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管道水力学效仿实验探索

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作者:李娟韩明轩牧振伟张阳张庚单位:新疆农业大学水利与土木工程学院

模型设计

倒虹吸水力学试验中为了便于观察流态,进出口采用有机玻璃板制作,管身段采用有机玻璃管制作。由试验测定:管道沿程阻力系数λ和粗糙系数n随着流量的减小而减小,取值偏大时对倒虹吸过流能力验证更有利。选取设计流量Q=18m3/s时,模型管道沿程水头损失系数λ=0.01756。依据重力相似准则长度比尺为16,管道直径为20cm。

其他相应比尺见表1。照此比尺,模型总长度约有137m。而现有试验场地条件不能满足要求,因此采用缩短管长的模型设计方法,将整体模型进行了缩短处理。形体阻力虽有类似的经验公式计算,但远不足作为设计的依据,目前仍依靠水力学模型试验来确定其局部水头损失系数。

等效损失替代法[7],即用阻力环来保证局部水头损失等效缩短段的总水头损失。由试验测得的流量Q=18m3/s时,单个阻力环的局部阻力系数ζ=0.47。选用16个直径为17cm的阻力环,22m的模型管道(不包括进出口段)等效代替管长1935m与实际管长1928m基本相符。缩短后的模型总长度约32m。为确保流态相似要在阻力阀的前后留足够的过渡段。整体模型包括以下3部分:进口模拟段(桩号2+100~2+202),等效损失替代段(桩号2+202~4+100),出口模拟段(桩号4+100~4+200)。

试验成果与分析

1管道水头损失

水头损失是设计人员关心的主要问题之一,沿程水头损失根据渠道的糙率计算,局部水头损失则与流态、边界条件、流速等密切相关。在长倒虹吸模型试验中,沿程水头损失占总水头损失的绝大部分,只有在设计初选糙率与原型管道糙率完全一致时,试验结果才有意义。而糙率是反映边界各种影响因素的一个综合性系数,其值不易准确确定,工程上一般是根据边壁的状况,边界的整齐程度,参照多年来的经验来确定,而且糙率也随着工程运行的时间有所变化。因此,可以结合原型观测,为设计初选n值提供可靠的依据。考虑到安全问题,试验依据的糙率值采用三个泉倒虹吸原型实测值[8](n=0.0135)与设计计算分两种不同糙率值进行比较。由表2可知,PCCP管试验值与糙率为0.0135时设计计算值较接近,且低于设计允许水头3.5m,能较好满足设计要求。

2水位流量关系

下游明渠水深由渠道处尾门控制,流量控制通过三角堰进行测量。不同水位差所对应的流量见图1,通过流量调至设计流量Q=18m3/s:PCCP管倒虹吸上游进口水位(645.007m)低于设计水位(645.955m),试验值比设计水位低0.948m,当上游进口为设计水位时,管道过流量为Q=19.21m3/s,即试验实测管道的过流能力大于设计值。

3最大压力

对于PCCP管道能承受高的内压和外荷载:我国产品的标准工作压力为0.4~2.0MPa[9]。管道承受压力设计值为0.6MPa,试验量测倒虹吸在不同流量下沿程管道的压力分布。表3为试验测得不同流量下管道最大压力值。在设计流量Q=18m3/s情况下,管道最大压力都小于0.5MPa,最大压力位置位于倒虹吸管最低段末端。因此,管道承受压力设计满足要求。

4管道进出口流态

倒虹吸主要分为3个运行工况:初期充水流量在0.5m3/s以内,正常运行控制流量在0.5~18m3/s以内,放空排砂流量控制在0~0.5m3/s。通过试验观测,当流量从0.5m3/s增加至12m3/s时,水面稍有波动,进口水面基本平稳;流量由13m3/s增至15m3/s时,进口处水面波动剧烈并有间歇性立轴漩涡形成;当流量大于16m3/s时,立轴漩涡消失,进口水面波动减弱,逐渐恢复到较平稳的状态。倒虹吸管道出口流态不受流量大小的影响,水面基本没有波动。原因分析:由试验现象可以看出,上游沉沙池与消力池之间的渠段在过流时形成宽顶堰流。当流量在Q=0.5~12m3/s之间,堰下游为自由出流,消力池中无水跃形成。随着流量的增加,消力池与前池中水深增加,当流量Q=13~15m3/s时,消力池中首先形成波状水跃,并且水跃的位置随着流量的增加逐渐向上游移动,直至整个宽顶堰形成淹没出流。即在流量Q=13~15m3/s过程中,上游渠道与前池之间形成波状水跃→临界水跃→淹没水跃→淹没出流的过渡流。由于过渡流水流流态极不稳定,从而导致管道进口水面剧烈波动的现象。前池流态对倒虹吸的正常运行有着重要影响。

建议对进口段进行优化,进水口旋涡可通过合理设计、改善进口水流边界条件、修建专门的建筑物或安装专门的结构物予以消除;对于已建成的进水口,也可以通过合理的运行方式进行调整。工程上常用以下方法来减小和消除漩涡[10-11]:①加大淹没深度或降低流速,降低流速可采用在进口前设置隔栏或者排筏;②对于河道倒虹吸可加长引水渠道的长度或加高进口两侧翼墙阻断横向水流以减小进水口周围环量,但会增加工程量;③分流墩应呈流线性,使边界层分离点向后移;④胸墙圆弧化或向上游倾斜,可起到挤压漩涡区的作用,引导水流平顺下泄,达到消减漩涡的功效。建议本工程选用降低流速的方法更为经济合理。

结论

①通过水力学模型试验,得到倒虹吸的流量水位关系、水头损失、最大压力以及水流流态,满足设计要求。

②进口当流量Q=0.5~12m3/s时,随着流量的增加,水面稍有波动,但管道进口水面基本平稳。发现流量在13~15m3/s时有水跃产生使管道进水口面剧烈波动,建议对上游沉沙池与消力池之间渠道进行优化,使流态平稳。

③工程建成运行后,建议加强对倒虹吸进出口水位、管道沿程压力等参数进行原型观测,确保工程安全有效运行。为了避免进水口出现漩涡,倒虹吸管道应尽量在高水位情况下运行,在进口前设置隔栏或者漂浮式的排筏等,减小进口处的水流流速,降低水流的紊动动能,有效的减少漩涡产生,更好的保护建筑物的安全。

管道水力学效仿实验探索责任编辑:陈老师    阅读:人次