導(dǎo)流式輸水管網(wǎng)消能裝置設(shè)計(jì)與影響因素研究

喻黎明 張玉勝 崔吉林 李 娜 楊汶翰 郝志銘

(1.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院, 昆明 650500; 2.西南有色昆明勘測設(shè)計(jì)(院)股份有限公司, 昆明 650217;3.云南點(diǎn)潤節(jié)水設(shè)備制造有限公司, 昆明 650600)

0 引言

輸水管網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用,高壓水會(huì)對輸水管網(wǎng)的運(yùn)行安全和穩(wěn)定造成威脅[1]。管網(wǎng)消能防止下游出現(xiàn)相關(guān)安全問題[2～3],山區(qū)灌溉和雨水收集工程高差較大,低處管網(wǎng)極易出現(xiàn)爆管,影響使用壽命[4]。傳統(tǒng)的解決方案都是安裝閥門,調(diào)節(jié)輸水壓力,但會(huì)造成過流量不足或者成本過高等問題[5]。目前消能裝置是山丘區(qū)輸水管網(wǎng)的重要設(shè)施,但現(xiàn)有的消能裝置對于小型用戶或者雨水集流灌溉來說,投資成本過高。所以成本較低的消能裝置對于保障我國干旱區(qū)或者季節(jié)性干旱區(qū)山丘雨水集流灌溉管網(wǎng)的安全以及山丘區(qū)輸水管網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

消能裝置主要分為兩類:旋流式內(nèi)消能裝置和突擴(kuò)突縮式內(nèi)消能裝置[6]。其中突擴(kuò)突縮式內(nèi)消能裝置中孔板式消能可分為單級孔板消能工和多級孔板消能工兩類[7]。張婷等[8]研究了齒墩內(nèi)表面不同的兩種體型齒墩式內(nèi)消能工,利用Fluent模擬方法探討了兩種導(dǎo)流孔在流速場、壓力場、紊動(dòng)能及水力參數(shù)等對比分析。張婷等[9]研究了齒墩狀內(nèi)消能工的消能及壓力特性,通過物理模型試驗(yàn)對不同面積收縮比的齒墩狀內(nèi)消能工進(jìn)行了研究。李曉娟[10]分析了不同齒墩長度對齒墩狀內(nèi)消能工的水頭損失系數(shù)、消能率、壁面時(shí)均壓強(qiáng)系數(shù)沿程分布規(guī)律、斷面壓力云圖分布以及流速矢量分布的影響。延耀興等[11]通過調(diào)整孔板的扭轉(zhuǎn)角度和孔板間距對階梯螺旋孔口式孔板消能降壓裝置進(jìn)行了研究,控制不同結(jié)構(gòu)組合方式,滿足不同節(jié)水灌溉方式對水壓的需求。延耀興等[12]主要對螺旋式孔口管道消能裝置水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)消能率隨扭轉(zhuǎn)角的增大而增大。宋馳[13]控制節(jié)流片開口角度和葉片偏轉(zhuǎn)角度對外圓筒消能裝置進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計(jì)。綜上,諸多學(xué)者均對不同類型消能裝置進(jìn)行了廣泛的研究,但是研究對象結(jié)構(gòu)單一,主要通過控制過流面尺寸和過流面形狀很難揭示消能機(jī)理,使得結(jié)構(gòu)優(yōu)化較少。

因此,本文以導(dǎo)流式消能裝置為研究對象,利用導(dǎo)流孔的突縮和突擴(kuò)消能方式,以及導(dǎo)流孔布置角度并結(jié)合導(dǎo)流片促使水流在裝置內(nèi)部對沖,從而對能量造成消耗。通過多種分析方法來闡述其內(nèi)部流態(tài)與消能的關(guān)系,對比不同孔徑和有無導(dǎo)流片影響因素,系統(tǒng)分析消能率的變化規(guī)律,從而準(zhǔn)確地篩選出最佳結(jié)構(gòu)因素水平,并提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。

1 導(dǎo)流式輸水管網(wǎng)消能裝置設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

導(dǎo)流式輸水管網(wǎng)消能裝置設(shè)計(jì)要求包括:①良好的消能效果,滿足預(yù)期工作要求。②結(jié)構(gòu)簡單,安裝便捷,滿足環(huán)境要求。③消能裝置前后端流速穩(wěn)定。④制作材料價(jià)格低廉,有效降低成本。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示,消能裝置包括上殼體、下殼體、消能板、導(dǎo)流片,將上殼體蓋合在下殼體上,在上殼體和下殼體之間形成消能空腔,消能空腔一端設(shè)有進(jìn)水口,另一端設(shè)有出水口,消能空腔內(nèi)布置有消能板,消能板上部設(shè)有導(dǎo)流孔,當(dāng)長時(shí)間工作后,可定期拆卸方便清洗內(nèi)腔。通過在消能空腔中設(shè)置多片消能板,選取的消能板片數(shù)既要確保消能能力,同時(shí)也要考慮過流能力[14]。選取超過5片時(shí)雖然消能效果會(huì)更好,但是提升空間不大,同時(shí)也會(huì)造成材料浪費(fèi)、提升使用成本,經(jīng)過多次對比仿真預(yù)試驗(yàn),選取5片消能板比較合適。進(jìn)出口兩端采用螺紋連接保證密封性和連接強(qiáng)度。為減少試驗(yàn)誤差,裝置設(shè)計(jì)模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ投疾捎?∶1等比例尺寸,消能裝置模型參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters

圖1 消能裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematics of energy dissipation device structure1.入口 2.消能板 3.導(dǎo)流孔 4.導(dǎo)流片

1.3 消能板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

消能板是消能裝置核心工作部件,如圖1d所示,消能板垂直對稱線上側(cè)設(shè)有導(dǎo)流孔,導(dǎo)流孔內(nèi)安裝有導(dǎo)流片。消能空腔內(nèi)均勻間隔設(shè)有朝出水方向彎曲的消能板,消能板水平投影為圓形,水流沖擊后能快速擴(kuò)散開,作為優(yōu)選,消能板的傾斜角度為45°,水流進(jìn)入后沖擊第1塊消能板,然后從第1塊消能板上導(dǎo)流孔流出,由于消能板整體彎曲設(shè)置,因此從第1塊消能板上導(dǎo)流孔流出的水向斜下方流動(dòng),沖擊第2塊消能板下部,不斷重復(fù),直至從出水口流出。

2 數(shù)值模擬及試驗(yàn)測試平臺(tái)

2.1 數(shù)值模型參數(shù)選擇

結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)需要在不同工況下選取關(guān)鍵因素進(jìn)行數(shù)值模擬[15],導(dǎo)流片在流域中改變了水流的方向與分布[16],試驗(yàn)中研究對象導(dǎo)流孔和導(dǎo)流片對裝置消能率起關(guān)鍵作用,本試驗(yàn)選取入口流速、導(dǎo)流孔徑比例、有無安裝導(dǎo)流片3種因素(表2),入口流速設(shè)置水平分別為1.0、2.0、3.0 m/s;導(dǎo)流孔徑比例設(shè)置,以基礎(chǔ)導(dǎo)流孔直徑12 mm成比例保持遞增(1∶1.1∶1.2∶1.3∶1.4)對應(yīng)12.0、13.2、14.4、15.6、16.8 mm,成比例保持遞減(1.4∶1.3∶1.2∶1.1∶1)對應(yīng)16.8、15.6、14.4、13.2、12.0 mm,以及比例保持不變(1∶1∶1∶1∶1)均對應(yīng)12 mm,平均孔徑分別為14.4、14.4、12.0 mm。一方面可以探討導(dǎo)流孔徑對消能率的影響,另一方面為了說明導(dǎo)流孔徑比例保持不變布置方式消能率較高,同時(shí)單一控制方便加工制作和組合安裝。通過Fluent數(shù)值模擬計(jì)算,探討不同因素對消能裝置整體性能影響的規(guī)律,從而找到影響因素水平的最優(yōu)組合。

表2 試驗(yàn)因素水平Tab.2 Test factors and levels

2.2 幾何模型建立

采用SolidWorks 2021建模,共6個(gè)模型并網(wǎng)格化,網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格間距為2,并對網(wǎng)格優(yōu)化,提升網(wǎng)格質(zhì)量,最低保持在0.35以上,網(wǎng)格數(shù)為7×105個(gè)左右(表3),并對其做無關(guān)性檢驗(yàn)[17],在Fluent中設(shè)置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模擬,選定數(shù)學(xué)模型、離散方法和求解算法[8]。

表3 試驗(yàn)對象網(wǎng)格數(shù)Tab.3 Grid number of test object

圖2中,設(shè)置了7個(gè)監(jiān)測面:In、A、B、C、D、E和 Out,取7個(gè)監(jiān)測面的數(shù)據(jù),采用Tecplot后處理軟件設(shè)置需要的壓力、流速、渦量場等。

圖2 消能腔內(nèi)流線圖和監(jiān)測面位置分布圖Fig.2 Flow diagram in energy dissipation cavity and location distribution diagram of monitoring surface

2.3 邊界條件設(shè)定

由于消能裝置空腔內(nèi)部存在回流和射流現(xiàn)象,故采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[18]。進(jìn)口條件設(shè)置為速度入口,分別為1.0、2.0、3.0 m/s,湍流強(qiáng)度對應(yīng)入口流速,分別設(shè)置為4.64%、4.26%和4.05%,水力直徑25.6 mm,出口條件設(shè)置為壓力出口,壓力設(shè)置為0.1 MPa[19],其余邊界條件設(shè)置為無滑移固壁邊界,壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2.4 試驗(yàn)測試平臺(tái)

試驗(yàn)在昆明理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,通過對比試驗(yàn)測試和數(shù)值模擬的結(jié)果,以驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。消能裝置3D打印,材料為灰黑玻璃增強(qiáng)尼龍,以保證強(qiáng)度和剛度。測試平臺(tái)如圖3所示。試驗(yàn)時(shí),調(diào)節(jié)消能裝置前端流速調(diào)節(jié)閥,控制電磁流量計(jì)的讀數(shù)穩(wěn)定在1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5 m/s時(shí)進(jìn)行測試,通過微調(diào)出口端壓力調(diào)節(jié)閥,使出口壓力表數(shù)值保持在0.1 MPa。

圖3 試驗(yàn)測試平臺(tái)裝配圖Fig.3 Test platform assembly drawing1.水泵 2.蓄水桶 3.Y型網(wǎng)式過濾器 4.壓力調(diào)節(jié)閥 5.出口壓力表 6.消能裝置 7.入口壓力表 8.電磁流量計(jì) 9.流速調(diào)節(jié)閥 10.水管

3 結(jié)果與分析

3.1 壓力分布

消能裝置的壓力分布可以直觀地觀測裝置的消能效果,圖4為入口流速3.0 m/s且導(dǎo)流孔徑比例保持不變時(shí)的總壓降,壓力呈現(xiàn)遞減趨勢,每個(gè)消能腔內(nèi)水壓都在逐級遞減,并且從導(dǎo)流孔內(nèi)出來的水流呈噴射狀,噴射水流的壓力慢慢消減,一個(gè)腔體接一個(gè)腔體的壓力呈現(xiàn)階梯狀釋放,壓力逐漸變小,以此類推。對于每一個(gè)不同的入口流速,或者不同結(jié)構(gòu),均會(huì)出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。

圖4 入口流速3.0 m/s且導(dǎo)流孔徑比例保持不變時(shí)的 總壓降Fig.4 Total pressure drop diagram when inlet velocity was 3.0 m/s and diversion aperture ratio remained constant

圖5為6組結(jié)構(gòu)3種入口流速下7個(gè)監(jiān)測面壓力。其中監(jiān)測面A、B、C、D、E可以反映5個(gè)導(dǎo)流孔位置的總壓,從圖5可以看出,從入口到導(dǎo)流孔A和從導(dǎo)流孔E到出口段壓降幅度較小,說明從入口進(jìn)入導(dǎo)流孔A和從導(dǎo)流孔E到出口段消能能力較低;當(dāng)從導(dǎo)流孔A到E時(shí),6種不同結(jié)構(gòu)3種不同入口流速工況下壓力下降非?？?說明消能能力強(qiáng),是主要的消能結(jié)構(gòu)。但下降情況稍有不同,P-W和P-Y兩組壓降基本保持成一條斜線,Z-W和Z-Y兩組壓降幅度由剛開始相對較大再到后面相對較小,呈現(xiàn)凹陷形狀,J-W和J-Y兩組壓降幅度則相反,由剛開始相對較小再到后面相對較大,呈現(xiàn)凸出形狀,這是因?yàn)閷?dǎo)流孔徑局限了過流面積,從而影響導(dǎo)流孔內(nèi)平均流速,導(dǎo)流孔徑越小,導(dǎo)流孔內(nèi)平均流速越大,故加大了局部水頭損失,加快了壓力能轉(zhuǎn)換為水動(dòng)能的效率。

圖5 6組結(jié)構(gòu)3種入口流速下7個(gè)監(jiān)測面壓力變化曲線Fig.5 Pressure change curves of seven monitoring surfaces at three inlet velocity of six groups of structures

消能裝置的消能率ηk取決于消能裝置上下游相對壓力差,即消能裝置入口與出口的壓力差與入口壓力的比值[6],即

ηk=(p1-p2)/p1×100%

(1)

式中p1——入口壓力p2——出口壓力

如圖6a所示,結(jié)合式(1)可以得出不同入口流速、不同結(jié)構(gòu)下的消能率。P-Y、P-W在相同入口流速下相較于其它對照組的消能率最高,則表明導(dǎo)流孔徑比例保持不變時(shí),消能效果更好。如圖6b(圖中J-W12表示導(dǎo)流孔直徑d1=12 mm,J-W14表示導(dǎo)流孔直徑d2=14 mm,以此類推)所示,隨著入口流速的增大,即流量的增大,消能率也會(huì)增高,同時(shí)導(dǎo)流孔直徑在d1=12 mm的消能率高于d2=14 mm的消能率。也就是說局部水頭損失主要集中在導(dǎo)流孔,導(dǎo)流孔徑與入口流速?zèng)Q定了導(dǎo)流孔處平均流速,不同導(dǎo)流孔徑與入口流速會(huì)產(chǎn)生不同的平均流速,使得消能率也會(huì)發(fā)生規(guī)律性變化。綜上,在實(shí)際使用滿足不同消能工況時(shí),控制導(dǎo)流孔內(nèi)平均流速,是能否達(dá)到消能需求的關(guān)鍵影響因素。

圖6 不同入口流速下消能率對比Fig.6 Comparison diagrams of energy dissipation rate at different inlet velocities

3.2 流速分布

圖7為入口速度為2.0 m/s時(shí)3組結(jié)構(gòu)的流速云圖,可以直觀地發(fā)現(xiàn)不同速度場的情況以及最高流速場產(chǎn)生的次數(shù)。

圖7 入口速度為2.0 m/s時(shí)3組結(jié)構(gòu)的流速云圖Fig.7 Velocity nephograms of three groups of structures when inlet velocity was 2.0 m/s

由圖7可以看出,由于消能腔內(nèi)部導(dǎo)流孔的存在使流域中出現(xiàn)過流面積的突縮與突擴(kuò),導(dǎo)致導(dǎo)流孔處出現(xiàn)高流速域,并且在每個(gè)腔體內(nèi)部都出現(xiàn)不同大小的渦流區(qū),在渦流區(qū)中心水體的流速趨于0 m/s,表4為入口速度為1.0、2.0、3.0 m/s時(shí)6組結(jié)構(gòu)流場的最高流速。與圖7對比發(fā)現(xiàn)每個(gè)消能裝置局部最高流速都出現(xiàn)在過流截面積最小的導(dǎo)流孔處,表4中無導(dǎo)流片局部最高流速均比有導(dǎo)流片局部最高流速高,是因?yàn)閷?dǎo)流片安裝在導(dǎo)流孔的出口側(cè),會(huì)增大水流穿過導(dǎo)流孔的阻力,但是這種阻力會(huì)持續(xù)存在,使得導(dǎo)流孔內(nèi)最高流速會(huì)偏小于無導(dǎo)流片狀態(tài),但影響范圍較小,最高流速也較為接近。結(jié)合伯努利公式可知流體的動(dòng)能、勢能和壓力能是一個(gè)恒量,三者可以相互轉(zhuǎn)換[20]可以闡述這一現(xiàn)象,忽略沿程水頭損失,流速越大,壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能越明顯,局部水頭損失越大,進(jìn)一步說明導(dǎo)流孔徑比例保持不變,更有利于消能。

表4 入口速度為1.0、2.0、3.0 m/s時(shí)6組結(jié)構(gòu)中最高流速Tab.4 Obtained highest velocity in six structures when inlet velocity was 1.0 m/s, 2.0 m/s and 3.0 m/s

水流遇到消能板阻擋,流動(dòng)方向發(fā)生改變,經(jīng)過導(dǎo)流孔因過流面直徑變小,導(dǎo)致局部水頭損失增大,從導(dǎo)流孔穿過直接撞擊消能板,消能板彎曲設(shè)計(jì)配合導(dǎo)流片將有助于在消能空腔中形成水漩渦,使得流體水動(dòng)能減小,水流自身在導(dǎo)流孔進(jìn)水位置再次相互碰撞,發(fā)生強(qiáng)烈剪切作用并在消能空腔內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈紊動(dòng),從而對水流進(jìn)行有效消能。其中局部水頭損失主要在于腔內(nèi)過流面積的突擴(kuò)突縮以及導(dǎo)流孔出水口傾斜角度的影響。采用水力學(xué)相關(guān)公式用近似法計(jì)算,入口突縮阻力系數(shù)為0.75、出口突擴(kuò)阻力系數(shù)為0.4、導(dǎo)流孔傾斜阻力系數(shù)為0.85。在入口速度為1.0 m/s時(shí),導(dǎo)流孔內(nèi)平均流速為4.55 m/s,結(jié)合公式局部水頭損失為

(2)

式中H0——局部水頭損失,m

v——管道內(nèi)平均流速,m/s

ζ——阻力系數(shù)

g——重力加速度,m/s2

由式(2)計(jì)算可得局部水頭損失H0=10.63 m,總水頭損失H=11.585 m,因此,局部水頭損失占總水頭損失的96.3%。由于通過Fluent運(yùn)算的流量普遍偏大[21],水頭損失也會(huì)變大。所以當(dāng)計(jì)算總水頭損失時(shí),可以忽略沿程水頭損失[22]。

3.3 渦量場分布

分別選取兩種導(dǎo)流孔徑比例和3種入口流速各選型進(jìn)行分析,圖8為入口流速為1.0、2.0、3.0 m/s時(shí)2組結(jié)構(gòu)渦量分布云圖,渦量一般用來描述渦旋的強(qiáng)度和方向[23],從圖8可以發(fā)現(xiàn),隨著入口流量的增大,渦量強(qiáng)度和分布區(qū)域也在增大,渦量強(qiáng)度最大值平均遞增率約89%,且相同入口流速條件下,導(dǎo)流孔徑遞增相較于不變時(shí)的渦量分布區(qū)域反而會(huì)逐漸減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象說明渦量強(qiáng)度和分布區(qū)域越大,消能效果越好,由于渦旋的存在會(huì)加大水流的對沖效果,從而增加水流在消能裝置內(nèi)能量損耗,漩渦的形成有利于消能。

圖8 入口流速為1.0、2.0、3.0 m/s時(shí)2組結(jié)構(gòu)渦量分布云圖Fig.8 Vortex distribution nephograms of two groups at inlet velocities of 1.0 m/s, 2.0 m/s and 3.0 m/s

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

一一對應(yīng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的入口壓力,擬合得到消能裝置的流速-壓力曲線(圖9)。不同流速狀態(tài)下,試驗(yàn)測試和數(shù)值模擬中入口壓力誤差和擬合趨勢基本保持一致,說明數(shù)值模擬結(jié)果可靠。數(shù)值模擬計(jì)算值與實(shí)際試驗(yàn)測量值的相對誤差分別為8.01%、7.30%、7.25%、7.50%、7.20%、7.20%,即多數(shù)誤差在8%以內(nèi),造成誤差主要原因是實(shí)際試驗(yàn)中壓力表與消能裝置監(jiān)測位置達(dá)不到數(shù)值模擬中理想監(jiān)測位置,以及讀取電磁流量計(jì)和壓力表數(shù)值需要進(jìn)行估讀,均導(dǎo)致出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。此誤差可以滿足定性和定量的預(yù)測要求,可以采用數(shù)值模擬的方法對消能裝置性能分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

圖9 清水狀態(tài)下的流速-入口壓力曲線Fig.9 Velocity-inlet pressure curves in clear water

5 討論

5.1 導(dǎo)流片作用

靳春蕾等[24]在對轉(zhuǎn)葉式螺旋流消能裝置試驗(yàn)探究中,認(rèn)為水流流量越大,消能率越高。這與圖6b中不同結(jié)構(gòu)下消能率結(jié)論相同。段瑤[6]研究齒墩式消能結(jié)構(gòu)的消能特性,認(rèn)為齒墩面積收縮比會(huì)影響消能效果和過流量,面積收縮比越小,管內(nèi)消能效果更好。類似對比圖6a中不同結(jié)構(gòu)下消能率發(fā)現(xiàn),P-W和P-Y消能效率更高。綜上,消能率與入口流速和導(dǎo)流孔徑均存在關(guān)系,而邢少博等[25]在對灌水器的研究中發(fā)現(xiàn)穿孔形流道產(chǎn)生的渦流會(huì)對內(nèi)部產(chǎn)生不同流速、層流之間的摩擦,從而有效消能。圖8也說明了漩渦會(huì)對消能效果帶來有利影響。用Fluent使用相同的運(yùn)算方法,對入口流速設(shè)置4.0、5.0 m/s工況進(jìn)行對比,結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同入口流速下的消能率Fig.10 Energy dissipation rate at different inlet velocities

如圖10所示,入口流速小于4.0 m/s時(shí),P-W消能率一直大于P-Y,但兩組消能率差距在持續(xù)縮小,4.0 m/s時(shí)基本持平,在5.0 m/s時(shí)出現(xiàn)反超,P-Y消能率超過P-W。導(dǎo)流孔處由漩渦帶來的水流對沖,對消能效果的影響程度逐漸增大,說明導(dǎo)流片會(huì)有助于加大導(dǎo)流孔處水流對沖效果,使消能效果更好。

5.2 消能路徑作用

圖11表明,入口流速2.0 m/s,在監(jiān)測面C與D之間,J-W12水流被強(qiáng)制約束至導(dǎo)流孔垂直方向,沖擊至消能板上,一部分水流向消能空腔內(nèi)部渦旋,很少部分水流沖向下一個(gè)導(dǎo)流孔方向,而J-W14與J-W12兩者變化則截然不同。延耀興等[11]研究階梯螺旋孔口式孔板消能降壓裝置得知,維持旋轉(zhuǎn)水流,需消耗水流自身能量,而其旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度越大,消耗能量越多。宋馳[13]在研究外圓筒式水力消能裝置時(shí)提出,螺旋流強(qiáng)度越大,消能效果更優(yōu)。這均說明消能裝置內(nèi)部消能板結(jié)構(gòu)增大水流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和消耗路徑會(huì)有助于消能。直徑d1=12 mm時(shí)消能率都高于d2=14 mm,不僅由于導(dǎo)流孔徑的區(qū)別,而且存在水流在裝置內(nèi)部無法造成有強(qiáng)度的漩渦,而在導(dǎo)流孔間直接穿過,能量消耗減弱。

圖11 不同直徑時(shí)流速分布云圖Fig.11 Cloudcharts of contrast velocity distribution of different diameters

試驗(yàn)研究表明,隨著入口流速的增大,消能率也越高,消能率與導(dǎo)流孔徑之間存在負(fù)相關(guān),消能率隨著導(dǎo)流孔徑的增大反而在減小,仵峰等[26]、劉煥[27]利用這種突縮突擴(kuò)的消能手段,進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種新型復(fù)合型漸縮-突擴(kuò)流道灌水器,相比于傳統(tǒng)灌水器流態(tài)指數(shù)有一定提升。忽略導(dǎo)流片的影響,選取不同導(dǎo)流孔徑d1=12 mm、d2=14 mm,通過對照試驗(yàn)前者消能率優(yōu)于后者,據(jù)此說明結(jié)論與驗(yàn)證結(jié)果一致。為此可以在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下,合理選擇不同導(dǎo)流孔直徑來滿足不同消能程度需求。本試驗(yàn)中在不同入口流速下消能率對比(圖6a)發(fā)現(xiàn),導(dǎo)流孔徑比例保持不變的情況下,消能率均超過成比例保持遞增和保持遞減兩種情況,根據(jù)入口流速和導(dǎo)流孔徑均會(huì)對消能效果產(chǎn)生影響,可引出導(dǎo)流孔處平均流速與水頭損失關(guān)系的分析。消能墩[28-29]的應(yīng)用原理類似,為了減小下游的沖擊,增加下游區(qū)的安全性,通過利用消能墩改變水流過流面積使得流速發(fā)生變化,從而損耗水流能量。試驗(yàn)中觀察流線(圖2),發(fā)現(xiàn)消能空腔內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的水漩渦,并進(jìn)行渦量仿真試驗(yàn),通過對渦量云圖(圖8)的對比發(fā)現(xiàn),渦量強(qiáng)度和分布面積越大,消能效果越好,說明漩渦會(huì)對消能產(chǎn)生積極的影響,漩渦的存在加大水流沖撞和摩擦。這與王新端等[30]提出的雙流道消能,正、反流道形成的兩股水流形成對沖,可以有效消能原理類似。并且,郭霖等[31-32]通過將水域分成突縮區(qū)和突擴(kuò)區(qū),水流方向分為正向水流和反向水流清楚地解釋對沖、混摻消能的機(jī)理。以及張宗孝等[33]、張晉鋒等[34]認(rèn)為消能井在利用水流從豎井跌入消能井中上、下翻滾,相互沖撞消能,并且均對消能井內(nèi)部工況以及適用范圍都進(jìn)行系統(tǒng)的探討和研究,即水流沖撞和摩擦對消能有著顯著的影響。漩渦帶來的水流沖撞消能除入口流速影響之外,導(dǎo)流片的輔助作用更為重要,通過對導(dǎo)流片作用分析,入口流速小于4.0 m/s時(shí),選擇不安裝導(dǎo)流片,達(dá)到4.0 m/s時(shí),有無導(dǎo)流片消能率基本持平,大于5.0 m/s后,選用安裝導(dǎo)流片消能效果更好。實(shí)際使用中建議:①根據(jù)實(shí)際入口流速,確定選擇是否安裝導(dǎo)流片。②由于從入口進(jìn)入的第1個(gè)空腔內(nèi)部壓力最大,可以在外殼體安裝泄壓閥,防止由于壓力過大對消能裝置內(nèi)部產(chǎn)生損壞,延長使用壽命。

綜上,本文從探討有無導(dǎo)流片以及不同導(dǎo)流孔徑比例布置方式出發(fā),通過壓力分布、流速分布、渦量分布進(jìn)行探討選擇出最優(yōu)結(jié)構(gòu),分析消能裝置消能率的變化規(guī)律。后續(xù)還會(huì)探討內(nèi)部渦流對消能板和裝置內(nèi)部表面磨損的優(yōu)化[35],控制不同消能板的間距以及消能板的數(shù)量,通過測試探討不同導(dǎo)流孔徑與出入口直徑的比例對消能率和出口壓力的影響規(guī)律,來滿足不同工況的環(huán)境要求并進(jìn)行產(chǎn)品化歸類,還將探討消能裝置放置角度的影響,以及不同泥沙粒徑和濃度對消能效果的影響等。

6 結(jié)論

(1)從消能率來看,入口流速和導(dǎo)流孔徑為主導(dǎo)因素。在保證過流能力前提下,隨著入口流速的增大,即流量的增大,導(dǎo)流式消能裝置消能率也會(huì)增大,消能率與導(dǎo)流孔徑成負(fù)相關(guān),消能率隨著導(dǎo)流孔徑的增大而減小。當(dāng)基礎(chǔ)孔徑相同時(shí),為同時(shí)滿足過流能力確保消能達(dá)到較高效果,建議選擇導(dǎo)流孔徑比例保持不變布置方式。

(2)對水頭損失而言,入口流速為1.0 m/s時(shí),局部水頭損失占總水頭損失的96.3%,所以當(dāng)計(jì)算總水頭損失時(shí),可以忽略沿程水頭損失。

(3)當(dāng)入口流速小于4.0 m/s時(shí),選擇不安裝導(dǎo)流片,達(dá)到4.0 m/s時(shí),有無導(dǎo)流片消能率基本持平,大于5.0 m/s后,選用安裝導(dǎo)流片消能效果更優(yōu)。這表明隨著入口流速的增大,安裝導(dǎo)流片有助于加大漩渦水流沖撞和摩擦,減小消能路徑的影響,使得消能效果更為明顯。