CN107121386B - 一种均压混合式管道水力摩阻系数高效检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种均压混合式管道水力摩阻系数高效检测系统和方法，包括：供水水箱、多节水管构成的被检测管道、调节阀门、出口消能池、量水堰，各节水管分别设置两个调平支架；在被测管道的进口附近和出口附近分别设置测量断面，测量断面的管道周向均布至少两个测压管，一个测量断面的各个所述测压管与一个均压排气器连接。本发明采用调平支架，能够快速的调平各段水管，采用均压排气器，被测断面上均布的多根测压管，测压管将被测断面各个位置上出现的气泡快速的排出，测量断面上的各个测量管所受到的压力都反应到均压排气器中，在均压排气器中这些反应的压力自然的均衡在一起，形成一个压力值，大大减少了记录和计算的繁复工作，提高了测量精度。

Description

一种均压混合式管道水力摩阻系数高效检测系统和方法

技术领域

本发明涉及一种均压混合式管道水力摩阻系数高效检测系统和方法，是一种水工检测实验系统和方法。

背景技术

管道水力摩阻系数是管道输水工程设计的重要技术参数之一，其取值的结果直接影响工程的输水能力、运行费用、工程规模和投资等，影响很大。对于长距离的输水管道来说，水力摩阻系数每增加0.001可能会导致每年增加数百至上千万的运行费用，因此实验室针对不同材质的管道开展水力摩阻系数检测工作，提供准确可靠的管道水力摩阻数据成为工程建设的一个核心要素。

为使准确测量管道的摩阻系数，提高检测精度，水力摩阻检测需要多节管道连接在一起，而且必须要各段管道调整为完全水平，以避免其他因素的影响，这就意味着，必须将各段管道安装在同一水平线上。如果检测管道未能调节至水平，使得重力作用未能计入公式，导致水力摩阻系数测量不准确。传统的实验室管道调平的方式通常采用垫块，即用垫块将各段管道垫起一定高度，再不断调整垫块的厚度，使各段管道在一条水平线上。这种方式通常要耗费大量时间，消耗了科研人员的大量精力，以及实验财力。

传统的实验系统还存在两个十分难于解决的问题，影响水力摩阻系数的检测精度。第一个问题是，在检测过程中上下游测量断面中测点的位置不在同一高程，以及测量过程中的压力波动较大，从而造成误差或错误。测点的偏差在实验室实际施工中很难避免，主要由打孔位置的偏差造成，而压力的波动也是水体流动中不可避免的现象，实际的水体流动不可能完全达到完全理想状态下无压力波动的均匀流状态，而且上述情况下的错误往往是随机性的，即使通过多组次试验也很难完全克服，不仅浪费有限的实验经费，也造成水力摩阻系数测量不准确。

第二个问题是，开始检测时，管道充水过程中部分气泡滞留在测压管中，由于气泡的可压缩特性，造成压力测量的不准确，从而导致水力摩阻系数检测的误差。传统的方式是，在检测开始前，使用大量的水冲击管道，尽量将留存在管道中的气泡带出管道，但有些气泡很难用这种方式排出，只能在气泡降低到一定程度后开始试验，这在一定程度上降低了检测精度。另外，试验水槽通常采取水泵循环的方式，使水流在管道中流动，以检测管道的水力摩阻系数，使用水流冲击气泡，意味着消耗大量的电能，从环保节能和财力的消耗看，这种排气泡的方式都是不可取的。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种均压混合式管道水力摩阻系数高效检测系统和方法。所述的系统和方法通过设置调平支架、单截面多点取样和均压混合和排气装置，解决了管道调平、测压取样不准确和排气问题。

本发明的目的是这样实现的：一种均压混合式管道水力摩阻系数高效检测系统，包括依次连接的：供水水箱、多节水管构成的被检测管道、调节阀门、出口消能池、量水堰，所述的各节水管分别设置两个调平支架；在被测管道的进口附近和出口附近分别设置测量断面，所述的测量断面的管道周向均布至少两个测压管，一个测量断面的各个所述测压管与一个均压排气器连接，所述的均压排气器与排气阀和测压排连接。

进一步的，所述的调平支架包括：支撑底板，所述的支撑底板上竖直设置螺杆，所述的螺杆上设有调整被检测管道竖直位移的调平螺母，所述的调平螺母支撑套筒，所述的套筒与U形支撑槽固定连，所述的U形支撑槽的两个竖直臂上分别设置调节被测量管道水平位移的固定螺栓。

进一步的，所述的均压排气器下半部分为正多边形柱体或圆柱体，在同一水平面周向均布连接测压管的进气孔；上半部分为正多边形棱台或圆台，顶端设置连接排气阀和测压排的出气孔。

进一步的，所述的测量断面设四个测压管，所述的四个测压管成十字形排列，分别设置在测量断面的上下左右。

进一步的，所述的均压排气器下半部分是水平截面为正方形的四棱柱，所述的进气孔设置在各棱面中心位置；上半部分为四棱锥。

一种使用上述测量系统进行均压混合式管道水力摩阻系数高效检测方法，所述方法包括的步骤如下：

连接系统的步骤：将各段水管连接为被检测管道，并将被检测管道与供水水箱和出口消能池连接，每根水管使用两个调平支架支撑；

调平的步骤：借助水平仪，利用各个调平支架的调平螺母的上升或下降，带动套筒以及U形支撑槽和U形支撑槽所支撑的水管上升或下降，将各段水管调整到一个水平面上，同时调整U形支撑槽的两个竖直壁上的固定螺栓，带动U形支撑槽中的水管左右移动，使各段水管在一条水平直线上；

连接均压排气器的步骤：在被测量管道接近供水水箱的位置和接近出口消能池的位置分别设置一个测量断面，在测量断面的上下左右四个方向打孔并连接气管，将四根气管与均压排气器的下半部分的四个进气口连接，在均压排气器的出气孔连接排气阀和测压排；

注水排气的步骤：开启排气阀，启动水循环，使水逐渐充满被测量管道，在水充满被测管道的过程中，空气通过排气阀排出被测管道，当管道中的空气被排出后，关闭排气阀；

测量和计算的步骤：控制并计量不同的流量Q，多次记录接近出口消能池位置的测量断面的压力为P₁，接近出口消能池位置的测量断面的压力为P₂，根据记录分别计算P₁、P₂的平均值；

计算水力摩阻系数的步骤：利用公式计算水力坡降J：

其中：L为被测量管道长度；

计算水力摩阻系数n：

A为过水面积，即：测量断面的面积；R为水力半径，面积与湿周的比值；C为谢才系数。

本发明产生的有益效果是：本发明采用调平支架，能够快速、准确的调平各段水管，提高测量的精度和效率。同时采用均压排气器，由于均压排气器连接了被测断面上均布的多根测压管，在被测管道注水阶段，这些测压管能够将被测断面各个位置上出现的气泡快速的排出，在测量阶段，一个测量断面上的各个测量管所受到的压力都反应到均压排气器中，在均压排气器中这些反应的压力自然的均衡在一起，形成一个压力值，大大减少了测量时的压力波动情况，以及记录和计算的繁复工作，提高了测量精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述系统的结构立面示意图；

图2是本发明的实施例二所述调平支架的结构示意图，是图1中A-A的剖面图；

图3是本发明的实施例四所述测量断面的示意图，是图1中B-B的剖面图；

图4是本发明的实施例五所述均压排气器的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种均压混合式管道水力摩阻系数高效检测系统，如图1所示。本实施例包括依次连接的：供水水箱1、多节水管构成的被检测管道2、流量调节阀3、出口消能池4、量水堰5，所述的各节水管分别设置两个调平支架6；在被测管道的进口附近和出口附近分别设置测量断面7，所述的测量断面的管道周向均布至少两个测压管8，一个测量断面的各个所述测压管与一个均压排气器9连接，所述的均压排气器与排气阀10和测压排11连接。

上游供水水箱用于向管道供水，通常使用水泵，抽取下游量水堰的排出水，作为补充循环使用。测压排用于检测由于水力摩阻造成的管道沿程的水头损失，有多个压力传感器构成，可以同时测量点压力信号，并将这些压力信号变为电信号。

出口消能池用于水体消能，保证量水堰前的水体能够平稳流动和量水堰流量测量的准确性。稳定出口水流，出口消能池中常设有导流墩12和稳水花墙13。因为管道集中在消能池中部出水（以DN300的管道为例，为了达到阻力平方区其流量一般要达到0.4-0.5m³/s，即每秒钟有400-500kg的水体下泄，能量很大），为了缩短消能池长度和更好地发挥稳水花墙的作用，在管道出口设置窄缝式导流墩。导流墩呈菱形，间距设置为0.08-0.1倍的管道直径，这样部分水流通过导流墩的缝隙流动，部分水流绕过导流墩向两侧扩散。再利用稳水花墙使水流形成旋转流动，进一步消散水体能量，使出流平顺，缩短消力池长度。

量水堰用于测量管道中的流量，为水力摩阻系数计算提供参数。调节阀门用于调节管道中的流量以开展不同的工况。在检测不同口径的管道时，上游供水水箱和下游出口不变，只需更换中部试验段的管道即可。

试验室管道水力摩阻系数检测中耗费大量时间和容易造成误差的问题主要有三个：1、检测管道未能调节至水平，使得重力作用未能计入公式，导致水力摩阻系数测量不准确；2、测量断面测量的压力不准确或者波动大，造成误差；3、检测时，管道充水过程中部分气泡滞留在测压管中，由于气泡的可压缩特性，造成压力测量的不准确，从而导致水力摩阻系数检测的误差。

由于管道的水力摩阻系数较小，因此最低需要30m左右的管道才能准确检测，而管道为6m一节，因此需要拼接安装。拼接过程中，为了避免坡度带来的影响，需要将每个管道安装在同一高程，为此实验室中需要花费大量的时间（一节DN300的管道一般在500kg以上）来进行调节和校准。为了解决调平问题，本实施例采用了快速调平支架。调平支架有多种形式，如可以采用类似螺旋千斤顶的方式，或其他类似的方式。调平过程可以采用激光水平仪对整体被测量管道的水平度进行调整。

测量断面在被测量管道的上下游各设立一个即可，测量断面理论上只需测量任意一个点的压力值即可，但是实际检测过程中不可能达到完全理想的状态，水体具有小幅的波动，因此测量的压力值围绕真实值的上下波动。当上游测量断面向低于真实值的方向波动而下游测量断面向高于真实值的方向波动时，会导致检测误差，因此为解决这个问题，本实施例在一个测量断面上沿管道周向均匀的分布多个测量孔，将一个断面上沿周向布置多个测量采样点，以提高检测精度。在测量孔上可以设置压力传感器，也可以设置测压管，将测量孔位置上的压力引出，通过均压排出器将各个测量孔中的压力平均一下，形成均压后在通过传感器输出电信号。

测量孔连接测压管还有一个作用，可以作为排气管使用。如果将测量孔安排在测量断面的最高处，能够收到排气的良好效果，因为无法排除的空气往往聚集在水管的顶部。

排气管的作用十分重要，可以减少水中的气泡，提高测量的精度。气泡由于可压缩性导致压力测量不准确。管道首次充水时水体排空管道中的空气，这一过程中大量气泡会滞留在被测量管中，不易排出（实验室排气耗时一般在2个小时以上），且不容易发现，极易导致检测误差。

均压排气器是一个下半部为柱体（可以是圆柱体，也可以是棱柱体），上半部分为棱台（也可以是圆台）形成缩口的空心壳体。下半部分用来聚集从各个测量孔传出的空气，上半部分将空气收缩聚集，或排出，或传输至测压排。均压排气器的作用十分重要，需要将一个检测端面上的多个检测孔所获取的压力均衡，形成一个压力，并利用空气的弹性，将水压产生的波动消除，形成稳定的压力值。

实施例二

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于调平支架的细化。本实施例所述的调平支架包括：支撑底板601，所述的支撑底板上竖直设置螺杆602，所述的螺杆上设有调整被检测管道竖直位移的调平螺母603，所述的调平螺母支撑套筒604，所述的套筒与U形支撑槽605固定连，所述的U形支撑槽的两个竖直臂上分别设置调节被测量管道水平位移的固定螺栓606，如图2所示。

快速调平支架上部采用U型设计，用于固定管道，底部焊接有矩形底板用于防止管道向左右倾覆。中部采用丝扣连接，顺时针或逆时针旋转丝扣实现快速而方便地管道高程调节。同时，U型支撑槽的左右设定固定螺栓，以适应不同管径的管道，防止试验过程中管道在U型槽内的左右摆动。

快速调平支架使用时可布置在每节管道的前后两个断面上，用于调节管道前后的高度，保证整个检测管道在同一高程上，同时使用两个固定螺栓对管道的左右位置进行调整。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于均匀排气器的细化。本实施例所述的均匀排气器下半部分为正多边形柱体或圆柱体，在同一水平面周向均布连接测压管的进气孔；上半部分为正多边形棱台或圆台，顶端设置连接排气阀和测压排的出气孔。

均匀排气器的外廓可以有多种形状，圆柱接圆台，或者棱柱接棱台，棱柱的棱数与连接的测压管一致，如：有四根测压管使用四棱柱，每个棱面连接一根测压管。圆台的小圆端面设置出气口。出气口上可以设置歧管，岐管分为两支，一支连接排气阀，一支连接测压排。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于测量断面的细化。本实施例所述的测量断面设四个测压管，所述的四个测压管成十字形排列，分别设置在测量断面的上下左右。

本实施例在同一测量断面上沿管子的周向，在垂直方向打1^＃、2^＃、3^＃、4^＃共4个测压孔，并连接四根测压管701、702、703、704，测压孔两两相差90^o，其中1^＃、3^＃测压孔水平设置，2^＃、4^＃压孔竖直设置，也就是说1^＃、3^＃测压孔处于测量断面的中间部位，2^＃测压孔处于测量断面的顶部，4^＃测压孔处于测量断面的底部，以获取测量断面的平均压力，如图3所示。其中，2^＃测压孔的位置十分重要，当管道注满水之后，主要的排气通道是2^＃测压孔。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于均压排气器的细化。本实施例所述的均压排气器下半部分是水平截面为正方形的四棱柱，所述的进气孔设置在各棱面中心位置；上半部分为四棱台，四楞台的小端面中心设置出气孔。

本实施例所述的均压排气器下部的水平截面采用正方形设计，四个棱面的中心设置四个进气口901、902、903、904，以方便4个压力测点的接入，上部采用斜角设计，形成棱台，棱台的小端面设置出气孔905、利用空气密度小的特点，来自1^#--4^#测压管的气泡进入均压排气器后，可以自动沿着上部斜坡聚集到出气孔，并通过5^#管路，进而方便地排出到大气中，或进入测压排，如图4所示。

实施例六：

本实施例是一种使用上述测量系统进行均压混合式管道水力摩阻系数高效检测方法，所述方法包括的步骤如下：

（一）连接系统的步骤：将各段水管连接为被检测管道，并将被检测管道与供水水箱和出口消能池连接，每根水管使用两个调平支架支撑。

测量系统的供水水箱、多节水管构成的被检测管道、调节阀门、出口消能池、量水堰都是已经安装完成的设备，主要是被测量管道需要连接安装。被测管道的长度至少需要30米以上，而一般成品管道通常为6米一节，需要拼接才能达到检测需要的长度。

拼接的过程需要不断的设置每节水管的支撑。根据两点决定一条直线的原理，每节水管在调平前使用两个支撑，调平后再增加辅助支撑，以减小两个支撑所承受的重量。将水管放置在U型槽的两个竖直臂之间，被U型槽的底部托起，形成可调节高度和左右水平位移的状态。

（二）调平的步骤：借助水平仪，利用各个调平支架的调平螺母的上升或下降，带动套筒以及U形支撑槽和U形支撑槽所支撑的水管上升或下降，将各段水管调整到一个水平面上，同时调整U形支撑槽的两个竖直壁上的固定螺栓，带动U形支撑槽中的水管左右移动，使各段水管在一条水平直线上。

调平过程可使用激光水平仪，即在调平位置设置激光靶标。通过调平

（三）连接均压排气器的步骤：在被测量管道接近供水水箱的位置和接近出口消能池的位置分别设置一个测量断面，在测量断面的上下左右四个方向打孔并连接气管，将四根气管与均压排气器的下半部分的四个进气口连接，在均压排气器的出气孔连接排气阀和压力传感器；

（四）注水排气的步骤：开启排气阀，启动水循环，使水逐渐充满被测量管道，在水充满被测管道的过程中，空气通过均压排气器连接的排气阀排出被测管道，当管道中的空气被排出后，关闭排气阀；

（五）测量和计算的步骤：控制不同的流量Q，多次记录接近出口消能池位置的测量断面的压力，将这个压力记为P₁，多次记录接近出口消能池位置的测量断面的压力，将这个压力记为P₂，根据记录分别计算P₁、P₂的平均值；

计算水力摩阻系数的步骤：利用公式计算水力坡降J：

其中：L为被测量管道长度；

计算水力摩阻系数n：

A为过水面积，即：测量断面的面积；R为水力半径，面积与湿周的比值；C为谢才系数。

测量和计算的原理：

水力摩阻引起的水头损失：

管道中水体的能量平衡方程如下：

式中：Z₁和Z₂—上下游断面的高程（m）；

P₁和P₂—上下游断面的压力（Pa）；

V₁、V₂—上下游断面的平均流速（m/s）；

h_w—水头损失（m）。

因此水力摩阻引起的水头损失可按下式计算：

则

式中：J—水力坡降；

L—管道长度（m）；

i—管道坡度。

检测试验中，被测量管道为水平，且过水断面A ₁=A ₂，因此水力坡降的计算公式变为：

。

水力摩阻系数的计算方法：

根据流量公式和公式，推得管道的水力摩阻系数计算公式如下：

式中：n—水力摩阻系数；A—过水面积（m²）；R—水力半径，面积与湿周的比值（m）；C—谢才系数（m^1/2/s）；Q—流量（m³/s）。

因此，将上述水力摩阻试验中的测量流量Q和上下游测量断面的压力差P₁-P₂，以及管道固有的半径参数带入上述计算公式即可得到管道的水力摩阻系数。

上述管道水力摩阻检测装置能够显著提高试验效率，避免测量误差，且适用于不同的管径。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如阀门的形式、阀门的安装位置、空气罐的形式、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种均压混合式管道水力摩阻系数高效检测系统，包括依次连接的：供水水箱、多节水管构成的被检测管道、调节阀门、出口消能池、量水堰，其特征在于，所述的各节水管分别设置两个调平支架；在被测管道的进口附近和出口附近分别设置测量断面，所述的测量断面的管道周向均布至少两个测压管，一个测量断面的各个所述测压管与一个均压排气器连接，所述的均压排气器与排气阀和测压排连接，所述的均压排气器下半部分为正多边形柱体或圆柱体，在同一水平面周向均布连接测压管的进气孔；上半部分为正多边形棱台或圆台，顶端设置连接排气阀和测压排的出气孔；所述的调平支架包括：支撑底板，所述的支撑底板上竖直设置螺杆，所述的螺杆上设有调整被检测管道竖直位移的调平螺母，所述的调平螺母支撑套筒，所述的套筒与U形支撑槽固定连，所述的U形支撑槽的两个竖直臂上分别设置调节被测量管道水平位移的固定螺栓；所述的测量断面设四个测压管，所述的四个测压管成十字形排列，分别设置在测量断面的上下左右；所述的均压排气器下半部分是水平截面为正方形的四棱柱，所述的进气孔设置在各棱面中心位置；上半部分为四棱锥。

2.一种使用权利要求1所述测量系统进行均压混合式管道水力摩阻系数高效检测方法，其特征在于，所述方法包括的步骤如下：

连接系统的步骤：将各段水管连接为被检测管道，并将被检测管道与供水水箱和出口消能池连接，每根水管使用两个调平支架支撑；

调平的步骤：借助水平仪，利用各个调平支架的调平螺母的上升或下降，带动套筒以及U形支撑槽和U形支撑槽所支撑的水管上升或下降，将各段水管调整到一个水平面上，同时调整U形支撑槽的两个竖直壁上的固定螺栓，带动U形支撑槽中的水管左右移动，使各段水管在一条水平直线上；

连接均压排气器的步骤：在被测量管道接近供水水箱的位置和接近出口消能池的位置分别设置一个测量断面，在测量断面的上下左右四个方向打孔并连接气管，将四根气管与均压排气器的下半部分的四个进气口连接，在均压排气器的出气孔连接排气阀和测压排；

注水排气的步骤：开启排气阀，启动水循环，使水逐渐充满被测量管道，在水充满被测管道的过程中，空气通过排气阀排出被测管道，当管道中的空气被排出后，关闭排气阀；

测量和计算的步骤：控制并计量不同的流量Q，多次记录接近出口消能池位置的测量断面的压力为P₁，接近出口消能池位置的测量断面的压力为P₂，根据记录分别计算P₁、P₂的平均值；

计算水力摩阻系数的步骤：利用公式计算水力坡降J：

其中：L为被测量管道长度；

计算水力摩阻系数n：

A为过水面积，即：测量断面的面积；R为水力半径，面积与湿周的比值；C为谢才系数。