有利于工程的節(jié)能運(yùn)行。此外,設(shè)置排氣閥后管道斷面的平均流速為0.59 m/s,與設(shè)計(jì)理論值0.57 m/s 較為接近,而斷面平均流速的實(shí)際值較理論值偏大的主要原因是數(shù)值模擬建模時(shí)忽略了管道部分起伏轉(zhuǎn)折點(diǎn)?？梢?設(shè)置排氣閥對(duì)長(zhǎng)距離起伏輸水管路系統(tǒng)的節(jié)能安全運(yùn)行具有重要意義。

圖10 4-4剖面流速及矢量(設(shè)置排氣閥)

3 結(jié) 論

(1) 不設(shè)置排氣閥時(shí),管道液體流動(dòng)不均勻,管道起伏段出現(xiàn)較多的滯留氣團(tuán)和多點(diǎn)局部聚集氣體現(xiàn)象,引起了管道內(nèi)流態(tài)的惡化,產(chǎn)生旋渦;設(shè)置排氣閥后,整個(gè)管道內(nèi)流態(tài)近似均勻直線流,流態(tài)穩(wěn)定,斷面速度分布均勻。

(2) 不設(shè)置排氣閥時(shí),管道截面內(nèi)因氣體淤堵有效過流斷面面積不到50%;設(shè)置排氣閥后,有效過流斷面面積增大至整個(gè)管道截面,管道輸水能力增加。

(3) 不設(shè)置排氣閥時(shí),管道橫截面壓強(qiáng)在60 654～254 257 Pa,設(shè)置排氣閥后管道截面壓強(qiáng)降低至50 465～234 541 Pa,最大可降低 19 986 Pa,有利于管路系統(tǒng)的節(jié)能安全穩(wěn)定運(yùn)行。