真空管道水力特性试验研究.pdf

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1、第 4 1卷 第 1 1期 2 0 1 5年 1 1月 水 力 发 电 真 空 管 道 水 力 特 性 残 验 研 究 张 小莹 ，李 琳 ，王梦婷 ，谭义海 ( 1 新疆农 业大学水利 与土木工程 学院 ，新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 5 2； 2 新疆新 能源新风投资开发有 限公 司，新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 0 0 ) 摘要 ：通过对真空有压输水管道输水能力 的试验 研究 ，观测到不同安装高度下 的气液两 相流 流型现象。量测 了不 同安装 高度相应水位差下的流量 的大小 ，并分析 了流量的变化规律 。通过观察 ，虹吸管 内气液两相 流流型随着安装 高度 的增 加 由气泡流转化为气

2、团流。对 比面积 减小 率与流量减小率得到 ：当管内为气泡 流时 ，面积减小 率与流量 减 小率 相差不大 ；当管 内为气 团流 时，面积减小率接 近于流量减小率的一半 。 关键词 ：真空有压管道 ；输水能力 ；气泡流 ；气 团流 Expe r i me nt a l Re s e ar c h o n Hy dr a ul i c Ch ar a c t e r i s t i c s of Vac u um Pi pe l i ne ZHANG Xi a o y i ng ， LI Li n ， W ANG Me ng t i ng ， TAN Yi h a i ( 1 C o l l e

3、 g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ，Xi n j i a n g Ag r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y ，Ur u mq i 8 3 0 0 5 2 ，Xi n j i a n g ，C h i n a ； 2 Xi n ii a n g Ne w E n e r g y Xi n f e n g I n v e s t me n t De v e l o p me n t C o ，L t d ，Ur u mq i 8 3

4、0 0 0 0 ，X i n j i a n g ，C h i n a ) Abs t r a c t ：By e x pe r i me n t a l s t u di e s o f wa t e r c o n v e y a n c e c a p a c i t y o f v ac uu m p r e s s u r e wa t e r p i p e ，t h e g a s l i q u i d t wo p ha s e flo w ph e n o me n a un d e r d i f f e r e n t i ns t a l l a t i o n he

5、 i g h t a r e o bs e r v e dTh e flo w r a t e s u nd e r di f f e r e nt i n s t a l l a t i o n h e i g ht a nd c o r r e s p o n di ng wa t e r l e v e l d i f f e r e nc e a r e me a s ur e d a n d t h e c h a n g i ng r u l e o f wa t e r f l o w i s a na l y z e dThe s t ud y f i nd s t h a t

6、 ，wi t h t he i n c r e as e o f t h e i n s t a l l a t i o n h e i g ht ， t he g a s l i qu i d t wo ph a s e flo w pa t t e r n i n s i p ho n c o n ve r t s i n t o a i r ma s s f l o w f r o m bu b bl e f l o w The c o m p a r i s o n o n a r e a r e d u c t i o n a n d fl o w d e c r e a s e r

7、 a t e s s h o w s t h a t ：( a )w h e n t h e t u b e i s b u b b l e fl o w ，t h e a r e a r a t e a n d fl o w d e c r e a s e r a t e a r e s i mi l a r ；a n d( b )wh e n t h e t u b e i s a i r ma s s fl o w，t h e a r e a d e c r e a s e r a t e c l o s e t o h a l f o f fl o w r e d u c t i o

8、n Ke y W o r d s ：v a c u u m p r e s s u r e p i p e l i n e ；c a r r y i n g c a p a c i t y ；b u b b l e f l o w；a i r ma s s fl o w 中图分类号 ：T V 1 3 4 2 文献标识 码 ：A 文章编 号 ：0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 5 ) 1 1 - 0 1 2 3 0 4 0 引 言 目前 ，虹 吸 式输 水 管 道 已被 广 泛应 用 于 实 际 工 程 中” 。朱 红 耕 等 运 用 三 维 数 值 模 拟 的 方 法 ， 对 虹

9、 吸 管 路 的 水 力 特 性 进 行 模 拟 分 析 ， 创 造 了 虹 吸 管 道研 究 的 新 篇 章 。 目前 ，国 内 外学 者 多 以 短距 离 虹 吸 管道 ( 如驼 峰 式 虹 吸管 道 ) 为 研究 对 象 ，对 虹 吸 的过 程 以及 虹 吸 管 道 水 力 特 性 进 行 了 多方 面 研 究 ， 但 对 长 距 离 虹 吸 管 道 的 研 究 较 少 。 李 琳 、 许 史 。 针 对 新 疆 台 兰 河某 地 下 水 库 中 的 长 距 离 虹 吸 管道 进 行 了水力 学模 型 试 验 ，并 发 现 随着 安 装 高 度 的增 大 ，管 内的 汽化 现 象 愈 发

10、严 重 ，虹 吸 管 内 由单 一液 相 流 转 变 成 气 液 两 相 流 ；王 梦 婷 针 对 非 驼 峰 式 的 正 虹 吸 管 道 进 行 了 系 列 试 验 研 究 ，并 将 量 纲 分 析 法 与 数值 拟 合 方 法 相结 合 ，得 出了计 算 长 距 离 虹 吸 管 道流 量 的 公 式 。笔 者在 前 期 研 究 的基 础 上 进 一步探 究 了安 装 高度 和上 下游 水 位 差 与流 量 减 小 率 的关 系 ，通 过 对 管 道 内气 液 两 相流 流 型 的研 究 ，利 用 面 积 减小 率 对 不 同流 型 时 流量 的变 化规 律 进 行 了 分 析 。 1 试验

11、装置及试验方案 1 1 试 验 装置 及 仪器 试 验 由上 游 进 口溢 流 堰 、虹 吸管 路 、下 游 出 口 收稿 日期 ：2 0 1 5 - 0 2 - 1 1 基金项 目：国家 自然科学基 金资 助项 目( 5 1 3 6 9 0 3 1 ) ；新疆 农业 大学研究生科研创新项 目( x J A u G R I 2 0 l 5 0 1 8 ) 作者简 介 ：张 小莹 ( 1 9 9 2 一) ，女 ，新 疆伊 宁人 ，硕 士研究 生 ， 从事计算水力学研究 ；李琳( 通讯作者) 瓜 J 、 玉， 守： 县 ： I ：目 理 IX J忖 I“ t - 越 计 3试验结果及分析 3 1

12、 试 验 结果 表 1为 不 同 水 位 差 下 安 装 高 度 与 流 量 关 系 ，可 看 出 2在 上 下 游 水 位 差 不 变 的 情 况 下 ， 安 装 高 度 与 过流 量成 反 比关 系 ；在 安 装 高 度 一 定 的情 况 下 ，上 下游 水 位差 与 过 流量 成 正 比关 系 。通 过 流 量 减 小 率 研 究 安 装 高 度 对 流 量 的 影 响 程 度 ，流 量 减 小 率 A Q 的计 算公 式 为 Q=( Q 一Q ) Q 1 0 0 ( 1 ) 式 中 ，Q 为 管道输 水 流 量 的理 论 值 ，将 h =1 m 时 所 测 得 的流量 值 作 为管 道

13、 输 水 流量 的理 论值 ；Q 为 不 同安装 高度 下所 测得 的 虹吸管 的 实际输 水 流量 。 从 式 ( 1 ) 可 知 ：流 量 减 小 率 越 大 ，虹 吸 管 道 内 实 测 流量值 越 小 。 由式 ( 1 ) 计 算得 到 的结果 如 图 3所 示 ，在上 、下 游水 位 差 不 变 时 ，h 越 高 ，AQ越 大 ， 且 AQ增 加 的程 度较 大 ；在安 装 高 度 一定 的情 况 下 ， AQ随着上 下游 水 位差 的增 大 而减 小 。 由此 可知 ，虹 吸 管道 的安 装 高 度 和 上下 游 水 位 差 这 两 个 因素 对 虹 吸 管道 内输 水 流 量 影

14、 响 较 大 ，而安 装 高 度 和上 下 游 水 位差 不 同 时 ，虹 吸 管 道 内流 态 也 不 一 样 ，管道 内 由单 一 液相 流 变 为 气 液 两 相 流 ，又可 把 气 液 两 相 流 分 为气 泡流 和气 团流 ，且 当管道 内 出现气 泡流 和气 图 3不同安装高度 b 与流量减小率 0关系曲线 团流 时 ，所测 得 的流 量 均 小 于 满 管 时 的流 量 。故 笔 者认 为 由于流 型 不 同 ，管 道 内流 量 变 化 规 律 也 不 相 同 ，因此 下文 分别 对 不 同流 型 下 管 内 的流 量 变 化 进 行 分 析 。 3 2气泡 流对 流量 的影响

15、常规有 压 管流 流量计 算公 式 为 Q = 。 A 2 g ( 2) 式 中 ， 。为 管道 的 流量 系数 ；A为 管 道 的过 水 断 面 面 积 。 根 据表 1可 知 ， H 一定情 况 下 ，随着 h 的增大 ， 虹 吸管 内 的实 测 流 量 Q 小 于满 管 时 的 流 量 Q ，流 量 减小 的 主要原 因是 流 量 系 数 或 过 水 断 面 面 积减 小 了。为 此 ，引入 面积 减小 率 A，即 A= 。 式 中 ，A 为 虹吸 管满 管过 流 时 过水 断 面 面 积 ；A 为 实测 的过 水 断面 面积 。 把试 验所 测数 据带 入 式 ( 3) 得 到 结果

16、见 表 2，由 表 2可 知 ，当 h =2 m 时 ，随着 日 的增 大 ， A逐 渐 减 小 ， 而 AQ 随 着 的 减 小 而 减 小 。 与 AQ 的 关 系见 图 4 a ，可知 A与 AQ呈 线性关 系 ，直线 斜率 约 为 1 。即 ，当管 道 内流 型 为 气 泡 流 时 ，过 水 断 面 面 积对 管道 流量 的 大小起 决定 性作 用 。 表 2 h 。 =2 m 时 。不同上下游水位差下 与 0关系 H c m A A A Q H c m A A A Q 7 4 4 1 6 4 7 2 3 2 7 7 1 7 3 6 3 9 2 5 8 1 9 2 1 9 2 7 3

17、3 3 5 5 6 8 1 8 1 9 8 3 7 2 8 3 0 7 3 3 气 团 流对流 量 的影 响 当 h 从 4 I l l 增 大到 5 m 的过 程 中 ，虹 吸 管 内 为 气泡 流掺 杂气 团 流 ，以气 泡 流为 主 。 当 h 从 6 m 增 大 到 8 m 时 ，真 空管 道 内为 气 团 流 。将 h =7 m 时 不 同上下 游水 位 差下 A与 AQ进行 比较 ，如 表 3所 表 1 不同水位 差下安装高度 与输水流量关 系实测值 W a re r e r V o L 4 N o 啮 5 4 3 2 1 O 0 1 2 3 4 5 8气泡流 5 0 4 0 3

18、O 2 0 I O 0 0 l O 2 0 3 0 b气 团流 图 4A 与 0 的 关 系 示 ，可 知 ，随 着 日 的 增 大 ，15Q 逐 渐 减 小 ， 也 逐 渐减 小 ，但 Q的 数 值 比 大 了两 倍 之 余 ， 与 AQ 的 关 系 见 图 4 b所 示 。 故 在 以 气 团 流 为 主 的 虹 吸 管道 内 ， 与 aQ有关 ，故 管 道 过 水 断 面 面积 减 小 是 引 起 流 量 减 小 的 一 个 原 因 ，除 此 之 外 ，流 量 的 减 小应 该还 与 其 他 因素 有 关 。根 据 式 ( 2)可 知 ， 当管 道 内 为 气 团 流 时 ， 流 量 系

19、 数 的 变 化 也 是 引 起 流 量 减 小 的主要 因 素 。 因此 ，流量 减 小 还 应 考 虑 流 量 系 数 的 变化 ，影 响管 道 流 量 系数 因素 有 很 多 ，如 沿 程 阻 力 系数 、流速 及 局 部 阻 力 系 数 等 ，且 真 空 管 道 水 流 掺气 后对 流 量 系数 也 会 产 生 一 定 影 响 。故 在 后 续 试 验 研 究 中 ，应 考 虑 掺 气 后 的 气 团 流 中 流 量 系 数 的 变 化 规 律 。 表 3 n 。= 7 m 时 。不同上下游水位差下 0与 关 系 H c m A AQ H c m A A A Q 7 2 0 4 4 4

20、 8 4 7 1 O 6 2 5 7 8 1 7 1 8 1 4 1 4 6 5 8 6 9 1 3 1 8 2 7 l 6 3 8 6 6 8 4 5 6 9 3 3 7 1 3 3 4 5 6 4 结语 通过 真 空 管 道进 行 的 系列 试 验 研 究 ，观察 了 不 ( 上 接 第 1 0 2页 ) 参考文献 ： 1 丁乐群 ， 鲁亚楠 ， 王珊珊反调节水库综合效益分析评价 J 华 中 电力 ， 2 0 0 9 ， 2 2 ( 6 )： 2 0 - 2 2 2 张正平 ，范永思 ， 卢兆辉 ，等丰满 大坝治理工程 对下游水环 境 的影响分析 J 水力发 电， 2 0 1 0 3 6

21、( 4 ) ： 9 1 1 3 中国电建集 团贵 阳勘测 设计研 究院有 限公 司丰满水 电站环 境 影响后评价研究报告 R 贵 阳：中国电建 集团贵阳勘测设计 研 匾 W a r P o r V o 1 4 l l l 同工 况下 的水 流 流 态 ，分 析 了 不 同安 装 高 度 及 水 位 差 下 流 量 的变 化 规 律 ，并 得 到 以 下 结 论 ： ( 1 ) 随 着 安 装 高 度 的增 加 ，真 空 有 压 管 内 由单 一的 液 相 流 变 为 气 液 两 相 流 ，且 随 着 h 的 增 大 ，虹 吸管 内的气 液两相 流 流型 由气泡 流一 气泡 流 为 主 ( 掺

22、杂 气 团流 ) 一 气 团流 为主 ( 气 泡流 很少 ) 一 断流 。 ( 2) 真 空 有 压 管 道 的 过 流 量 随 安 装 高 度 的 增 大 而 减 小 ， 随 上 下 游 水 位 差 的 增 大 而 增 大 。 且 流 量 的 变化 与管 道 内 的流 型有 关 ：当 管 道 内为 气 泡 流 时 ， 气泡 流 的面积 减 小 率 与 流 量 减小 率 几乎 相 等 ；当 管 内为气 团流 为 主时 ，气 团流 的面 积 减 小 率 约 占流 量 减 小 率 的 5 0 。 参考 文献 ： 1 李云，黄光明老虎山水电站倒 虹吸管伸缩节振动机理分析 J 水力发电， 2 0 0

23、4 ，3 0 ( 2 ) ： 6 6 6 8 2杨禧 昆明掌鸠河引水供水工程岔河倒虹吸设计 J 水力发电 ， 2 0 1 0， 3 6 ( 1 0 ) ： 3 8 4 1 3 张法思 ， 朱建和虹吸式进水 口水 电站机组甩负荷 飞逸过渡过程 分析 J 水力发 电，1 9 9 0( 5 ) ： 5 0 5 2+3 7 4 冯新 民采 用 虹吸 进水 方式 的小 水 电站 J 水 力 发 电，1 9 8 3 ( 6 ) ： 4 5 - 4 6 5 洪庆松虹 吸管在城市取水工程 中的应用 J 有色 冶金 设计 与 研究 ， 2 0 1 4 ， 3 5 ( 5 ) ： 8 9 9 1 6 朱红耕 ，

24、袁 寿其 ，施卫东 ， 等大型泵站虹 吸式出水 流道 水力特 性分析 J 中国农村水利水电 ， 2 0 0 5 ( 7 ) ： 7 1 7 4 7 朱红耕大型泵站虹吸式 出水 流道水力特性分 析 J 中 国给水 排水 ，2 0 0 6， 2 2( 6 ) ： 5 4 - 5 7 8 李琳 ，邱秀云 ， 许史 ，等长距离虹 吸管道输水水力 学模型试 验 研究 J 南水北 调与水利科技 ， 2 0 1 0 ，8 ( 3 ) ：1 0 6 1 0 9 9 许史 ，李琳 ， 邱秀云 ，等长距离虹吸管输水试 验研究初探 J 中国农村水利水 电， 2 0 1 0 ( 3) ： 7 0 7 2 1 0 许史

25、长距离虹 吸管输水试验研究 D 乌鲁木齐 ： 新疆 农业 大 学， 2 0 1 0 1 1 王梦婷 ，李琳 正虹吸管道水力特性试验研 究 J 水 电能源 科 学 ， 2 0 l 4， 3 2 ( 1 2 ) ：8 7 9 0 ( 责任 编辑王 琪 ) 究院有限公司，2 0 1 5 4 杨伟 ， 谢福志丰满三期 扩建永 庆反 调节水库 浸没 再评价 J 东北水利水 电， 2 0 1 2 ( 8 ) ： 6 - 7 5 杨意明 ， 邓凤君永 庆反调节水库对 坝下 吉林 江段水质影 响分 析 J 水资源保护 ，1 9 9 9 ( 4 ) ：8 1 0 6 周建平 ， 魏 志远 ，杜效鹄关于丰满水电站大坝全 面治理设计研 究的思考 J _ 水力发电 ， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 2 ) ： 8 1 - 8 4 ( 责 任编辑王琪 )