管道含气流动机理分析及虹吸负压流体输送试验研究

发布时间：2020-10-19 19:05

　　 虹吸负压输送是流体输送的一种有效方式,与无压明渠输送、有压管道输送相比,虹吸负压输送虽已有较多成功改造应用案例,但因缺乏理论支撑,不被规划设计院采纳,限制了该技术的推广应用,因而迫切需要展开深入的理论分析和试验研究,给出科学合理的解释。在有压管道输送中,管壁粗糙度对水力摩擦系数的影响十分关键,然而对于虹吸负压输送,因管道内的负压真空,管道若出现进气、窝气和空化等气相问题将严重影响输送效果。由虹吸负压输送所揭示的管道输送能力受进气、窝气问题的影响,对于有压管道(进口浅、起伏布置)同样普遍存在。对于虹吸负压输水,真空是保证产生虹吸的关键条件。如何防止进气破坏真空?是应用和推广大型虹吸所必须掌握的理论和关键技术。20世纪90年代,泉州大禹真空流设备有限公司翁友彬发明了虹吸整流器,实现了虹吸负压输水技术在输送管道直径和管道长度方面的突破。但流体管道虹吸负压输送的机理尚未明晰,因此,本文围绕―翁氏虹吸‖输送理论及关键技术,采用理论分析和试验研究的方法,对管道进气、管道窝气产生阻力等气相问题,以及不同进流方式下管道的水力摩擦系数等进行了系统研究,主要研究成果和创新点如下:1.通过对管道中气-液两相流动和管道进气、排气展开文献研究,提出管道内气体进气与排气的平衡控制理论,并以此基础,作者首次对―翁氏虹吸‖在工程中解决管道内的气相问题进行了系统地机理分析和论述,研究发现管道进水口采用多孔整流器显著降低了所需的临界淹没深度,有效消除了进口处的吸气旋涡,从而避免了管道入口进气。2.通过分析管道内易出现窝气的位置,基于现有的满管流理论,首次提出了考虑工程管道出现气体窝积情况下的阻力公式,并就窝气情况下管道系统的阻力系数变化规律展开了理论分析,并搭建了虹吸试验台和一套全透明的复杂起伏管路对管道不同进流方式、管道带气和不带气情况进行了试验研究。初步对比试验分析发现采用虹吸负压进流可获得更低的管道摩擦系数。初步试验揭示了管道内气体窝积会造成管路阻力增加的机理,观测了管道局部窝气后的流动过程、气泡变化状态和水跃流动等流动现象。3.针对负压对管道摩擦系数的影响规律,搭建了一套测试管路展开了深入的测试研究,得到了负压情况下水力光滑管道的水力摩擦系数(雷诺数R_e≤6*10~5),与Nikuradse的试验数据存在明显差别,首次试验测得高雷诺数(对应高佛汝德数)下虹吸负压管道的摩擦系数比常规情况下低25%-30%。而且对摩擦系数随雷诺数变化的趋势分析发现:与常规正压流动相比,虹吸负压流动情况下层流与紊流过渡具有鲜明不同的特点,表现为低雷诺数下(对应低佛汝德数)水体中溶解性气体的析出对流动带来的重要影响。4.空化是造成输水管道内气泡存在的重要方式之一,本文对虹吸管道中的空化现象进行了深入调查、分析、试验和总结,对虹吸中的溶解性气体析出和空化,首次采用不同管径和试验装置进行了高扬程的虹吸试验研究,详细观测和分析了虹吸弧顶所发生的空化气泡特性及其发展变化规律,发现微小空化泡合并形成的大气泡是造成虹吸破坏和管路断流的根本原因,因此提出在弧顶设计和安装稳流器将有助于保证高扬程虹吸的稳定性。通过空化试验发现,常规自然虹吸高度不能超过一个大气压约10米水柱,其根本原因是天然水体本身含有大量气核。通过改进虹吸管道的设计虽然能够在一定程度上提升虹吸高度,但不能从根本上突破一个大气压的限制。若改用其它不含气的液体介质(即具有较高的抗拉强度),虹吸输送则可以突破一个大气压,从而充分发挥虹吸负压输送和重力流的优势。5.对―翁氏虹吸‖输水工程进行了典型案例研究。通过黄石垅水库垮坝引水工程改造和平顶山输水工程改造前后的详细数据对比分析,展示了―翁氏虹吸‖在工程应用中快速有效调水的突出效果,通过现场实测数据的深入分析,发现工程中负压情况下大型管道的摩擦系数和大型整流器的阻力系数均处于较低的水平。论文还深入分析了一个抽水蓄能电站厂房共振的特殊案例:对其现场测试典型部位的压力脉动数据进行了深入分析,对其内部发生的水力共振问题进行了讨论和评估,指出包含相位共振在内的动静干涉以及与大负荷尾水管涡带的耦合共振是导致张河湾厂房出现强烈振动以及噪声大的主要原因,并针对该案例提出了故障诊断和改造可采取的措施和建议。2013年至2018年,该案例已由国家电网和GE水电成功地进行了故障诊断和改造,也验证了作者的理论分析和改进建议。对比改造前后转轮的设计发现:改造后的转轮设计通过增加与导叶之间的间隙等,显著降低了无叶区的压力脉动,有效消除了先前的振动和噪声。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U173.91
【部分图文】：

图 1-1 河南平顶山石龙区供水工程管道运行工况变化Fig. 1-1 Change of the pipe operating points of the water supply project for Shilong district inPingdingshan city of Henan province根据经典的管道阻力损失理论，即管道的阻力损失 Δh 由沿程阻力损失 局部水力损失 Δhm组成：2f m 0Δh = Δh + Δh = S Q L (1任何一个复杂的管道系统，可定义阻力系数0K = S L ，表征管道系统的阻性。可知在Δh不变的情况下，流量Q若要增加25%，阻力系数K须降低56.25要指出的是：反推出来的工程实际流体管道内阻力系数，是考虑了存在气体等复杂情况下的阻力系数，而非设计或研究机构提出的纯满管流管道阻力系见二者存在较大差别。于景洋等[2]研究也认为，目前对大口径预应力钢筒混管(PCCP 管)的沿程水头损失计算推荐的粗糙系数值偏大，但缺少科学试验。

Δh = Δh + Δh = KQ = SQ L2 2f m 1 1 1 12 2f m 2 2 2 2Δh = Δh + Δh = K Q =S Q L ：2 1K = 1.5625K 2 1S = 1.5625S 司已有数百计的成功应用案例，均能够证明复杂管道系统经过长时输送流量下降 25%左右。而通过采用虹吸负压输送装置，可有效地道内的气相问题，使得流量 Q 又恢复到管道初始运行的水平（流量使管道系统从运行工况 OP 2#自动恢复到运行工况 OP 1#。那么，工程应用经验提出了对于存在进气、窝气风险的实际管道运行，尤，管道中存在窝气阻力，由于窝气造成的阻力系数增加约 60%左右

管道内气相问题会造成系统运的安全运行风险，从水力机械及系统安内气相问题，并提出有效的技术方案进道输送能力下降、阻力增加等问题的根和空化流动等复杂的气液两相流动现象满管单相流动管道设计理论？这些科究。点。由于一般工程管道系统都很复杂且理尚未完全掌握。本课题组受企业的委述采用虹吸技术进行改造所取得突出效η~Q
【参考文献】

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本文编号：2847602