两处断流弥合水击特性试验

赵 莉，杨玉思，卢玉东，胡 晓，樊凌珲（.长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 70054；2.西安航空学院建筑与环境学院，陕西西安 70077）



两处断流弥合水击特性试验

赵 莉1，2，杨玉思1，卢玉东1，胡 晓1，樊凌珲1
（1.长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 710054；2.西安航空学院建筑与环境学院，陕西西安 710077）

摘要：为研究有压管道系统停泵过程产生的多处水柱分离现象，并分析断流弥合水击升压和断流长度的影响因素，设计出可以实现同时发生两处断流弥合水击的试验模型。试验观察到停泵产生的水柱分离现象有完全雾状汽化状态、完全断流空腔状态、既有断流空腔又有雾状汽化区的断流状态以及不完全断流状态等4种。试验结果表明，初始流速、关阀速度是两处断流弥合升压和断流长度的重要影响因素，初始流速越大，弥合升压越大，断流长度越长；关阀速度越快，弥合升压越大，断流长度越长；流速较高时，管路布置形式对具有两处断流管路的弥合升压影响很大。

关键词：断流弥合水击；关阀速度；弥合升压；断流长度；试验研究

随着国民经济的发展，水资源供需不平衡问题越来越显著。为了缓解水资源供需矛盾，有必要从水源丰富的地区通过长距离管线输水到水源贫瘠区，长距离输水工程应运而生，如引滦入津、引汉济渭、南水北调等举世闻名的大型长距离输水工程。然而，随着长距离输水工程的蓬勃发展，其安全问题也逐步显现，每年因水击防护不善引起的爆管事故损失巨大，输水的安全已关系到国计民生[1-2]。为了制定合理的水击防护方案，有必要对水击现象及其机理进行深入研究。有压管流压力瞬变过程中引起的液柱分离现象，是水力瞬变分析中的一个重要问题[3]，断流弥合水击分析是准确进行数学模拟的重要基础[3]。前人的研究主要基于一处断流弥合的水力过渡情况[4]，对多处断流弥合的水力过渡过程的现象描述和计算模拟国内外较为罕见[5-7]，本文通过试验对两处断流弥合的水力过渡过程进行研究，总结出影响两处断流弥合水击升压和断流长度的因素，即初始流速、阀门关闭速度、管路布置形式等。

1 试验设备与方法

试验管路系统由硬聚氯乙烯管和有机玻璃管段组成，液柱分离由装于管首处的电动调节阀来实现。钢管总长220m（可拆卸调节），管径100mm，管路中部抬高数米，管路前部通过调节可得50 m、30 m、85 m等3种管长，管路后部可调节成130 m、75 m、50 m、25 m等4种管长。试验采用压力传感器测定压力，管路首端布设一个电磁流量计，以测定瞬变过程中的流量变化曲线，由电动调节阀控制关阀速度，将设在电磁离合器上的电讯号与来自电磁流量计、压力传感器上的电讯号一起输入数控设备，实现压力、流量同步记录。在进行试验准备工作（仪器仪表的标定、波速的测定、沿程阻力系数的测定）后，制定试验方案和方法，试验系统见图1。

图1 试验系统示意图

1. 1 试验方案

如果管径、管长和静扬程一定，对于不出现断流的水力瞬变过程，管路布置形式对瞬变过程几乎没有影响，对于只在首段发生断流的情况也影响甚微，但对于两处断流的水力瞬变过程，管路布置形式的影响显著[8-9]。采用4种不同管路布置方案，分析两处断流弥合水击升压和断流长度的影响因素。以管路中部预计水柱分离处B点为界，分为前、后两段管路，以管路首端电动调节阀后A点至管路中部B点为前段，B点至管路末端C点为后段。试验采用的管路布置方案见表1。通过改变管中初始流速及电动调节阀的关阀速度，观察上述4种管路布置方案中两处断流位置的水柱分离现象，并对重要数据进行测定。

表1 管路布置方案

1. 2 试验方法

在水泵启动并运转正常后，调节设置在水泵与电动调节阀之间的手动闸阀，以便整个管路系统中获得稳定的初始流速，初始状态确定后，扳动转向开关，使电动调节阀处于开启待关状态。一切准备就绪后，扳动控制器上的手动开关，快速关闭电动调节阀，实现关阀水击，同时观察水柱分离现象，测定并记录水柱分离长度及断流弥合水击升压值等。一次试验完毕后，打开电动调节阀，待水泵正常运转后开展下一次试验准备工作。

2 试验现象

按4种试验管路布置方案，通过调节初始流速及关阀速度，得到不同的试验结果。试验中观察到4种水柱分离（断流）状态：

a.完全雾状汽化状态（图2）。这种状态仅在管路首端A点处出现。该区没有明显可见的断流空腔。在较慢的关阀速度情况下，初始流速越大，雾状汽化区越长，该状态随压力波的变化反复出现3～5次，最后消失。

图2 完全雾状汽化状态

b.既有断流空腔又有雾状汽化区的断流状态（图3）。这种状态也仅出现在A点附近的水平管段中，它有明显的断流空腔，空腔表面为坡形，并集中于管顶位置。从电动调节阀处由深至浅向下游延伸，但尚未形成完全断流。在断流空腔末端还有一段雾状汽化区，这种状态下的关阀速度较前一种状态快一些。

图3 既有断流空腔又有雾状汽化区的断流状态

图4 完全断流状态

c.完全断流状态（图4）。这种断流状态大多出现在管路中部B点处。断流空腔将原来的连续水柱截为两段。断流区下游段水平管内具有明显的坡面，而分离点上游斜管中的液面几乎是水平的。两断开水柱首次弥合点一般在分离点上游一侧，但随后逐渐向分离点下游移动。弥合次数一般为2～6次。完全断流空腔也可在管路首端水平管段内出现，但要求较大的初始流速和较快的关阀速度。断流空腔的边界液面亦呈坡面，其坡度较中部断流空腔陡，且空腔的下游端有较短的雾状汽化区。

d.不完全断流状态（图5）。这在初始流速及关阀速度均较低时出现，但与首端既有断流空腔又有雾状汽化区的断流状态（图3）的明显区别是没有明显雾状汽化区，只是在管顶处出现一个空腔或一些大小不等的不连续气泡。气泡的溃灭和消失较快，并引起一定的压力升高。

图5 不完全断流状态

以上4种水柱分离状态的出现受初始流速、关阀速度及断流区位置所影响[8]。无论是管路首端还是管路中部，都是关阀速度越快，初始流速越大，断流越强烈。管路首端的瞬变情况包括完全雾状汽化状态（图2）、既有断流空腔又有雾状汽化区的断流状态（图3）和无任何断流现象。管路中部则呈完全断流（图4）、不完全断流（或仅有几个气泡）（图5）及无任何断流现象等3种状态。此处，值得人们深思的是在断流发生过程中，无论任何条件，管路中部断流区永远没有雾状汽化区，而管路首端总是或多或少地出现雾状汽化区，其原因可能是管路中部B点断流处受重力拉断和降压波的双重作用，压力降低快，并产生断流空腔，故没有雾状汽化区。

3 试验数据分析

3. 1 关阀速度对断流弥合升压、断流长度的影响

图6 关阀速度与首端A点弥合升压的关系

图7 关阀速度与首端A点断流长度的关系

初始流速、管路布置形式和关阀速度是断流弥合升压与断流长度的重要影响因素，在相同的初始流速下试验研究了管路布置形式和关阀速度对弥合升压与断流长度的影响。取初始流速为2. 52 m/ s的一组试验数据，在平面坐标系内绘制关阀速度与管路首端弥合升压的关系曲线和关阀速度与管路首端断流长度的关系曲线，分别见图6、图7。这里所说的关阀速度是相对速度，电动调节阀的最大关阀速度vmax对应的完全关闭时间为1s。从图6、图7可见，无论是断流长度还是弥合升压，均与关阀速度几乎成正比，关阀速度越快，弥合升压越大，断流长度越大。在相同的关阀速度下，方案3的弥合升压明显高于方案1，最高相差0. 22 MPa左右。原因可能是：①方案1中AB段距离较短，水击波在AB段传播时间短，停泵后降压波由A点传向B点，再由断流空腔边界B点以升压波回传到A点的时间短，A处空腔长度增长受限。空腔长度越小，按照等加速度估计，弥合时反向流速越小，由儒可夫斯基公式[5，7]可知弥合升压越小。另外，当管路中部B处断流弥合时，管路首端A处已弥合多次，由于动量损失，水击压力降低，对于方案1，当关阀速度为86%vmax（即完全关闭阀门的时间为1. 16 s）时，首端升压为0. 69 MPa。②方案3中AB段距离较长，升压波反射到达A处的时间长，A处形成空腔较长，弥合升压较大，而BC段较短，反射波在BC段传播较AB段用时较短，管路中部B处断流弥合先于管路首端A处，增大了首端的回冲流速，从而增大了首端断流弥合升压。对于方案3，当关阀时间为86%vmax，首端升压为0. 82 MPa。

分析试验数据可知，断流长度越大，弥合升压也越大，原因如下：相同波速条件下，断流长度越大，两股水柱对冲时的经历时间越长，在相同的加速度和初始流速的条件下，相遇时的碰撞流速绝对值越大，因为两水柱流速方向相反，由弥合升压公式[1，7-8]（式（1））可知，弥合升压越大，所以从理论分析来看试验现象和结论是符合实际情况的。式中：a为水击波速；v1、v2分别为断流弥合时的上、下游水柱在碰撞时的流速；g为重力加速度。

3. 2 初始流速对断流弥合升压的影响

在相同的关阀速度下，考察各管路布置形式在不同初始流速下的断流弥合升压情况，见图8。图中4条曲线分别表示方案1、方案2、方案3、方案4管路首端弥合升压随流速的变化关系。总体规律是，初始流速越大，断流弥合升压越大[5，7]。原因是初始流速越大，在相同加速度情况下，相遇时的碰撞速度越大，由式（1）可知断流弥合升压越大。由图8可见，在较低的初始流速下，各方案升压情况没有显著的差别，原因是较低的初始流速引起的断流状态没有显著的差别，当流速大于1. 6 m/ s后，断流状态的差别逐步显著。方案4弥合升压高于其他方案的原因是方案4的BC段最短，管路中点断流弥合先于首端，增大了首端的回冲流速，因而首端断流弥合升压增大。方案2弥合升压高于方案1的原因可能是在相同的初始流速下，方案2管道较短，管路首端初始压力低于方案1，而回冲流速较大，因而升压波返回时管路首端产生的压力较大；另外，方案1管路中点弥合时管路首端已经弥合2次，压力已经减小，而方案2管路中点弥合时管路首端仅弥合1次，故方案2弥合升压比方案1高。

图8 初始流速与首端A点弥合升压的关系

3. 3 管路布置形式对断流长度的影响

图9 初始流速与管路首端A点断流长度的关系

图9为初始流速与管路首端断流长度的关系曲线，可知方案3首段断流长度明显高于其他方案，原因可能是：方案3中AB段比BC段长，当B点断流时，B点空腔就形成了边界，升压波在此处反射，AB距离越长，首端水柱分离的剩余流速衰减就越慢，所以首端断流空腔发育越好，因而断流长度越长；反之亦然。虽然方案4中AB段长度同样大于BC段长度，但方案4中BC段较短，只有25 m，故升压波回传时间短，B处空腔很快弥合，进而增大了首端的弥合流速，影响了首端断流空腔的发展。所以，方案4管路首端断流长度比较小。

根据试验数据分析管路布置形式与管路中点断流长度的关系（图10），由图10可以看出相同的初始流速下，方案1管路中点断流长度最大，超过100 cm，原因是方案1管路中部B点后面的管长较长（达130 m），B点断流时，末端升压波在此处反射，BC段距离越长，B点水柱分离的剩余流速衰减就越慢，因而断流长度就越长[6]。

图10 初始流速与管路中部B点断流长度的关系

4 结 论

a.初始流速、关阀速度是两处断流弥合水击升压和断流长度的重要控制因素，初始流速越大，弥合升压越大，断流长度越长；关阀速度越快，弥合升压越大，断流长度越长。

b.管路首端（A点）停泵产生的水柱分离现象有完全雾状汽化状态、既有断流空腔又有雾状汽化区的断流状态和无任何断流现象。管路中部（B点）则呈完全断流、不完全断流（或仅有几个气泡）及无任何断流现象等3种状态。

c.管路布置形式对两处断流的水力瞬变过程影响显著。管路中部断流点（B点）距离管首越长，则首端断流长度越长，水击升压越大；B点距离管路末端越长，则中部断流情况越明显，中部断流长度越长，尤其是流速较高时，管路布置形式对两点断流水击升压影响甚大。

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Cavity water hammer characteristic test on two places/ /

ZHAO Li1，2，YANG Yusi1，LU Yudong1，HU Xiao1，FAN Linghui1（1. School of Environmental Science and Engineering，Chang'an University，Xi'an 710054，China；2 Department of Architecture and Environment，Xi'an Aeronautical University，Xi'an 710077，China）

Abstract：In order to study the water column separation phenomenon and analyze the factors of pressure boosts and breaking length during the process of stopping a pump for a system，a test model was designed to cause cavity water hammer to occur in two places at the same time. Through the test model，we observed the water column separation phenomena. These phenomena included a completely vaporized state，a completely blocked cavity state，a blocked cavity and vaporized state，and not-completely block cavity state. The test results show that the initial flow rate and valve closing speed are the two most important factors that influence the water hammer pressure and breaking length. When the flow rate is higher，the water hammer pressure is greater and the breaking length is longer. When the valve closing speed is faster，the water hammer pressure is greater and the breaking length is longer. When there is a higher flow rate，the pipeline layout form has a large influence on water hammer pressure when the pipeline system has devascularization in two places.

Key words：cavities water hammer；valv-closing speed；pressure boost；breaking length；test study

收稿日期：（2014 07 01 编辑：骆超）

作者简介：赵莉（1982—），女，讲师，博士研究生，主要从事长距离输水的安全防护研究。E-mail：zhaoli200817@163. com

基金项目：产学研协同创新计划（CXY1518（3））

中图分类号：TU991；TV134. 1

文献标志码：A

文章编号：1006 7647（2016）01 0036 04