坡比对虹吸管路的稳定时间影响试验研究

GXF360 2017-11-04

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【工程勘测设计】

坡比对虹吸管路的稳定时间影响试验研究

张小莹，李琳，谭义海，吴洋锋

（新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052）

摘要：通过系列试验观察了虹吸管道安装高度为4 m及6 m时坡比及不同水头差下中行管路倾斜布置的虹吸管内的水气两相流动稳定虹吸时间的长短。通过试验研究发现，虹吸时间与水头差、安装高度及坡比均有关。虹吸时间随水头差及安装高度的增大而增大；在正、逆坡管路中，随着坡比的增大，管内伪空化现象逐渐减弱，稳定虹吸时间逐渐增大；坡比不变时，正坡管路虹吸时间均大于逆坡管路，各种工况下平坡管路的虹吸时间最短。

关键词：坡比；虹吸管道；虹吸时间；气液两相流；试验

Abstract：A series of tests were conducted to observe the installation height of 4 m and 6 m under different slope and different water heads the arrangement of siphon stable time of gas⁃liquid two⁃phase Flow.The experimental results show that siphon stable time is related to the head， installation height and slope.The siphon stable timeincreases with the increase of water head and installation height.As the slope angle of the pipeline （a positive slope or a negative slope） increases， the tube pseudo cavitation phenomenon is attenuated gradually and the siphon stable time increases gradually； At the slope constantly， the siphon time of positive slope is all greater than that of the negative slope pipe.The siphon time of flat slope is the shortest under the various working conditions.

Key words： slope； siphon pipe； siphon stable time； gas⁃liquid two⁃phase Flow； experimental

在长距离给水工程中，利用虹吸管路进行输水的工程实例相对较多，在地形条件允许时，虹吸管路能否稳定运行是设计人员广泛关注的重点问题。当虹吸管路在大真空度下进行输水时，水中气核的析出使得管内气泡累计释放的数量增加、体积增大，进而导致水流状态被破坏，输水停止。因此，确保虹吸管路的安全运行、正常供水是设计输水管路布置方式的关键。近年来，随着虹吸管道应用的增多，相关研究的内容逐渐深入［1－4］。 TAJIMA Naoki等［5］对 5 种不同密度和尺寸粒子随管径为20～30 mm的虹吸管内水流运动所产生的现象进行了描述，提出了一种预测模型，用于分析排出的沉积物；YAN Tao等［6］在试验基础上得到了虹吸管路淤积的特征及影响因素，并验证了虹吸管内阻力的计算方法；熊晓亮等［7－8］通过虹吸试验完成了虹吸排水形成和恢复方法的研究，通过对不同管径下虹吸管道的数值模拟，提出了边坡、滑坡地区虹吸排水的最佳管径。在坎儿井式地下水库中，长距离、大真空度的虹吸式输水管道是其重要组成部分，其相关水力特性与短距离驼峰式虹吸管路不同，但与其相关的研究报道甚少［9－10］。张小莹等［11－15］对真空度较大、平坡布置的正虹吸管道进行的试验研究发现，随着虹吸管道的安装高度逐渐增大，虹吸管内的汽化愈发严重（特别是在水平管段），且管路流量及压降均随安装高度的增大而逐渐减小。以上仅是对平坡布置的虹吸管路进行的研究，然而笔者发现当虹吸管中行管路倾斜布置时，管内气泡或气囊的分布和运动规律随坡比的改变而改变，导致虹吸时间也因坡比的改变而改变，而虹吸时间的长短反映了不同坡比下虹吸管路的过流能力稳定性。因此，研究稳定虹吸时间随坡比改变的规律尤为重要。笔者通过系列试验，观测了正坡及逆坡管路坡比不同时虹吸管内的水气两相流动稳定虹吸时间的长短，对不同坡比下管内稳定虹吸时间的变化进行了探讨和分析。

1 试验装置及试验工况

试验装置见图1（其中A～F为水泵编号），整个虹吸管路由上行管、中行管、下行管组成，材料由管径d＝2 cm的有机玻璃管制成。将中行管段倾斜放置，逆坡布置时坡比为负，顺坡布置时坡比为正，不同坡比下中行管段的管道长度均为18.15 m。竖直管段（上行管段、下行管段）垂直于地面布置，长度由实际安装高度决定，在整个虹吸管路从上游至下游分别布置9个环形掺气电极，用于量测管内含气率大小（上行管段2个，中行管段5个，下行管段2个），如图1中1～9所示。整个试验装置由上游水箱、虹吸管路及下游水箱组成，在上游水箱中布置一个溢流堰，用来恒定上游水位，在下游水箱内布置一个20°开口的三角形薄壁堰，用来量测虹吸管道内的过流量。试验时用秒表记录了不同坡比下虹吸管路从虹吸开始直到断流的时间，以此作为管路的稳定虹吸时间。

图1 试验装置

在2个安装高度hs＝4、6 m，12个上下游水位差H＝5、10、15、20、25、30、35、55、75、95、115、135 cm，11种坡比 i＝0、±1／60、±1／30、±1／20、±1／15、±1／10 下进行试验。试验步骤：①确定上下游水位差H。②开始对环形掺气电极进行率定。环形掺气电极分别在空管和满管情况下率定，使DJ800数据采集系统相应的通道口均为连通状态，在电脑桌面上点击“开始采集”按钮进行数据采集，若空管时所测得含气率为100%，满管时测得含气率为0%，则说明仪器可以正常使用，可开始后续试验。③保证虹吸条件。用水泵A从水箱抽水直至溢流状态，再用水泵B连接上行管管口进行充水排气，至管内完全被水流充满后将水泵B移出水箱，流经下行管段的水流流进下游水箱后被循环水管又输送至上游水箱中，如此水流达到循环状态。④对管路的稳定虹吸时间（从自然虹吸开始到管路断流为止）进行记录。

2 试验结果分析

在虹吸管路中，随着虹吸时间的不断增长，管内气泡及气囊的体积逐渐增大，管路的过流量逐渐减小，经下行管路流出的水流已由全断面过流转变为局部断面过流，下行管出口外的空气压强比管内水流的大，外部空气被吸入下行管内使管内的真空条件被破坏，最终导致管路断流。通过试验对正坡及逆坡管路的稳定虹吸时间（从自然虹吸开始到管路断流为止）进行了观测，对不同安装高度、不同水头差、不同坡比下管路的稳定虹吸时间进行了分析。

图2为安装高度hs一定时不同坡比下虹吸管路稳定虹吸时间t与上下游水位差H的关系。如图2（a）所示，i＝0时，随着 H 从 5 cm 增大到 135 cm；i＝1／20时，随着H的逐渐增大，虹吸时间由30.6 min增大到162.4 min。随着H的增大，管内水流流速增加，挟气能力增强，管内气泡的数量及体积有所减小，故稳定虹吸时间延长。

图2 hs一定时不同坡比下t与H的关系

hs＝4 m时同一i下对应的t均大于hs＝6 m时的，如 i＝0、H＝35 cm 时，hs由 4 m 增加到 6 m，t从24.8 min减小到 6.5 min，减小了 73.79%；i＝ 1／20、H ＝115 cm时，hs由4 m增大到6 m，t减小了54.28%。 hs增大，管内的伪空化现象加剧，水头相同时安装高度增大，过流能力减弱，管内水流流速减小，气团或气囊运动速度缓慢，气囊体积不断增大，最终导致管路断流。可知，hs及i不变时，H越大t越长；H及i不变时，hs越大t越短。

在安装高度hs一定时不同H下虹吸管路稳定虹吸时间与坡比的关系见图3，虹吸管路逆坡或正坡布置时，随着坡比的逐渐增大，t均逐渐增长。图3（a）为hs＝4 m时正坡管路中稳定虹吸时间随坡比的变化规律，可知随着坡比的增大，t逐渐增长。H＝5 cm时，随着坡比由 i＝1／60 增大到 i＝1／10，稳定虹吸时间由23.4 min增加到 37.5 min，增加了 60.26%；H ＝ 35 cm时，随着i的增大，稳定虹吸时间增长了23.60%。图3（b）为hs＝6 m时逆坡管路中虹吸时间随坡比的变化规律，随着坡比的增大，稳定虹吸时间逐渐增长。H＝95 cm 时，随坡比由 i＝0变化到 i＝－1／10，稳定虹吸时间由 25.6 min 增加到 46.8 min，增长了 82.81%；H ＝115 cm时，随着 i的增大，稳定虹吸时间增长了77.12%。随着坡比的增大，正坡及逆坡管内的含气率均有所降低，管内的伪空化现象逐渐减弱，管内水流挟气能力增强，各个小气团来不及聚合便随水流向下游运动，故稳定虹吸时间随坡比的增大而逐渐增长。

图3 hs一定时不同H下t与i的关系

当坡比、管道水头和安装高度一定时，正坡及逆坡管路的稳定虹吸时间均长于平坡的，即平坡布置时的稳定虹吸时间最短；坡比越大，正坡及逆坡的虹吸时间与平坡相差越大。hs＝4 m时，i＝1／60的正坡稳定虹吸时间最长，比平坡的长1.08倍；i＝1／15的正坡稳定虹吸时间比平坡的长1.83倍。原因是其他条件相同时，平坡管路管内含气率最大，体积大的气囊在管内随水流缓慢向下游运动或固定在边壁上不动，气囊体积不断增大直至贯穿整个断面，导致管路断流。当坡比不变时，正坡管路的稳定虹吸时间均长于逆坡管路的；hs＝4 m、i＝±1／15、H＝5 cm 时，正坡的稳定虹吸时间比逆坡的延长了 75.39%；hs＝6 m、i＝±1／30、H＝55 cm时，正坡稳定虹吸时间比逆坡的延长了57.30%。分析原因可知，当H＞35 cm（雷诺数 Re＞4 974）时，各工况下逆坡管路中平均含气率均大于正坡中的，导致逆坡管内水流流速小于正坡中的，故水流挟气能力弱于正坡的，最终使得逆坡管路稳定虹吸时间短于正坡的。H≤35 cm、坡比不变时，不同工况下逆坡管路气囊运动至管路末端所用时间均短于正坡的。原因是逆坡管路流量大于正坡的，则逆坡管路的水流流速大于正坡管路的，逆坡管路的气囊从虹吸开始逐渐向中行管路末端聚集的速度比正坡大，故逆坡管路气囊运动至中行管路末端所用的时间比正坡的短，正坡管路虹吸时间长于逆坡的。此外，当气团或气囊聚集在中行管路末端后，逆坡管路中的浮力作用方向始终与水流方向一致，故气囊一直聚集在中行管路末端，体积不断增大，气囊占据的过水面积不断增大，直至断流。而正坡管路中气囊不断聚集，到达管路末端后由于其体积增大，因此浮力增大，大气囊在浮力作用下开始向上游运动，运动一段时间后管路断流，正坡管路又比逆坡多了气囊从下游运动至上游直至断流的时间，当Re≤4 974时，正坡管路虹吸时间也长于逆坡管路的。

3 结语

通过系列试验量测了虹吸管道中行管路正坡、平坡及逆坡布置的虹吸管内气液两相流动稳定虹吸时间的长短，根据试验结果，对不同坡比下管内稳定虹吸时间的长短进行了探讨和分析。结果表明，当hs及i不变时，稳定虹吸时间随上下游水位差的增大而延长；H及i不变时，稳定虹吸时间随安装高度的增大而缩短；hs及H不变时，正坡及逆坡管路稳定虹吸时间均随坡比的增大而延长。当安装高度、水头差及坡比均不变时，正坡及逆坡管路稳定虹吸时间均长于平坡的；坡比绝对值越大，正、逆坡管路的稳定虹吸时间与平坡的相差越大，且在各种工况下正坡管路的稳定虹吸时间均长于逆坡管路的。在实际工程中，可考虑将虹吸管路正坡布置，坡比越大，虹吸管路稳定的时间越长。

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【责任编辑张华岩】

Experimental Study on the Influence of Siphon the Pipe Slope to Siphon the Stable Time of Gas⁃Liquid Two⁃Phase Flow