多孔噴頭式改進(jìn)型消力井試驗(yàn)研究

邵國(guó)瀛 劉煥芳 金瑾

摘要：對(duì)于長(zhǎng)距離管道輸水工程，在超出承壓范圍的管道處設(shè)置消力井，可以確保管道安全運(yùn)行。理論分析與室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：多孔噴頭式改進(jìn)型消力井的平流穩(wěn)壓井具有一定消能效果，當(dāng)出水管布置在最低處時(shí)，平流穩(wěn)壓井的消能效果最佳。在理想極限狀態(tài)下，井內(nèi)自由水面與平流穩(wěn)壓井的自由水面高程相等時(shí)，平流穩(wěn)壓井的消能效果完全消失。多孔噴頭式改進(jìn)型消力井井筒的消能效果與傳統(tǒng)式消力井井筒的消能效果相比顯著提高，證明了這種改進(jìn)方案是有效的。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)距離輸水；理論分析；消能效果；消力井；平流穩(wěn)壓井

中圖分類號(hào)：TV61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.024

我國(guó)水資源分布情況為南多北少，跨區(qū)域調(diào)水川已經(jīng)成為解決水資源分布不均的重要途徑。目前國(guó)內(nèi)外輸水方式主要有管道輸水和渠道輸水兩種。其中管道輸水有節(jié)約水量、保護(hù)水質(zhì)[2]等優(yōu)點(diǎn)。長(zhǎng)距離管道輸水工程中，地形、地貌的差異可能會(huì)導(dǎo)致管道局部壓力過大，超出所能承受的范圍，因此這部分多余能量必須消除[3]。消力井作為一種經(jīng)濟(jì)、有效的消能方式，常常被實(shí)際工程采用。趙經(jīng)華[4]對(duì)阿拉山口輸水管道的消能情況進(jìn)行了量測(cè)，指出從國(guó)內(nèi)阿拉山口長(zhǎng)距離輸水管道消力井工程的使用情況來看，消力井是一種可靠、高效的消能方式，消能效果能滿足工程的實(shí)際需要。衡海龍等[5-6]通過對(duì)傳統(tǒng)式消力井的井底壓強(qiáng)分布進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)式消力井的井底中央處壓強(qiáng)大于井筒靜水壓強(qiáng)，井底靠近井壁處壓強(qiáng)小于井筒靜水壓強(qiáng)，井底壓強(qiáng)分布對(duì)井筒的運(yùn)行造成了不利影響。蘆綺玲等[7]對(duì)管道進(jìn)水管多孔噴頭射流流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)噴孔的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了初步研究，確定了噴孔以梅花狀進(jìn)行布設(shè)。本文通過理論分析與室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)式消力井的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)研究，找出了最佳的出水管布置形式。

1 改進(jìn)型消力井的結(jié)構(gòu)形式

改進(jìn)型消力井的結(jié)構(gòu)增加了一個(gè)平流穩(wěn)壓井，室內(nèi)試驗(yàn)通過一個(gè)溢流擋板將消力井井筒分隔成兩部分，從而保證紊動(dòng)劇烈的水流不會(huì)對(duì)出水管口造成影響，溢流板帶有300的傾斜角，溢流過水不容易出現(xiàn)掛水現(xiàn)象；進(jìn)水口處的出水形式由直筒式改為多孔噴頭式，開孔直徑為d，開孔數(shù)為N，管道直徑為D。定義多孔噴頭的開孔率為開孔面積與管道橫截面積之比，即。結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況，進(jìn)出管徑保持一致，采用方形消力井。結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

2 室內(nèi)模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)型消力井的出水管位置進(jìn)行研究，尋求最佳出水管布置位置，從而使改進(jìn)型消力井的消能效果達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)，建立參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，為消力井的管徑設(shè)計(jì)提供一種簡(jiǎn)單、便于計(jì)算的方法。

2.2 試驗(yàn)裝置

室內(nèi)模型主要由消力井井筒、壓力表、高位水箱、水泵、閘板閥、進(jìn)出水管、三角堰、地下水箱等組成。其中：閘板閥安裝在進(jìn)水管處，閘板閥前后各安裝一個(gè)壓力表；消力井井筒高1000mm，井底為邊長(zhǎng)690mm的正方形；進(jìn)出水管道直徑為84mm，安裝高度為450mm；溢流板的高度為850mm，出水管道長(zhǎng)度為6000mm，管道粗糙系數(shù)n=0.01；出水管道與三角堰連接，然后流向地下水箱；消力井井筒為方形，使用有機(jī)玻璃制作，連接處使用混凝土膠進(jìn)行止水；試驗(yàn)的流量通過控制閘板閥的開度來調(diào)整。室內(nèi)模型布置如圖2所示。

2.3 試驗(yàn)組次

分別對(duì)傳統(tǒng)式消力井和多孔噴頭式改進(jìn)型消力井進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。流量在0.5～1.2m3/s范圍內(nèi)取值，每0.1m3/s遞增，選擇多孔噴頭開孔率η=40%。以新疆克拉瑪依“林紙一體化”消力井工程為原型，按重力相似準(zhǔn)則，以1：8的長(zhǎng)度比尺進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，在室內(nèi)溫度為17℃下進(jìn)行測(cè)量。管道的壓強(qiáng)通過精度為0.005MPa的壓力表進(jìn)行測(cè)量，流量采用三角堰施測(cè)，水位用精度為0.1mm的測(cè)針測(cè)量。有機(jī)玻璃上粘貼米格紙，繪出井內(nèi)水位，通過卷尺測(cè)出井內(nèi)水深。

3 理論分析

3.1 平流穩(wěn)壓井的消能效果分析

以出水管道中心軸線為基準(zhǔn)面，對(duì)圖1中平流穩(wěn)壓井自由水面5-5與出水管出口斷面3-3列能量方程[8]，得出水管管上水深：式中：h為平流穩(wěn)壓井出水管管上水深；λ為沿程水頭損失系數(shù)；l為管長(zhǎng)；g為重力加速度，取9.8m/s2；v為管道中水流流速；ζ2為出水管口的局部水頭損失系數(shù)，取ζ2=0.5；α2為出水管道的動(dòng)能修正系數(shù)，α2=1。

整理式（1）得式中：Q為管道中水流流量。

以消力井井筒底為基準(zhǔn)面，對(duì)圖1中的井內(nèi)自由水面4-4與平流穩(wěn)壓井自由水面5-5列能量方程：式中：hw2為平流穩(wěn)壓井造成的水頭損失；z為出水管到井筒底的位置水頭；v4為井內(nèi)自由水面的平均流速；α4為井內(nèi)自由水面的動(dòng)能修正系數(shù)，取α4=1。

將式（2）代入式（3）可以計(jì)算出平流穩(wěn)壓井的水頭損失hw2：

（1）在Q、D、λ、l不變的情況下，井內(nèi)水深H、出水管管上水深h、井內(nèi)自由水面的平均流速水頭v42/2g均為定值。通過式（4）可知，當(dāng)出水管的位置水頭z=0時(shí)，水頭損失hw2最大，平流穩(wěn)壓井消能效果最佳。

（2）在D、λ、l、z都不變的情況下，增大管道水流流量Q，井內(nèi)水深H變化不大，井內(nèi)自由水面的平均流速水頭v42/2g增大很小，均可以視為定值。由式（2）發(fā)現(xiàn)平流穩(wěn)壓井的管上水深h與流量Q的平方成正比，隨著流量的增大而增大。隨著管道流量Q的增大，平流穩(wěn)壓井的水頭損失hw2減小，在理想極限狀態(tài)下，當(dāng)平流穩(wěn)壓井的自由水面與井內(nèi)自由水面高度相同時(shí)，平流穩(wěn)壓井的消能效果完全消失。

3.2 改進(jìn)型消力井管徑的確定

（1）消力井井筒的消能效果。消力井井筒的水頭損失系數(shù)是水頭損失與流速水頭的比值，可以表征消力井井筒消能效果：式中：ξ1-2為消力井井筒的局部水頭損失系數(shù)；ΔH1-2為消力井井筒前后的水頭損失；p1為消力井進(jìn)水口前管道壓力；p2為消力井出水口的管道壓力；γ為水的容重。

（2）閘板閥的消能效果。閘板閥使水流斷面急劇收縮或者擴(kuò)散，達(dá)到消能的目的。ζ0-1，可以表征閘板閥消能效果：式中：ζ0-1，為閘板閥的局部水頭損失系數(shù)；ΔH0-1，為閘板閥前后的水頭損失；p0為管道與消力井連接前端處的水壓力。

（3）閘板和消力井井筒消能效果分析。通過式（5）和式（6）計(jì)算出不同流量下消力井井筒和閘板閥的水頭損失系數(shù)。由圖3、圖4可知，消力井井筒和閘板閥的水頭損失系數(shù)隨著流量的增大而減小，在同一流量下，閘板閥的水頭損失系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于消力井井筒的水頭損失系數(shù)，說明閘板閥的消能效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于消力井井筒的消能效果，僅考慮消力井井筒的消能率，并不能很好地反映出長(zhǎng)距離輸水管道能量的變化過程，必須將閘板閥對(duì)管道的影響考慮進(jìn)去。

以消力井井筒底為基準(zhǔn)面，圖1中0-0斷面和出水管2-2斷面的總能量分別為式中：Δz為進(jìn)水管到井筒底的位置水頭；α0為進(jìn)水管道閘板閥前的動(dòng)能修正系數(shù)，取α0=1。

改進(jìn)型消力井消能率計(jì)算公式為

隨著閘板閥開度的增大，閘板閥前的壓強(qiáng)P。減小，而出水管處的壓強(qiáng)p2逐漸增大[8]，消力井的消能率K隨著流量的增大而減小。圖5為消力井室內(nèi)試驗(yàn)得出的消能率隨流量的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

3.3 工程實(shí)例計(jì)算

某供水水利工程具有供水線路長(zhǎng)、落差大等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用消力井進(jìn)行消能。為了滿足最大高峰期的用水量，供水工程的最大設(shè)計(jì)流量為1.3m3/s，進(jìn)水管總水頭為92m，出水管總水頭為11m（為保證居民樓層供水壓力及沿程管道能量損失要求）。該工程實(shí)際要滿足的消能率K=88%。根據(jù)圖5可以查出無量綱Q/vd=3109916，工程設(shè)計(jì)流量為1.3m3/s，實(shí)際工程運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)按大氣溫度25℃來定，取運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)v=0.897×10-6，從而得出管道直徑d=0.466m，實(shí)際工程管道直徑選擇d=0.500m。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）水流特性分析。水流從噴孔中射流出來碰到井筒壁后，一部分水流向上運(yùn)動(dòng)，一部分水流向井筒底中央集中，向下運(yùn)動(dòng)的水流接觸到井筒底后改變方向并向井筒底中央?yún)R聚，繼而上升到達(dá)水面，水面有微弱的波動(dòng)，流態(tài)良好。

（2）消能效果分析。由圖6可以看出，無論傳統(tǒng)式還是改進(jìn)型消力井井筒，消能率都隨著流量的增大而增大，當(dāng)流量增大到一定程度后，其基本保持穩(wěn)定。改進(jìn)后的多孔噴頭式消力井井筒的消能率可達(dá)80%，而傳統(tǒng)式消力井井筒的消能率僅可達(dá)60%，證明改進(jìn)方案能夠有效地提高消力井井筒的消能效果。由圖7可知：平流穩(wěn)壓井的消能率隨著流量的增大而減小，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，說明消力井井筒的水頭損失不僅由水流之間的相互混摻、翻滾引起，還與相互碰撞有關(guān)。

5 結(jié)論

（1）消力井井筒水流流態(tài)比較平順，消能效果良好，是一種理想的消能工。

（2）保證管道流量一定，當(dāng)出水管的位置布置在最低處時(shí)，平流穩(wěn)壓井的消能效果最佳。

（3）當(dāng)流量較小時(shí)，平流穩(wěn)壓井具有一定的消能效果；隨著管道流量的增大，平流穩(wěn)壓井的消能率開始減小，在理想極限狀態(tài)下，井內(nèi)自由水面與平流穩(wěn)壓井的自由水面高程相等時(shí)，平流穩(wěn)壓井的消能效果完全消失。

（4）改進(jìn)后的多孔噴頭式消力井井筒水流混摻更加充分，消能效果優(yōu)于傳統(tǒng)式消力井井筒。

（5）通過建立無量綱參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式，為消力井管徑設(shè)計(jì)提供了一種簡(jiǎn)單的計(jì)算方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪恕誠(chéng).論大壩與生態(tài)[C]//聯(lián)合國(guó)水電與可持續(xù)發(fā)展研討會(huì)文集.北京：北京出版社，2004：1-4.

[2]文镕.灌區(qū)明渠輸水與PCCP管道輸水方案比較[J].東北水利水電，2006（7）：67-69.

[3]蘆綺玲，陳剛.輸水工程中壓力管道出口水流消能方法的試驗(yàn)研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，4（1）：80-85.

[4]趙經(jīng)華.阿拉山口輸水管道消能井結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2010，32（3）：92-93.

[5]衡海龍，劉煥芳，金瑾.消力井消能效率及井底壓強(qiáng)分布研究[J].人民長(zhǎng)江，2016，47（7）：82-85.

[6]吳建廉.金鐘水利樞紐引水配套工程長(zhǎng)距離輸水管道安全措施探討[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2009（11）：983-985.

[7]蘆綺玲，黃君瑤，李國(guó)棟，等.多噴孔射流的三維紊流數(shù)值模擬及消能分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2007，26（1）61-66.

[8]呂宏興，裴國(guó)霞，楊玲霞.水力學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2002：22-70.