虹吸井工程中多孔排水管沿程压力分布特性

张国鹏+付辉+杨开林+赵林明+王孟文

摘要：高纬度沿海地区的核电厂冬季运行时常会遇到取水口结冰问题，影响正常运行，一种解决方案是通过多孔排水管将电厂循环水引至泵站前池，提高水温，防止取水水域冰塞的发生。建立了虹吸井多孔排水管物理模型，研究了多孔排水管的水力特性，包括沿程压力分布特点，压差变化规律等，提出了多孔短管内部压力变化的无量纲公式，各试验工况计算值和实测值的最大平均误差为0.88%。研究表明：（1）多孔排水管压力恢复现象是流速水头向压力水头转化的结果，且流速水头越大，压力恢复现象越明显。（2）出水管压力水头在下游出现突升现象，是多孔管中流线在出水管处发生偏移，部分水流对下游冲击造成的。试验结果为類似多孔排水管的设计及应用提供参考依据。

关键词：多孔排水管；多孔出流；模型试验；压力分布；压差；短管；虹吸井

中图分类号：TV933文献标志码：A文章编号：1672-1683（2017）01-0186-07

Abstract：Intakes of nuclear power plant in high-latitude coastal regions generally have ice problems that will affect their normal operation.One solution is to transport warm water to the forebay of pump stations through perforated drain-pipes.This method can raise water temperature and prevent ice jam.A physical model of perforated drain-pipe was used to study its hydraulic characteristics，including pressure distribution and velocity distribution.A non-dimensional formula of pressure distribution within the perforated drain-pipe was proposed and the maximum average error was 0.88%.The study shows that the pressure recovery within the perforated drain-pipe is caused by transformation from velocity to pressure.The larger the velocity，the more obvious the pressure recovery.The pressure of the downstream drain-pipe is larger than that of the upstream because the streamline is skewed near the outlet.The study results can provide references for the design and application of perforated drain-pipes.

Key words：perforated drain-pipe；multiple-outlet；model test；pressure distribution；pressure difference；nozzle stub；siphon well

多孔管在化工、电力、通风供热、水利喷灌、污水排放等工程中多有应用。当多孔管作为一种均匀分布装置使用时，其配水的均匀度就成了主要关注要素，伍钦[1]等通过能量和质量衡算关系导出了等直径流量分配管的计算式，配液均匀度的表达式，为均匀分流提供了一种理论计算方法。王峻晔[2]等提出了多孔管摩擦系数和动量交换系数的解析表达式，方便了对多孔管结构的优化。刘文华[3]等研究了坡度、压力水头、孔距、管长4个参数对沿程压力分布的影响，总结了多孔管沿程压力随压力水头和孔距的增大而增大，随管长的减小而增大的规律。贺元启[4]等建立了在已定工作水头和输水管管径的条件下，不同出水口开启状况下各给水栓出流量的数学计算模型，探索了多孔管在自动给水栓灌溉系统中的设计方法。多孔短管的一个重要特征表现在压头恢复现象上，即末端压头大于始端压头，唐朝春[5-6]等对多孔管作用水头和出口流量系数进行了研究，认为多孔管作用水头是总水头，孔口流量系数在流体力学中虽是定值，但在多孔配水问题中是个沿程增大的变量，因此造成多孔短管孔口出流量沿程增大。刘焕芳[7-9]等建立了软管沿程水头损失的一般方程，得出了软管压力水头的计算公式，同时在单孔出流特性，偏差率上分别进行了研究，为多孔管在水利灌溉和施工管理方面的应用提供了技术支持。

本文通过开展某电厂排水虹吸井工程[10-15]物理模型试验，对虹吸井工程中的多孔排水管内的水流特性进行了分析研究，总结了多孔排水管沿程的压力分布特性和压力水头计算方法，为类似水利工程提供参考。

1 工程简介

我国北方某电厂一期工程1号、2号机组装机容量2×1 250 MW，以辽东湾海水作为冷却水源，采用直流冷却方式。排水系统主要由循环水管渠、虹吸井、排水明渠等组成，图1给出了本虹吸井工程在电厂中的示意图。该电厂虹吸井的主要特点是通过设置的多孔排水管将部分电厂废热回流至泵房取水口，防止电厂冬期运行时泵房取水口发生冰塞事故。多孔排水管末端封闭，在虹吸井堰前正向取水，由于溢流堰的阻挡作用，电厂运行时虹吸井堰前水位高于外海潮位，因此多孔排水管以自流方式向泵房取水口输水，为了均匀出流，使冷、热水充分掺混，提高融冰效果，多孔排水管径向设置了8个与水平方向成10°的等截面出水管，针对虹吸井工程中多孔排水管的水力性能开展了试验研究[16]。2 模型试验

2.1 模型设计

虹吸井工程中多孔排水管试验按原模型15∶1

的正态比尺和重力相似准则设计，以求满足原型与模型水体流动的相似，即满足：

（F）r=vghr=1 （1）

各物理量的相似关系见表1。

模型采用有机玻璃制作，整体布置见图2。图中CEFH表示虹吸井，上游有4根进水管道，进水流量由阀门和电磁流量计控制。下游设置尾门，当外海潮位发生变化时，通过调节尾门控制虹吸井中水位。虹吸井CEFH被中隔墙对称分成CDGH和DEFG两个小虹吸井，每个小虹吸井配备一台循环水泵（图中水泵1和水泵2），水流进入虹吸井后，大部分水流跃过溢流堰排往外海，少部分水流通过1号和2号取水管汇流至U型管道，最终通过多孔排水管（U形管后接的长直管道）输往外海泵房取水口。夏季运行条件下1号和2号取水管封堵，多孔排水管不工作，冬季运行条件下多孔排水管正常工作，模型中通过水泵3调节泵房取水口处的水位至外海潮位，以模拟真实的泵房进水条件。图3为虹吸井剖面图，图4和图5分别给出了多孔排水管测点布置图和多孔排水管剖面图。模型中多孔排水管全长10 m（原型为150 m），直径0.247 m（原型为3.705 m），出水管8距多孔排水管末端0.223 m（原型为3.345 m），按照间距为0.853 m（原型为12.795 m）依次布置其余7个出水管。模型中每个出水管中心线上下游各0.1 m处布置个压力测点，共计16个测点，编号依次为d1、d2、…、d16。试验中多孔排水管沿程压力水头用测压排测量，精度1 mm，流量用电磁流量计测量，精度0.5%。

2.2 试验工况

正常情况下两个小虹吸井同时工作，当虹吸井有检修需求时，仅有单个小虹吸井工作，因此试验方案分两种：方案Ⅰ为一机两泵单虹吸井方案，方案Ⅱ为一机两泵双虹吸井方案。试验中方案Ⅰ是在方案Ⅱ的基础上封堵CDGH小虹吸井实现的。方案Ⅰ和方案Ⅱ各包含4组试验潮位，共计8组试验依次进行，列于表2中。3 试验结果分析

3.1 多孔排水管沿程压力分布规律

压力分布特性是研究水工建筑物水力特性的一个重要参数，图6是8组换算到原型的多孔排水管压力水头沿程变化过程，其中横坐标为测点编号，纵坐标为压力水头，单位为m。图中测点具体位置坐标详见图4。表3为换算到原型的多孔排水管流量和压差结果。

从图6中曲线走势可以看出，同一工况下多孔排水管末端的压力水头大于首端，压力回升现象明显，这是由于在入口流量不变的情况下，管道末端封闭，流速水头不断向压力水头转化所致。从表3中可以看出，工况Ⅰ-1到工况Ⅱ-8，多孔排水管入口流量从10.37 m3/s增大到16.993 m3/s，测点d1与d16的压差由0.047 m增大到0.127 m，在入口流量增大约60%的情况下，测点d1与d16的压差增大近3倍。可见随着多孔排水管中入口流量的增大，其首末端的压差增大明显。

3.2 多孔排水管上下游压力分布规律

多孔排水管内的压力水头总体是沿程升高的，但是具体到单个出水管，还有各自的特点：压力在各出水管下游测点处出现突升现象。如上图6（f）中所示，在出水管下游测点处可见明显的压力突升，每个出水管下游处的压力大于上游，同时大于相邻的下一出水管上游的压力。

为了解释出现上述现象的原因，结合数值模拟手段，应用fluent软件详细研究了多孔排水管内的流场分布特性。对于存在转弯及分离等具有较强的各向异性的流动，RNG k-ε紊流模型具有更好的适应性[17-21]，因此本文选用了RNG k-ε紊流模型模拟计算。边界条件为速度进口压力出口。表4以工况Ⅱ-5为例，给出了压力测点的实测值与模拟值对比结果。入口流量实测值15.076 m3/s，计算值15.023 m3/s，误差0.35%。

如上述所示，数值模拟结果与模型试验实测结果吻合较好，压力变化规律一致，最大误差为3.76%。说明本文所建立的数学模型是合理的。

计算得到了多孔排水管的三维流场流线分布，图7截取了出水管1至出水管3部分。发现：出水管出流造成的流线改变是出水管下游压力突升的主要原因。当水流沿流动方向靠近出水管时，流线向出水管倾斜改变，一部分水流从出水管流出，另一部分水流越过出水管后向下游壁面附近冲击，流速水头转化成了压强水头，造成出水管下游出现压力突升现象。

表5为各工况下出水管上下游的压差表，可见，随着入口流量由10.37 m3/s增大到16.993 m3/s，出水管上下游壓差的平均值由0.002 m增加到0.021 m，其随流量的增大而增大。将同一出水管，不同工况下的压差进行比较可以发现：多孔排水管中前半段平均压差大于后半段平均压差，说明多孔排水管在压力回升的过程中，前段比后段回升效果更明显。

3.3 多孔排水管压力分布的计算公式

本项研究中只关心多孔排水管内的压力变化规律，在推导管内无量纲压力公式时无须考虑多孔管孔口出流方式，用上下游压力测点的平均值表示出水管处的压力水头。以多孔排水管中出水管1的压力水头为基准值，位置为起始位置，分别计算各出水管的hi/h1值和Xi/X0值，其中hi为出水管处的压力水头，i=1，2，…，8表示出水管编号，结果反映了多孔排水管中各出水管处压力水头与出水管1处的比值关系；X0=12.795 m为原型中出水管间距；Xi为每个出水管到起始位置的距离，单位m，结果反映了多孔排水管中各出水管到起始位置的距离与出水管间距的比值关系。

图8给出了不同试验工况下hi/h1值的统计结果，图中以Xi/X0为横坐标，hi/h1为纵坐标建立坐标系，统计了8组试验下hi/h1随Xi/X0的变化规律。从图中可以看出，在不同方案工况下无论管道进口流量，水头如何变化，多孔排水管中hi/h1的值均呈现出沿程增大的规律不变。通过对各试验工况的hi/h1结果进行拟合，可以发现沿程的压力变化可用式（2）表示：

表6提取了图8中直线方程的系数k和b值，并统计求出平均值。

利用确定了系数的公式（2）对模型试验结果开展计算值与实测值的误差分析，将误差分析结果列于表7中，从中可以发现，对于单个出水管误差最大的一组工况出现在Ⅰ-4单井校核高潮位工况，最大误差为1.49%，不同工况下最大平均误差出现在Ⅱ-6双井设计低潮位工况，为0.88%。表明当K和b取平均值时，推导出的公式（2） 的计算结果同实测结果吻合良好，公式可用作多孔排水管沿程压力水头的计算，对类似实际工程的设计计算具有一定的参考意义。

4 结论

本文依托我国北方某滨海核电厂虹吸井冬季运行实际开展试验研究，通过对试验结果的分析，研究了多孔排水管沿程压力分布规律，出口上下游压差变化规律，得到以下结论。

（1）建立了多孔排水管沿程任一位置与压力水头的无量纲函数关系，其理论计算值与实测值最大误差为1.49%，各试验工况平均误差最大为0.88%。

（2）多孔排水管中的压力水头由于流速水头的转化呈现沿程升高现象，随着流量的增大，升高幅度越大，且多孔排水短管的压力升高效果前段比后段更明显。

（3）多孔排水管的出流运行，流线在出水管处发生偏移，使得水流对出水管下游产生冲击，出水管下游压力水头出现突升现象。

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