有压输水管道孔板局部阻力相邻影响试验

2015-07-02白兆亮

水利水电科技进展 2015年2期

关键词：测压管雷诺数孔板

白兆亮,李琳

(新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆乌鲁木齐 830052)

有压输水管道孔板局部阻力相邻影响试验

白兆亮,李琳

(新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆乌鲁木齐 830052)

为研究有压输水管道的局部阻力相邻影响及其对总局部水头损失大小的影响,采用模型试验方法对总局部阻力系数随相对间距的变化关系进行了试验研究。试验结果表明:当孔板相对间距Ls/d≥9时,按照传统公式计算孔板产生的总局部水头损失结果与实测值最大相对误差不超过1.2%,而当Ls/d＜9时,孔板产生的总局部水头损失的实测值远小于传统公式的计算值,最大相对误差达到197.6%;相对间距较大时,不需考虑孔板间距的影响,而相对间距较小时,孔板间存在相邻影响,并且相对间距越小影响越明显,计算总局部水头损失必须考虑局部阻力相邻影响,需用相邻影响系数对传统计算公式进行修正。

有压管道;局部水头损失;局部阻力相邻影响;相对间距;模型试验

随着经济和社会发展对水资源及区域水资源优化配置的需求逐步提高,有压输水管道被广泛应用在各类长距离、跨流域输水工程中。在这些大中型输水工程中,管路往往长达数千米乃至数百千米,管道形变件可达数百乃至数千个,因此,准确计算管道形变件产生的局部水头损失是合理进行管道水力设计、满足节能降耗设计原则的关键。

传统水力学中,局部水头损失一般的表达形式为

式中:hj为局部水头损失;v为管道断面平均流速;ζ为形变件局部阻力系数。管道中多个形变件产生的总局部水头损失计算公式为

式中:hj总为总局部水头损失;ζtt为形变件的总局部阻力系数。这种简单地按阻力叠加原则计算出的局部水头损失往往与实际情况不符[1-2],其原因主要有两个:一是传统水力学中认为局部阻力系数ζ的大小仅与形变件本身有关,而与管道流态无关,而实际上ζ是随着流态的变化而变化的[3-4];二是局部阻力相邻影响的问题[5-12]。此时,若按计算手册选用未考虑相邻影响的局部阻力系数值,根据式(2)进行简单的叠加计算总局部水头损失,其结果必然出现偏差。

早在20世纪50年代苏联学者就已提出局部阻力相邻影响的问题[6],但我国水力计算中局部阻力相邻影响至今未得到合理的考虑。李涛等[5,7-8]针对电厂循环水管道和通风管道中弯管形变件的Z型组合的局部阻力相邻影响问题进行了研究和探讨,而水利工程中有压输水管道由于多个形变件的同时存在而引起的局部阻力相邻影响问题鲜有报道。本文以孔板形变件为例,将孔板安装在有压输水管道内,通过试验量测管道内安装多个孔板时孔板的总局部阻力系数ζte,并将其与总局部阻力系数的理论计算值ζtt进行对比,分析试验值和理论计算值产生差异的原因,探讨局部阻力相邻影响对总局部阻力系数大小的影响机理,并对局部阻力相邻影响进行量化,为合理计算有压管道的局部水头损失提供参考。

1 试验方法

1.1 试验设备

试验在新疆农业大学水力学及水工实验室完成。试验装置由供水系统、稳流箱、有机玻璃管(长度5m、内径0.06m)、用聚氯乙烯板加工而成的孔板(外径0.06m、内径0.05m)、测压管排、20°三角量水堰、排水系统组成,如图1所示。在有机玻璃直管上从距入口0.6m处开始每隔0.2m安装1根测压管,共计安装了19根测压管。有机玻璃管道必须满足长度要求,即其长度不仅应包含全部形变件影响的总长,满足正确测定沿程水头损失的相应管长,而且还应满足消除入口和出口影响的管道长度。测压管用于测量各测点的测压管水头,管道水平安装,测压管读数便是各测点的压强水头。

在进行不同雷诺数下单个孔板局部阻力系数的试验研究时,孔板布置在9号测压管处;在进行不同间距下两个孔板总局部阻力系数的试验研究时, 1号孔板布置在9号测压管处,2号孔板根据试验方案布置在距1号孔板不同位置处。

1.2 测量方法

对图1所示的1—1、2—2两个断面,应用伯努利方程[13-14]有

式中:p1、p2分别为断面1—1、2—2的压强;v1、v2分别为断面1—1和2—2平均流速;Z1、Z2分别为断面1—1、2—2位置的水头;hw为总水头损失。由于本试验中有机玻璃管道水平安装即Z1=Z2,且管径相同即v1=v2=v,有

式中:v为管道平均流速;hf、hj分别为沿程水头损失和局部水头损失。

试验过程中绘制测压管水头线,沿程均匀下降段表示该管段仅有沿程水头损失,求出管段的水力坡度J,由于管径不变,整个管道水力坡度相同,根据J=hf/L(L为两断面之间的长度)计算1—1至2—2断面的沿程水头损失hf。根据测压管排读出1—1至2—2的总水头损失hw。根据量水堰量测出的流量,由连续方程Q=vA计算出管道流速v,将其与hf、hw一并代入式(4),求出孔板局部阻力系数ζ和ζ总。

1.3 试验步骤

1.3.1 1、2号孔板局部阻力系数测量

由于局部阻力系数ζ除了与形变件的几何尺寸和结构形式有关外,还与水流流态有关[15],因此,针对不同流态下1、2号孔板的局部阻力系数进行试验研究。两孔板局部阻力系数的测量方法一致:打开入口阀门,对测压管排进行排气处理,使稳流箱液面稳定,待水流稳定后记录各测压管、量水堰的读数。调整入口阀门的开度,改变流量,重复上述步骤。通过调整流量改变雷诺数,为较准确绘制局部阻力系数与雷诺数关系曲线,在2×104～1.1×105的雷诺数范围内进行了多组试验。

1.3.2 1、2号孔板不同间距时总局部阻力系数测量

对不同间距1、2号孔板总局部阻力系数测量时,仅测量大雷诺数,即单个孔板局部阻力系数趋于稳定时的情况,作为试验模拟的一个松弛条件,试验管内水流的雷诺数应尽可能提高,但也不必完全相同,只要高于使单个孔板局部阻力系数趋于不变时的雷诺数即可,试验采用的雷诺数在1×105以上。

图1 试验装置示意图

改变孔板间距Ls,使得其相对间距Ls/d=16、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3、2.5、2、1.5、0.9、0.7、0.3、0,共计21组试验,在每种工况下,读取测压管、量水堰的读数,按式(4)计算各个间距下的总局部阻力系数ζte。

2 试验结果及分析

2.1 1、2号孔板局部阻力系数

图2为1、2号孔板局部阻力系数与雷诺数的关系曲线。从图2可以看出:当Re＜1×105时,孔板局部阻力系数随雷诺数的增大而增大,这是由于水流流经孔板时,水流内部结构发生急剧变化,随着雷诺数的增加,水流的紊动增强,水流质点之间摩擦和碰撞加剧,局部阻力系数增大;当Re≥1×105时,水流已达到充分发展的紊流状态,雷诺数继续增大,水流紊动不再增强,局部阻力系数不再随雷诺数的增大而变化,1、2号孔板局部阻力系数变化幅度很小,分别为0.7%、0.6%,可以认为孔板的局部阻力系数已经与雷诺数无关,为一个定值,即当Re≥1×105时,1、2号孔板局部阻力系数分别为1.141和0.660。

图2 1、2号孔板局部阻力系数与雷诺数的关系曲线

由于1、2号孔板的制作问题,造成了两孔板局部阻力系数的不同,但在研究局部阻力相邻影响的试验中,用到总局部阻力系数的理论值与实测值,并不关心单个孔板的局部阻力系数,因此这种不同对局部阻力相邻影响的研究没有影响。

2.2 1、2号孔板总局部阻力系数

表1 Ls/d≥9时总局部阻力系数实测值及其与理论值的相对误差

表2 Ls/d＜9时总局部阻力系数实测值及其与理论值的相对误差

2.3 孔板局部阻力相邻影响

为衡量1、2号孔板的相邻影响程度,引入局部阻力相邻影响系数C,令C=ζte/ζtt。根据表1和表2,可得相邻影响系数C与相对间距Ls/d的关系如图3所示。由图3可以看出,当Ls/d＜9时,C＜1;当Ls/d≥9时,C=1。C＜1时,两孔板之间存在相互影响且呈抑制状态,C=1时两者之间没有影响。

由于局部阻力相邻影响的存在,孔板相对间距较小时,ζtt≠ζte,采用式(2)计算管道局部水头损失与实际情况不符。应用ζte替换ζtt,将ζte=Cζtt代入式(2)得

图3 相邻影响系数与相对间距的关系

式(5)即为考虑局部阻力相邻影响时的总局部水头损失计算公式,式中相邻影响系数C与Re、Ls/d、孔板尺寸等因素有关。

利用图1试验装置,重新制作孔板,并测得总局部水头损失。分别应用式(2)和式(5)计算了两个孔板产生的总局部水头损失,结果见表3。表中hjs为实测总局部水头损失,hjtt、hjte分别是应用式(2)、式(5)计算得到的总局部水头损失。从表3可以看出,当Ls/d≥9时,式(2)和式(5)计算结果与实测值相比,最大误差不超过1.2%,计算值与实测值间的误差主要源于ζtt带有一定的误差,说明孔板间无相邻影响时,可以直接应用式(2)计算局部水头损失。当Ls/d＜9时,式(2)和式(5)计算结果不同,式(5)的计算值与实测值相比,最大相对误差为0.96%,式(2)计算结果的最大相对误差为197.6%。可见,不考虑孔板间的相邻影响,直接应用式(2)计算出的局部水头损失与实测值相比,相差甚远。因此,当孔板相对间距较小时,不能直接应用式(2)来计算总局部水头损失,应根据式(5)来计算总局部水头损失。

表3 总局部水头损失实测值和计算值比较

3 结论

a.孔板局部阻力系数与雷诺数有关,Re＜1×105时,其局部阻力系数大小随雷诺数变化而变化,在水力计算时不能视为定值;当Re≥1×105时,孔板局部阻力系数基本为一定值,不随雷诺数的变化而变化。

b.当孔板相对间距Ls/d≥9时,孔板形变件之间无相邻影响,此时可以按式(2)准确计算孔板产生的总局部水头损失;当Ls/d＜9时,计算局部水头损失时必须考虑局部阻力的相邻影响,采用修正后的式(5)进行计算。

c.与传统局部阻力损失理论不同,管道内存在局部阻力相邻影响时,总局部阻力系数不再等于单个局部阻力系数之和,且总局部水头损失并不一定随孔板数增加而增加,其增加与否与孔板的相对间距密切相关。

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Test on local resistance adjacent influence of pressure water pipe

BAIZhaoliang,LI Lin(College of Hydraulic and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi830052,China)

To study the local resistance adjacent influence of pressure pipes and its effect on the total local head loss,the relation between total local resistance coefficient and relative distance has been researched with model test method.The results showed:when the relative distance of orifice plate is equal ormore than 9(Ls/d≥9),themaximum relative error between the calculated andmeasured values of the total local head loss caused by orifice plate is less than 1.2%;when the relative distance of orifice plate is less than 9(Ls/d＜9),themeasured value ismuch less than the calculated value,and themaximum relative error is up to 197.6%;when the relative distance is large,it is not necessary to consider the influence of space among orifice plate;when the relative distance is small,orifice plate will influence each other with the relationship that the spacemore small,the influencemore clear.So it is necessary to consider the local resistance adjacent influence when calculate the total local head loss and correct the calculated formula with adjacent influence coefficient.

pressure pipeline;local head loss;local resistance adjacent influence;relative distance;model test

TV131.61

1006-7647(2015)02-0028-04

10.3880/j.issn.1006 7647.2015.02.006

2013-12-23 编辑:熊水斌)