长距离虹吸管道输水水力学模型试验研究.pdf

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1、第 8 卷第 3 期 2 0 1 0 年 6 月 南水北调与 水利 科技 S o u t h - t o - N o r t h Wa t e r T r a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c e 8 L T e c h n o l o g y Vo 1 8 No 3 J u r L 2 0 1 0 d o i ： 1 0 3 7 2 4 S P J 1 2 0 1 2 0 1 0 0 3 1 0 6 长距离虹吸管道输水水力学模型试验研究 李琳 b ， 邱秀云 ， 许 史 ， 牧振伟舢 ， 赵 涛 ， 侯 杰舢 ( 新疆农业大学 a 水利与土木工程学

2、院； b 农业节水与水资源中心 ， 乌鲁木齐 8 3 0 0 5 2 ) 摘要： 通过新疆某坎儿井式地下水库示范工程的长距离虹吸输水段管道进行输水水力学模型试验研究， 观测了虹吸管安 装高度不同时水流汽化现象和流态， 测出管道水头与过流量关系， 分析了试验值与设计值的差异。试验结果表明， 在水 力学模型设计时仅依据相似准则设计的虹吸输水管模型中的流动现象与原型不同， 模型试验结果不能准确反映原型流 动现象。对于真空有压输水管流运动的模型试验设计， 除依据相似准则进行模型设计外 ， 还必须尽可能保证模型与原 型管道内的最大真空度相同， 使模型试验结果较准确地反映原型管道流动现象和过流能力。同时，

3、 试验发现长距离虹 吸输水管道的输水流量不仅与过流断面尺寸和上下游水位差有关， 虹吸管的安装高度对其影响不可忽略。试验研究 结果对管道真空输水模型试验提供了重要参考价值， 同时对虹吸真空输水工程的设计与运行有一定的指导意义。 关键 词： 虹吸管道 ； 真空输水 ； 水力学模型试验 中图分 类号 ： T V1 3 1 6 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 1 0 6 0 4 Hy d r a u l i c Mo d e l T e s t Re s e a r c h f o r Lo n g - Di s t a n c e

4、 S i p h o n P i p e Wa t e r Co n v e y a n c e I I I i n a ， QI U X i u y u u ， XU S h P ， u ， MU Z h e n - we i a - ， Z HA( ) Ta o a - ， HO U J i e a ， ( X 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， a C o l l e 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 En g i n e e r i n g；

5、b 。 Agr i c u l t u r a l a n d W a t e r S av i n g C e nt r e， Ur u mq i 8 3 0 05 2， Chi n a) Ab s t r a c t ： Du r i n g t h e h y d r a u l i c s mo d e l t e s t o f l o n g - d i s t a n c e s i p h o n p i p e wa t e r c o n v e y a n c e i n a k a r e z u n d e r g r o u n d wa t e r d e mo

6、n s t r a t i o n p r o j e c t i n Xi n j i a n g ， t h e wa t e r e v a p o r a t i o n p h e n o me n o n a n d f l o w p a t t e r n i n s id e t h e p i p e w i t h d i f f e r e n t i n s t a l l a t i o n h e i g h t s h a d b e e n o b s e r v e d a n d t e s t e d An d t h e r e l a t i o n

7、 a l c u r v e a b o u t h e a d o f p i p e a n d d i s c h a r g e h a d b e e n ma d e Th e d i f f e r e n c e b e t we e n d e s ig n c a l c u l a t i o n d a t a a n d e x p e r i me n t a l d a t a wa s a l S O d i s c us s e d Th e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t i f t h e s i p h o

8、 n p i p e mo d e l wa s d e s i g n e d o n l y b a s e d o n t h e s i mi l i t u d e l a w， t h e flo w p h e n o me n a i n t h e mo d e l we r e d i f f e r e n t f r o m t h e p r o t o t y p e， a nd t he mo d e l t e s t r e s u l t c o u l d n o t a c c u r a t e l y r e f l e c t t h e p he

9、 n o me n a o f t h e p r o t o t yp e f l o w Th e s i p h o n p i p e f l o w h y d r a u l i c mo d e l s h o u l d b e d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e s i mi l i t u d e l a w a n d s imu l t a ne o u s l y e n s u r e t h e pr o t o t y p e a n d mo d e l i n l i ne wi t h t he s a

10、me l a r g e s t v a c u u m d e g r e e ， wh i c h c o u l d e n s u r e t h e t e s t r e s u l t s mo r e a c c u r a t e l y t o pr e v i e w t he p r o t o t y p e p i p e l i ne f l o w p he n o me n a a n d d i s c ha r g e Th e e x p e r ime nt a l s t u d y c a n p r o v i d e t h e i mp o

11、r t a nt r e f e r e nc e t o t h e p i p e l i n e v a c u u m wa t e r d i s t r i b u t i o n mo d e l e x p e r i me nt ， a n d h a v e c e r t a i n g u i d i n g s e n s e f o r t he d e s i g n a j d t h e o p e r a t i o n o f t h e s i p ho n p i p e e n g i n e e r i n g Ke y wo r d s ：s i

12、 p h o n p i p e ； d e l i v e r y p i p e l i n e ； h y dr a u l i c mo d e l t e s t 0 引言 虹吸式输水管是利用当地大气压力而工作的一种压力输 水管道， 具有施工工艺简单、 能跨越高地减少土方开挖、 工程 维护方便、 工程造价较低、 不易造成因水流沿建筑物渗漏而引 起的渗透破坏等优点。采用虹吸管输水不仅可减少土方工程 量、 降低工程造价， 更重要的是可大大降低水泵的输水扬程， 节能效果十分显著。目 前在我国采用正虹吸输水管道的最大 长度不超过 5 0 0 mc ， 而且多采用“ 驼峰” 式的虹吸管， 在虹

13、 吸管段的高点处排气。虹吸管输水在很多小型水库的除险加 固工程中得到了广泛应用， 主要应用于输水灌溉涵管的重建。 由于虹吸管处于真空状态下工作， 管外空气很容易从管路接 头的不严密处渗入。工程施工难度大， 对管道连接密封性要 求高， 对安装高度也有一定的限制。因此， 目前虹吸输水多应 用于短距离的输水工程中， 对于长距离输水工程中采用正虹 吸形式还 尚未见报道 。 在新疆某坎儿井式地下水库示范工程设计中首次应用长 距离正虹吸真空输水管道， 一期工程由4眼集水井， 真空输水 收稿日 期： 2 0 1 0 0 3 2 2 修回日期： 2 0 1 0 0 5 0 5 基 金项 目： 新疆水利水电工程

14、重点科学基金项 目( 2 0 0 8 1 3 8 7 9 7 0 ) 作者简介： 李琳( 1 9 7 9 一 ) ， 女， 山东青岛人， 讲师， 博士， 主要从事水工水力学等方面的研究。 | t 蜉 魏 秘 辨 辨强 1 0 6 试验研究 李 琳等 长距离虹吸管道输水水力学模型试验研究 段约 1 8 0 0 m， 真空输水段由3眼集水井同时向另一眼集水井 输水。最长虹吸管长 1 1 6 0 m， 管径 1 2 m， 管道设计水头 2 m， 设计输流量 1 5 m3 s ， 最大安装高度为 8 m。虹吸管段坡 度约为 0 3 。与目前已建工程相比， 该工程真空段较长， 输 水过程中从水中析出的气

15、泡在管道中的分布位置和气泡的运 动规律对管道输水能力的影响无法预知， 而水力学模型试验 能够复演和预演原型中可能出现的一些复杂的水流现象。因 此， 文章通过水力学模型试验， 对长距离虹吸管道输水模型试 验中相似比尺和水流汽化对输水能力的影响进行研究。 1 试验内容及模型设计 1 1试验 内容 及 目的 根据模型试验相似准则设计 、 安装模型进行水力学模型 试验， 验证设计工况下虹吸管道的输水能力， 分析试验结果与 计算结果的差异， 并提供管道的水头与流量关系； 观测虹吸管 中的水流汽化现象及气泡的分布位置， 并提出排气方案。为 原型虹吸输水管道的设计与运行提供参考。 1 2 模 型设 计及 制

16、作 1 2 1 模型设计 由模型相似准则可知， 在管道、 隧洞等有压流中， 黏滞力 起主要作用。因此， 对这类流动的模型试验要求 同时满足重 力相似准则和黏滞力相似准则。在本试验中， 按照同时满足 重力相似准则和黏滞力相似准则设计模型， 这就要求在模型 实验中用运动黏滞系数是水的 1 2 5 o ( 本试验的几何比尺为 4 0 ) 的液体来代替原型水流 ， 这在目前是无法实现的。但由相 似模化理论 。 可知， 黏性流体具有“ 自模性” 特点， 即只要保 证原型和模型的雷诺数 R e 处于同一 自模区， 如原型与模 型 管道中的水流均处于紊流阻力平方区时， 阻力作用 自动相似， 而无须保证模型和

17、原型Re 数值绝对相等。在本试验中， 原型 虹吸管内的水流处于阻力平方区。模型管道通过设计流量时 对应的 R e 为 4 8 0 2 ， 根据文献 6 可知， 模型水流 R e 大于4 0 0 0 时就可以认为水流进入阻力平方区， 原型管道与模型管道同 处于阻力平方区， 阻力作用 自动相似， 即黏滞力相似准则自动 满足。模型的各项比尺及参数见表 1和表 2 。 表 1 模型 比尺 表 2 原型与模型虹 吸管道主要参数 与常规水力学模型设计不同的是， 本虹吸管模型在设计 时除了依据相似准则设计模型外 ， 还同时考虑了管道安装高 度即管内最大真空度不同时水流汽化现象不同的特点 ， 分别 制作了安装

18、高度不同、 其它尺寸相同的3个模型， 原型与模型 安装高度之比( 用 h h 表示) 分别为 4 0 ， 2 ， 1 。 1 2 2 模型制作 模型管道材料选用有机玻璃管制作， 管段连接要求密封 防止空气掺人水流。模型由上游溢流堰( 井) 、 管路 、 下游出E l 溢流堰( 井) 组成。进水口溢流堰和下游出水I： 1 溢流堰可保持 水位恒定不变 模型布置见图 1 、 图 2 。在虹吸管的上游顶端 l 一1 断面、 管道中间 2 2断面和下游末端 3 3断面处连接 排气管， 排气管与排气室相连通 ， 排气室上部通过管道与真空 泵相连接， 保证各连接口的密封性。试验前， 对管道进行放水 试验检测

19、模型 的密封性 。 图 1 模型布置图 图 2 模型全景 2 试验研 究及 结果分析 试验开始时， 为使虹吸管内形成真空， 首先开启 1 1 、 2 - 2 、 3 3 断面处真空泵， 将管路内气体抽出使管路内形成负压， 大气压将水压入管道并充满整个管路， 上下游溢流堰用于保持 恒定的水头， 管路中有一定的负压及一定的上下游水位差存 在， 水流就会持续的自上游流往下游。然后改变上游溢流堰高 度来改变上下游水位差， 进行不同水头下管道输水试验研究。 2 1 原型与模型虹吸管安装高度之比等于几何比尺 模型中虹吸管安装高度依据相似准则缩尺后为 0 2 m， 即 h h 一4 0 ， 管内真空高度约为

20、 0 2 m， 不同管道水头与对 应的流量关系见表 3 。试验表明： 在实验温度 1 4时， 管内 水流无汽化现象。随水流进入管道的个 JP J , 气泡黏附在管 壁 ， 但由于气泡的数量很少， 体积基本不变， 管道输水过程中 不会出现断流和不满流现象， 在管道沿程无需设置任何排气 设备。当模型水头为 5 c m( 原型 2 m) 时， 虹吸管输水流量为 0 1 1 5 L s ( 原型 1 2 r I 1 3 s ) ， 小于设计流量 0 1 5 L s( 原型 1 5 m3 s ) 较接近。随着上、 下游水位差的增大， 管道过流量 随之增大， 当上、 下游水位差为 1 0 c m( 原型

21、4 m) 时， 虹吸管输 l_试 1 0 7 第 8卷 总第 4 8期 南水北调与水利科技 2 0 1 0年第 3期 水流量达到设计流量。 对于常规的水力学模型试验 g 。 l _ 而言， 按照相似准则设 计的模型能够正确预演原型的水流现象。但是从上述的试验 现象和结果来看 ， 依据相似准则设计的虹吸管模型并没有正 确反映原型中的水流现象。原型虹吸管的安装高度为 8 1T I ， 管内最大真空度约 8 n l ， 常温下， 管内水流必然发生严重汽 化 ， 管道内流动介质为水汽二相流。而模型中管内水流无汽 化现象 ， 管道内为单相水流动。原型与模型流动介质不相似， 不可能满足相似流动所要求的运动

22、相似和动力相似。致使模 型试验结果不能正确反映原型中管道的流态和验证管道设计 过流能力。因此， 在虹吸管真空输水的水力学模型试验中， 应 考虑原型与模型真空度相似的问题。 表 3 h 一O 2 m虹 吸管水头与过流量关 系 模 型水头 c m 原型水头 m 模 型流量 ( L S 一 ) 原 型流量 ( m0S ) 3 6 O 3 1 4 41 0 31 8 3 2 2 2 原型与模型虹吸管安装高度之比不等于几何比尺 2 2 1 原型与模型安装高度相 同 为了满足原型与模型水流汽化现象相似的要求， 将虹吸 管安装高度调节至8 m( 模型照片如图 2 ) ， 此时管内最大真空 度约为 8 m，

23、与原型管道内的最大真空度相同。实测了不同 管道水头与对应的流量关系见表 4 。 试验 中发现 ， 当水头为 5 1 0 c m( 原型 2 4 m) 时 ， 在 虹 吸管垂直管道约 4 i n高度处水流汽化现象明显， 形成很多独 立的具有一定体积的近似于球形的气泡。这些气泡受到浮力 作用随水流上升进入水平管道中， 部分气泡黏附在管壁上( 如 图4所示) ， 部分气泡随水流运动至排气管处被真空泵排出， 但仍有一部分气泡虽然运动到排气管处但并没有被排出， 而 是体积变小继续向下游运动， 与其它气泡在距排气管一定距 离处聚集形成大的椭球状气囊 ， 随水流向下游运动的过程中 速度越来越小， 最后几乎处

24、于静止状态， 并且气囊体积逐渐增 大 ， 在很短 的时间约 5 mi n ( 原型 3 0 mi n ) 内管道断流 。此 时， 即使开启所有的真空泵， 也无法将大的气囊从管中排出， 即在 该水头下， 虹吸管不能正常运行。造成断流的原因一方面是 由于管道内负压较大 ， 水流汽化严重 ， 气泡数量不断增多； 另 一方面是由于管道的实际水头小， 水流携带气泡运动速度较 小 ， 不断形成的气泡来不及排出而聚集在水平管道中形成体 积较大的气囊， 使管道的过水断面积减小， 过流量减小， 水流 流速也随之减小， 加剧了气泡聚集。当气囊贯穿整个管道断 面 时， 管内断流。 图 4 安装高度 h 一8 r n

25、时的管 中汽化现象 试验 中发 现 ， 当虹吸管 实 际水头 增大 至 1 5 3 0 c m( 原 型 6 8 m) 时 ， 开启所有真空泵， 原来停 留在管道中的气 泡 开始 向下游 运动 ， 并 且 随 着水 头 的增 大 ， 气 泡 向下 游 运 动速度也随之增大 ， 此时管中不再形成气囊 ， 可保证管道 连续流动。 表 4 h 一7 5 1 2 -1 水位差与虹吸管流量关系 模型水位差 c m 5 9 4 l 1 5 4 2 0 3 5 3 O 7 5 原型水位差 m 2 o o 3 7 6 6 1 6 8 1 4 l 2 3 O 模 型流量 ( L S )0 0 6 1 0 0 8

26、 9 0 1 3 5 0 1 7 3 0 2 5 4 原型流量 ( r n 3 )0 6 1 7 0 9 0 1 l | 3 6 6 l _ 7 5 1 2 5 7 0 2 2 2 模型安装高度低于原型安装高度 为了进一步讨论原型与模型虹吸管安装高度对水流汽化 现象和管道过流能力的影响， 将虹吸管的安装高度调节至 4 m ( 原型安装高度为 8 m) ， 此时管内最大真空度约为 4 m， 观测 水流汽化现象和过流量大小， 不同管道水头与对应的流量关 1 0 8 试 验 研 免 系 见表 5 。 试验中发现 ， 与 h t z 一1 时 的试验结果相 比， 虹吸管 内 气泡体积小而且数量少。当管

27、道实际水头小于 1 0 c m( 原型 4 m) 时， 水平管 中气 泡贴 于管壁 静止不 动 ， 竖直管 中的气 泡进 入水平管后与其中的气 泡碰撞 聚集成大 的气囊 。由于管道 中 水流流速小无法将管道中气囊带至下游， 气囊越聚越大， 管内 流量也随之减小。在运行过程 中， 间歇性地( 原型约每隔 1 O h ) 开启 1 1 断面的真空泵排气， 即可保证管道过流量恒定， 不会断流。虹 吸管 实际水头 为 1 0 c m ( 原型 4 m) 时， 过 流量 为 0 1 2 7 l s ( 原型 1 2 8 5 m。 s ) ， 小于安装高度 0 2 m时的过 流量( 见表 3 ) ， 大于

28、安装高度 8 n l 时的最大过流量( 见表 4 ) 。 当虹吸管实际水头增至 1 5 c m( 原型 6 m) 时， 水平管中的气囊 逐渐断裂、 破碎 ， 并随水流向下游运动进入排气室， 此时管内 过流量也随之增大。当管道实际水头大于 1 5 c m( 原型 6 m) 时， 不需开启真空泵 ， 就可保证虹吸管的连续运行， 流量不会 减小 。 9 7 四0 O 3 8 8 u O 2 8 钉 4 8 0 2 7 3 8 0 2 ” 2 O 6 O 2 8 _。 “ l要 5 O l 5 “ 6 O 4 O l 3 ” 3 7 3 O 1 5 u 2 5 2 O 1 李 琳等 长距离虹吸管道输水

29、水力学模型试验研 究 表 5 h 一4 m水位差与虹吸管流量关 系 模型水位差 c m 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 原型水位差 m 2 4 6 8 1 0 1 2 模型流量 LS 0)0 0 8 5 0 1 2 7 0 1 7 1 0 2 1 9 0 2 6 0 0 2 8 9 原型流量 m。 s _ )0 8 5 9 1 2 8 5 1 7 3 1 2 2 1 7 2 6 2 8 2 9 2 3 与仅考虑相似准则设计的模型( h 一 一4 0 ) 试验现 象和结果相比， 考虑虹吸管最大真空度( 矗 札) 对水流 汽化现象影响的试验结果完全不同。由表 3 、 表 4和表 5可

30、以看出， 在相同水头下 ， 安装高度为 8 m、 4 m和 0 2 m时的虹 吸管输水能力差别很大。在设计水头 5 c m( 原型 2 m) 运行工 况下 ， 最大真空度 8 m时 ， 虹吸管不 能正常 运行 即连续输水 ， 断流前管道最大过流量为 0 0 6 1 L s ( 原型 0 6 2 m3 s ) ； 最大 真空度为 4 m和0 2 m时， 虹吸管能够连续输水， 但前者过流 量小于后者。试验结果进一步说明模型设计不能仅考虑相似 模化准则来设计模型， 必须同时考虑管道最大真空度对管道 流动和过流能力的影响。同时， 试验结果还表明有压管道过 流量公式 Q一 A v 2 g H( Q为流量

31、， 为流量系数， A为管 道过水断面 面积 ， H 为管 道实 际水头 ) 仅 适用 于管 道 内水流 未发生汽化时管道过流量的计算。当虹吸管道中的压力低于 液体的饱和蒸气压， 管道内发生汽化后应用该公式计算过流 量是不准确的， 此时除了考虑管道的断面尺寸、 上下游水位差 对输水量的影响外， 还应考虑虹吸管的安装高度即最大真空 度对过流量的影响， 试验表明管道水头和管径不变的条件下， 安装高度越大， 水流汽化越严重， 输水流量越小。 3结论 文章在针对新疆某坎儿井地下水库式示范工程长距离正 虹吸输水管道进行水力学模型试验的过程中， 发现了虹吸管 安装高度的准确确定对模型试验能否正确验证原型管道

32、流 态、 气泡运动规律和过流能力有着关键影响， 并对其影响进行 了初步试验研究， 结合理论分析得出了一些结论。 与常规水力学模型试验不同 ， 仅考虑相似准则 、 忽略安 装高度( 即最大真空度) 对水流汽化的影响而设计的虹吸管模 型很难满足原型与模型流动的动力相似和运动相似的要求。 模型试验结果不能客观反映原型中管道的流态和验证管道设 计过流能力。试验 结果 表 明进 行虹 吸管水力 学模型试 验 时， 原、 模型虹吸管的安装高度不能按照相似准则中的长度比尺 关系进行简单的模化， 应尽量保证模型与原型管道内的汽化 现象相似， 可考虑使模型安装高度满足模型与原型的最大真 空度相等。 对于虹吸管输

33、水流量的计算， 在应用有压管道过流量 公式Q一 A 2 g H时应考虑对式中的过水断面积A进行修 正， 由于水流的汽化， 管道实际过水断面积小于管道面积。 建议修改原设计方案， 降低虹吸管的安装高度， 避免或 减轻管内水流汽化现象， 在条件允许的情况下， 虹吸管的最大 安装高度应小于或等于发生气化 的临界真空度， 该值的确定 有待于进一步试验研究 。 由于 目前该虹吸管原型工程尚未建成 ， 加之国内尚无其 他长距离虹吸管输水管道原型工程， 文章所得结论暂无原型 观测资料检验， 因此文章中所得结论可望与同行讨论。 参考文献 ： E l i 高仁超 ， 马传波 长距离输水工程中管路进排气设计的几个

34、问题 E J 吉林水利 ， 2 0 0 5 ， ( 6 ) ： 7 - l O E 2 张建明， 范生雄， 崔永跃 虹吸式输水管设计的探讨E J 东北水 利 ， 2 0 0 5 ， ( 6 ) ： 9 - 1 1 E 3 姚雄， 庞敏， 李静， 等 长距离输水渠系控制蓄量运行研究口 南 水北调与水利科技 ， 2 0 0 9 ， 7 ( 6 ) ： 2 3 7 2 4 0 E 4 刘凤英 ， 马玉江 长距离管道输水工程设计应注意的问题F J 南 水北调 与水利科技 ， 2 0 0 7 ， 5 ( 3 ) ： 8 3 _ 8 4 E 5 3 方神光 ， 吴保 生 南水 北调长 距离调 水 中渠 首

35、所需水 头 的探 讨 J 南水 北调与水利科技 ， 2 0 0 6 ， 4 ( 6 ) ： 5 0 5 2 E 6 董 曾南 水力学E M 北京 ： 高等教育出版社 ， 1 9 9 5 ： 2 0 8 2 2 2 E T 邱秀云 水力学 I 乌鲁木齐： 新疆电子出版社， 2 0 0 8 ： 1 8 8 - 2 2 2 E 8 崔广心 相似理论与模型试验 M 徐州： 中国矿业大学出版社， 1 9 9 0： 5 - 2 5 E 9 沈之平 ， 刘桂生 ， 吕丽君 南水北 调 中线工 程跨河建筑 物堰子河 倒虹吸工程模型试验研究 J 南水北调与水利科技， 2 0 0 8 ， 6 ( 3 )： 1 9 21 E l O 刘继广 气水两相 流模型试验条件与掺气浓度相似律 口 中 国 水利水电科学研究 院学报 ， 2 0 0 7 ， ( 2 ) ： 7 7 8 2 1 1 张成 ， 傅旭东 ， 王光谦 复杂 内边界长距 离输水 明渠 的一维非恒 定流数学模型 J 南水北调与水利科技 ， 2 0 0 7 ， 5 ( 6 ) ： 1 6 2 0 斌 长 l 拳 l 1 0 9