兩處斷流彌合水擊特性試驗(yàn)

趙 莉，楊玉思，盧玉東，胡 曉，樊凌琿（.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 70054；2.西安航空學(xué)院建筑與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 70077）

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兩處斷流彌合水擊特性試驗(yàn)

趙 莉1，2，楊玉思1，盧玉東1，胡 曉1，樊凌琿1
（1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710054；2.西安航空學(xué)院建筑與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710077）

摘要：為研究有壓管道系統(tǒng)停泵過(guò)程產(chǎn)生的多處水柱分離現(xiàn)象，并分析斷流彌合水擊升壓和斷流長(zhǎng)度的影響因素，設(shè)計(jì)出可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)發(fā)生兩處斷流彌合水擊的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ囼?yàn)觀察到停泵產(chǎn)生的水柱分離現(xiàn)象有完全霧狀汽化狀態(tài)、完全斷流空腔狀態(tài)、既有斷流空腔又有霧狀汽化區(qū)的斷流狀態(tài)以及不完全斷流狀態(tài)等4種。試驗(yàn)結(jié)果表明，初始流速、關(guān)閥速度是兩處斷流彌合升壓和斷流長(zhǎng)度的重要影響因素，初始流速越大，彌合升壓越大，斷流長(zhǎng)度越長(zhǎng)；關(guān)閥速度越快，彌合升壓越大，斷流長(zhǎng)度越長(zhǎng)；流速較高時(shí)，管路布置形式對(duì)具有兩處斷流管路的彌合升壓影響很大。

關(guān)鍵詞：斷流彌合水擊；關(guān)閥速度；彌合升壓；斷流長(zhǎng)度；試驗(yàn)研究

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源供需不平衡問(wèn)題越來(lái)越顯著。為了緩解水資源供需矛盾，有必要從水源豐富的地區(qū)通過(guò)長(zhǎng)距離管線輸水到水源貧瘠區(qū)，長(zhǎng)距離輸水工程應(yīng)運(yùn)而生，如引灤入津、引漢濟(jì)渭、南水北調(diào)等舉世聞名的大型長(zhǎng)距離輸水工程。然而，隨著長(zhǎng)距離輸水工程的蓬勃發(fā)展，其安全問(wèn)題也逐步顯現(xiàn)，每年因水擊防護(hù)不善引起的爆管事故損失巨大，輸水的安全已關(guān)系到國(guó)計(jì)民生[1-2]。為了制定合理的水擊防護(hù)方案，有必要對(duì)水擊現(xiàn)象及其機(jī)理進(jìn)行深入研究。有壓管流壓力瞬變過(guò)程中引起的液柱分離現(xiàn)象，是水力瞬變分析中的一個(gè)重要問(wèn)題[3]，斷流彌合水擊分析是準(zhǔn)確進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬的重要基礎(chǔ)[3]。前人的研究主要基于一處斷流彌合的水力過(guò)渡情況[4]，對(duì)多處斷流彌合的水力過(guò)渡過(guò)程的現(xiàn)象描述和計(jì)算模擬國(guó)內(nèi)外較為罕見[5-7]，本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)兩處斷流彌合的水力過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行研究，總結(jié)出影響兩處斷流彌合水擊升壓和斷流長(zhǎng)度的因素，即初始流速、閥門關(guān)閉速度、管路布置形式等。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)管路系統(tǒng)由硬聚氯乙烯管和有機(jī)玻璃管段組成，液柱分離由裝于管首處的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。鋼管總長(zhǎng)220m（可拆卸調(diào)節(jié)），管徑100mm，管路中部抬高數(shù)米，管路前部通過(guò)調(diào)節(jié)可得50 m、30 m、85 m等3種管長(zhǎng)，管路后部可調(diào)節(jié)成130 m、75 m、50 m、25 m等4種管長(zhǎng)。試驗(yàn)采用壓力傳感器測(cè)定壓力，管路首端布設(shè)一個(gè)電磁流量計(jì)，以測(cè)定瞬變過(guò)程中的流量變化曲線，由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制關(guān)閥速度，將設(shè)在電磁離合器上的電訊號(hào)與來(lái)自電磁流量計(jì)、壓力傳感器上的電訊號(hào)一起輸入數(shù)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)壓力、流量同步記錄。在進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn)備工作（儀器儀表的標(biāo)定、波速的測(cè)定、沿程阻力系數(shù)的測(cè)定）后，制定試驗(yàn)方案和方法，試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1. 1 試驗(yàn)方案

如果管徑、管長(zhǎng)和靜揚(yáng)程一定，對(duì)于不出現(xiàn)斷流的水力瞬變過(guò)程，管路布置形式對(duì)瞬變過(guò)程幾乎沒(méi)有影響，對(duì)于只在首段發(fā)生斷流的情況也影響甚微，但對(duì)于兩處斷流的水力瞬變過(guò)程，管路布置形式的影響顯著[8-9]。采用4種不同管路布置方案，分析兩處斷流彌合水擊升壓和斷流長(zhǎng)度的影響因素。以管路中部預(yù)計(jì)水柱分離處B點(diǎn)為界，分為前、后兩段管路，以管路首端電動(dòng)調(diào)節(jié)閥后A點(diǎn)至管路中部B點(diǎn)為前段，B點(diǎn)至管路末端C點(diǎn)為后段。試驗(yàn)采用的管路布置方案見表1。通過(guò)改變管中初始流速及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的關(guān)閥速度，觀察上述4種管路布置方案中兩處斷流位置的水柱分離現(xiàn)象，并對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定。

表1 管路布置方案

1. 2 試驗(yàn)方法

在水泵啟動(dòng)并運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，調(diào)節(jié)設(shè)置在水泵與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥之間的手動(dòng)閘閥，以便整個(gè)管路系統(tǒng)中獲得穩(wěn)定的初始流速，初始狀態(tài)確定后，扳動(dòng)轉(zhuǎn)向開關(guān)，使電動(dòng)調(diào)節(jié)閥處于開啟待關(guān)狀態(tài)。一切準(zhǔn)備就緒后，扳動(dòng)控制器上的手動(dòng)開關(guān)，快速關(guān)閉電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)關(guān)閥水擊，同時(shí)觀察水柱分離現(xiàn)象，測(cè)定并記錄水柱分離長(zhǎng)度及斷流彌合水擊升壓值等。一次試驗(yàn)完畢后，打開電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，待水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)后開展下一次試驗(yàn)準(zhǔn)備工作。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

按4種試驗(yàn)管路布置方案，通過(guò)調(diào)節(jié)初始流速及關(guān)閥速度，得到不同的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中觀察到4種水柱分離（斷流）狀態(tài)：

a.完全霧狀汽化狀態(tài)（圖2）。這種狀態(tài)僅在管路首端A點(diǎn)處出現(xiàn)。該區(qū)沒(méi)有明顯可見的斷流空腔。在較慢的關(guān)閥速度情況下，初始流速越大，霧狀汽化區(qū)越長(zhǎng)，該狀態(tài)隨壓力波的變化反復(fù)出現(xiàn)3～5次，最后消失。

圖2 完全霧狀汽化狀態(tài)

b.既有斷流空腔又有霧狀汽化區(qū)的斷流狀態(tài)（圖3）。這種狀態(tài)也僅出現(xiàn)在A點(diǎn)附近的水平管段中，它有明顯的斷流空腔，空腔表面為坡形，并集中于管頂位置。從電動(dòng)調(diào)節(jié)閥處由深至淺向下游延伸，但尚未形成完全斷流。在斷流空腔末端還有一段霧狀汽化區(qū)，這種狀態(tài)下的關(guān)閥速度較前一種狀態(tài)快一些。

圖3 既有斷流空腔又有霧狀汽化區(qū)的斷流狀態(tài)

圖4 完全斷流狀態(tài)

c.完全斷流狀態(tài)（圖4）。這種斷流狀態(tài)大多出現(xiàn)在管路中部B點(diǎn)處。斷流空腔將原來(lái)的連續(xù)水柱截為兩段。斷流區(qū)下游段水平管內(nèi)具有明顯的坡面，而分離點(diǎn)上游斜管中的液面幾乎是水平的。兩斷開水柱首次彌合點(diǎn)一般在分離點(diǎn)上游一側(cè)，但隨后逐漸向分離點(diǎn)下游移動(dòng)。彌合次數(shù)一般為2～6次。完全斷流空腔也可在管路首端水平管段內(nèi)出現(xiàn)，但要求較大的初始流速和較快的關(guān)閥速度。斷流空腔的邊界液面亦呈坡面，其坡度較中部斷流空腔陡，且空腔的下游端有較短的霧狀汽化區(qū)。

d.不完全斷流狀態(tài)（圖5）。這在初始流速及關(guān)閥速度均較低時(shí)出現(xiàn)，但與首端既有斷流空腔又有霧狀汽化區(qū)的斷流狀態(tài)（圖3）的明顯區(qū)別是沒(méi)有明顯霧狀汽化區(qū)，只是在管頂處出現(xiàn)一個(gè)空腔或一些大小不等的不連續(xù)氣泡。氣泡的潰滅和消失較快，并引起一定的壓力升高。

圖5 不完全斷流狀態(tài)

以上4種水柱分離狀態(tài)的出現(xiàn)受初始流速、關(guān)閥速度及斷流區(qū)位置所影響[8]。無(wú)論是管路首端還是管路中部，都是關(guān)閥速度越快，初始流速越大，斷流越強(qiáng)烈。管路首端的瞬變情況包括完全霧狀汽化狀態(tài)（圖2）、既有斷流空腔又有霧狀汽化區(qū)的斷流狀態(tài)（圖3）和無(wú)任何斷流現(xiàn)象。管路中部則呈完全斷流（圖4）、不完全斷流（或僅有幾個(gè)氣泡）（圖5）及無(wú)任何斷流現(xiàn)象等3種狀態(tài)。此處，值得人們深思的是在斷流發(fā)生過(guò)程中，無(wú)論任何條件，管路中部斷流區(qū)永遠(yuǎn)沒(méi)有霧狀汽化區(qū)，而管路首端總是或多或少地出現(xiàn)霧狀汽化區(qū)，其原因可能是管路中部B點(diǎn)斷流處受重力拉斷和降壓波的雙重作用，壓力降低快，并產(chǎn)生斷流空腔，故沒(méi)有霧狀汽化區(qū)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3. 1 關(guān)閥速度對(duì)斷流彌合升壓、斷流長(zhǎng)度的影響

圖6 關(guān)閥速度與首端A點(diǎn)彌合升壓的關(guān)系

圖7 關(guān)閥速度與首端A點(diǎn)斷流長(zhǎng)度的關(guān)系

初始流速、管路布置形式和關(guān)閥速度是斷流彌合升壓與斷流長(zhǎng)度的重要影響因素，在相同的初始流速下試驗(yàn)研究了管路布置形式和關(guān)閥速度對(duì)彌合升壓與斷流長(zhǎng)度的影響。取初始流速為2. 52 m/ s的一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在平面坐標(biāo)系內(nèi)繪制關(guān)閥速度與管路首端彌合升壓的關(guān)系曲線和關(guān)閥速度與管路首端斷流長(zhǎng)度的關(guān)系曲線，分別見圖6、圖7。這里所說(shuō)的關(guān)閥速度是相對(duì)速度，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的最大關(guān)閥速度vmax對(duì)應(yīng)的完全關(guān)閉時(shí)間為1s。從圖6、圖7可見，無(wú)論是斷流長(zhǎng)度還是彌合升壓，均與關(guān)閥速度幾乎成正比，關(guān)閥速度越快，彌合升壓越大，斷流長(zhǎng)度越大。在相同的關(guān)閥速度下，方案3的彌合升壓明顯高于方案1，最高相差0. 22 MPa左右。原因可能是：①方案1中AB段距離較短，水擊波在AB段傳播時(shí)間短，停泵后降壓波由A點(diǎn)傳向B點(diǎn)，再由斷流空腔邊界B點(diǎn)以升壓波回傳到A點(diǎn)的時(shí)間短，A處空腔長(zhǎng)度增長(zhǎng)受限?？涨婚L(zhǎng)度越小，按照等加速度估計(jì)，彌合時(shí)反向流速越小，由儒可夫斯基公式[5，7]可知彌合升壓越小。另外，當(dāng)管路中部B處斷流彌合時(shí)，管路首端A處已彌合多次，由于動(dòng)量損失，水擊壓力降低，對(duì)于方案1，當(dāng)關(guān)閥速度為86%vmax（即完全關(guān)閉閥門的時(shí)間為1. 16 s）時(shí)，首端升壓為0. 69 MPa。②方案3中AB段距離較長(zhǎng)，升壓波反射到達(dá)A處的時(shí)間長(zhǎng)，A處形成空腔較長(zhǎng)，彌合升壓較大，而BC段較短，反射波在BC段傳播較AB段用時(shí)較短，管路中部B處斷流彌合先于管路首端A處，增大了首端的回沖流速，從而增大了首端斷流彌合升壓。對(duì)于方案3，當(dāng)關(guān)閥時(shí)間為86%vmax，首端升壓為0. 82 MPa。

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，斷流長(zhǎng)度越大，彌合升壓也越大，原因如下：相同波速條件下，斷流長(zhǎng)度越大，兩股水柱對(duì)沖時(shí)的經(jīng)歷時(shí)間越長(zhǎng)，在相同的加速度和初始流速的條件下，相遇時(shí)的碰撞流速絕對(duì)值越大，因?yàn)閮伤魉俜较蛳喾矗蓮浐仙龎汗絒1，7-8]（式（1））可知，彌合升壓越大，所以從理論分析來(lái)看試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論是符合實(shí)際情況的。式中：a為水擊波速；v1、v2分別為斷流彌合時(shí)的上、下游水柱在碰撞時(shí)的流速；g為重力加速度。

3. 2 初始流速對(duì)斷流彌合升壓的影響

在相同的關(guān)閥速度下，考察各管路布置形式在不同初始流速下的斷流彌合升壓情況，見圖8。圖中4條曲線分別表示方案1、方案2、方案3、方案4管路首端彌合升壓隨流速的變化關(guān)系?？傮w規(guī)律是，初始流速越大，斷流彌合升壓越大[5，7]。原因是初始流速越大，在相同加速度情況下，相遇時(shí)的碰撞速度越大，由式（1）可知斷流彌合升壓越大。由圖8可見，在較低的初始流速下，各方案升壓情況沒(méi)有顯著的差別，原因是較低的初始流速引起的斷流狀態(tài)沒(méi)有顯著的差別，當(dāng)流速大于1. 6 m/ s后，斷流狀態(tài)的差別逐步顯著。方案4彌合升壓高于其他方案的原因是方案4的BC段最短，管路中點(diǎn)斷流彌合先于首端，增大了首端的回沖流速，因而首端斷流彌合升壓增大。方案2彌合升壓高于方案1的原因可能是在相同的初始流速下，方案2管道較短，管路首端初始?jí)毫Φ陀诜桨?，而回沖流速較大，因而升壓波返回時(shí)管路首端產(chǎn)生的壓力較大；另外，方案1管路中點(diǎn)彌合時(shí)管路首端已經(jīng)彌合2次，壓力已經(jīng)減小，而方案2管路中點(diǎn)彌合時(shí)管路首端僅彌合1次，故方案2彌合升壓比方案1高。

圖8 初始流速與首端A點(diǎn)彌合升壓的關(guān)系

3. 3 管路布置形式對(duì)斷流長(zhǎng)度的影響

圖9 初始流速與管路首端A點(diǎn)斷流長(zhǎng)度的關(guān)系

圖9為初始流速與管路首端斷流長(zhǎng)度的關(guān)系曲線，可知方案3首段斷流長(zhǎng)度明顯高于其他方案，原因可能是：方案3中AB段比BC段長(zhǎng)，當(dāng)B點(diǎn)斷流時(shí)，B點(diǎn)空腔就形成了邊界，升壓波在此處反射，AB距離越長(zhǎng)，首端水柱分離的剩余流速衰減就越慢，所以首端斷流空腔發(fā)育越好，因而斷流長(zhǎng)度越長(zhǎng)；反之亦然。雖然方案4中AB段長(zhǎng)度同樣大于BC段長(zhǎng)度，但方案4中BC段較短，只有25 m，故升壓波回傳時(shí)間短，B處空腔很快彌合，進(jìn)而增大了首端的彌合流速，影響了首端斷流空腔的發(fā)展。所以，方案4管路首端斷流長(zhǎng)度比較小。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析管路布置形式與管路中點(diǎn)斷流長(zhǎng)度的關(guān)系（圖10），由圖10可以看出相同的初始流速下，方案1管路中點(diǎn)斷流長(zhǎng)度最大，超過(guò)100 cm，原因是方案1管路中部B點(diǎn)后面的管長(zhǎng)較長(zhǎng)（達(dá)130 m），B點(diǎn)斷流時(shí)，末端升壓波在此處反射，BC段距離越長(zhǎng)，B點(diǎn)水柱分離的剩余流速衰減就越慢，因而斷流長(zhǎng)度就越長(zhǎng)[6]。

圖10 初始流速與管路中部B點(diǎn)斷流長(zhǎng)度的關(guān)系

4 結(jié) 論

a.初始流速、關(guān)閥速度是兩處斷流彌合水擊升壓和斷流長(zhǎng)度的重要控制因素，初始流速越大，彌合升壓越大，斷流長(zhǎng)度越長(zhǎng)；關(guān)閥速度越快，彌合升壓越大，斷流長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

b.管路首端（A點(diǎn)）停泵產(chǎn)生的水柱分離現(xiàn)象有完全霧狀汽化狀態(tài)、既有斷流空腔又有霧狀汽化區(qū)的斷流狀態(tài)和無(wú)任何斷流現(xiàn)象。管路中部（B點(diǎn)）則呈完全斷流、不完全斷流（或僅有幾個(gè)氣泡）及無(wú)任何斷流現(xiàn)象等3種狀態(tài)。

c.管路布置形式對(duì)兩處斷流的水力瞬變過(guò)程影響顯著。管路中部斷流點(diǎn)（B點(diǎn)）距離管首越長(zhǎng)，則首端斷流長(zhǎng)度越長(zhǎng)，水擊升壓越大；B點(diǎn)距離管路末端越長(zhǎng)，則中部斷流情況越明顯，中部斷流長(zhǎng)度越長(zhǎng)，尤其是流速較高時(shí)，管路布置形式對(duì)兩點(diǎn)斷流水擊升壓影響甚大。

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Cavity water hammer characteristic test on two places/ /

ZHAO Li1，2，YANG Yusi1，LU Yudong1，HU Xiao1，F(xiàn)AN 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 編輯：駱超）

作者簡(jiǎn)介：趙莉（1982—），女，講師，博士研究生，主要從事長(zhǎng)距離輸水的安全防護(hù)研究。E-mail：zhaoli200817@163. com

基金項(xiàng)目：產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃（CXY1518（3））

中圖分類號(hào)：TU991；TV134. 1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006 7647（2016）01 0036 04