CN108225728A - 一种测算射流速度与挟气量关系的方法 - Google Patents
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Abstract
一种测算射流速度与挟气量关系的方法，尤其是在进行水气两相流研究时测算自由射流挟带多少气体进入水中的方法，属于环境水力学试验领域。方法包括：步骤1，根据射流水泵功率，预设射流管道尺寸和喷头尺寸，粗算射流速度；步骤2，粗估挟气量，计算储水装置和集气装置体积；步骤3，根据以上计算结果，设计测算射流挟气量装置的尺寸；步骤4，进行充水排气；步骤5，进行试验；步骤6，完成一个流速试验后，重新进行步骤4，调整流速进行下一个流速工况试验。本发明的有益效果在于：提供了一种全新测算射流速度与挟气量关系的方法；所用的装置构造简单，成本低廉，数值准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种测算射流速度与挟气量关系的方法，尤其是在进行水气两相流研究时测算自由射流挟带多少气体进入水中的方法，属于环境水力学试验领域。
背景技术
自由射流在空中受到重力、粘性力、表面张力、空气阻力的共同作用，其中重力的作用是使水体在纵向上拉伸；粘性力和表面张力都是尽量维持水体的表面完整、不发生破碎；空气阻力增加了水体表面的波动或者空气侵入水体内部形成空泡，扩大了水舌在水平面上的投影面积。最终入射水体的不同形态、不同掺气程度决定了其进入下游水体的挟气量、下游水体中的气泡分布和入射水体的侵入水深。自由射流形式作为大坝泄水的一种方式，在工程中很常见。射流入水后是一种复杂的湍流流动，目前对于湍流场的研究非常多，对于掺气方面只限于掺气对消能和减少气蚀破坏方面的研究，并没有涉及到水气两相流的水气掺混特性研究。因此，自由射流条件下，对下游水体水气掺混特性的研究具有重要的探索意义。
目前，对于射流水体挟带气体量的问题，没有有效的研究手段。下游水体水气掺混特性受多方面的影响，而自由射流条件作为上游的边界条件，直接影响射流水体的挟气量和入水条件。现阶段一般通过同位素方法或掺气仪方法对水体中的气泡量进行测试，但是由于同位素方法有一定的辐射风险，而掺气仪方法使用的装置属于单点采样，精度不高，因此目前尚无简单准确地获得挟气量的方法。不同的射流速度与挟气量的关系尚无有效的测量手段。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是提供一种测算射流速度与挟气量关系的方法。
一种测算射流速度与挟气量关系的方法，包括以下步骤：
步骤1，根据射流水泵功率，预设射流管道尺寸和喷头尺寸，粗算射流速度；
步骤2，粗估挟气量，设计测算射流挟气量的装置尺寸，计算储水装置和集气装置体积；
步骤3，根据以上计算结果，设计测算射流挟气量装置的尺寸；
步骤4，进行充水排气；
步骤5，进行试验；
步骤6，完成一个流速试验后，重新进行步骤4，调整流速进行下一个流速工况试验。
上述的测算射流挟气量的装置，包括：射流系统、储水装置、集气装置；
上述的射流系统包括：射流水泵、管道、软管、喷头，顺序相连；
上述的储水装置包括：盛水箱、备用水箱，两者中间通过阀门相连，备用水箱和盛水箱各占储水装置总体积的1/3和2/3，并且储水装置整体为长方体；
上述的集气装置包括：集气箱、抽真空管、充水管、射流入口、射流入口凹陷，其中集气箱包括箱体和集气平台，抽真空管和充水管连接在集气箱顶部，抽真空管连接抽真空装置，所述的射流入口处于射流入口凹陷的底部，射流入口凹陷为方变圆的渐变段，射流入口为圆形，射流入口凹陷上边缘连接集气平台。这样设计方式可以将阻止上浮气泡从射流入口逸出。
集气装置被支撑或吊装在储水装置预期水面位置，一般为自储水装置底部算起储水装置高度的2/3处。所述的支撑方式可以采用支柱支撑或顶部吊装。
上述的集气装置的体积须小于储水装置备用水箱的体积。储水装置备用水箱的体积小于储水装置总容量的1/3。
上述步骤1的根据射流水泵功率，预设射流速度是指：根据实验室提供的射流水泵功率，计算在一定喷头尺寸时可提供的射流流速范围，根据水泵的出力曲线计算出口最大速度，经发明人多次试验及创造性总结得出，上述装置的综合流速水头损失系数估算为0.95。
上述步骤2粗估挟气量，计算储水装置和集气装置体积是指：按照水体气体体积比1：1关系，计算试验过程中总的循环水体体积，通过总的循环水体体积，计算集气装置的可能气体总量，设置集气装置的体积。当所需集气装置的体积小于储水装置总体积的1/6时，使用测算射流挟气量的装置简易体形；当所需集气装置的体积为储水装置总体积的1/6～1/3时，使用测算射流挟气量的装置常用体型。所述的测算射流挟气量的装置简易体形是指集气装置的箱体是圆柱形；所述的测算射流挟气量的装置常用体型是指集气装置的箱体是棱台形。
上述步骤3，根据以上计算结果，设计测算射流挟气量装置的尺寸；当所需集气装置的体积小于储水装置总体积的1/6时，备用水箱的体积设置为1/4储水装置；当所需集气装置的体积为储水装置总体积的1/6～1/3时，备用水箱的体积设置为1/3储水装置。
充水时：
在进行试验时先打开充水管，并将抽真空管与大气相通。通过充水管向装置内充水，充水时，备用水箱和盛水箱之间的阀门打开，当水面与集气平台顶部相齐平时停止充水。关闭备用水箱和盛水箱之间的阀门，将备用水箱中的水泵入盛水箱中。
排气时：
将抽真空管与真空泵连接，打开真空泵，将集气箱中的气体抽光，在盛水箱中的水体将进入集气箱，注意观察水面，依据前述设计方案，理论上水面不会低于集气平台，由于水体意外溢出等原因，水面可能低于集气平台时应注意补水。若集气箱体积小于备用水箱体积较多时，当集气箱被水充满后，水面仍会高出集气平台较多，将造成测算不准，此时应将射流水泵打开，排出一部分水量，直至集气平台与水面相平。
试验时：
将射流水泵打开，射流口对准射流入口，射入射流入口的水体挟带气体进入集气平台底部，集气平台底部的气体逐渐汇集到箱体内。试验过程从低流速向高流速试验。由于射流挟气量为初步估计量，因此有可能射流挟气量不足或者过高，当挟气量不足时，水面将逐渐低于集气平台位置，此时应利用备用水箱补水；当挟气量过高时，水面将逐渐高于集气平台位置，此时应向备用水箱内适当泵水，以保证射流入水的交界面位置在射流入口处。
本发明有如下有益效果：
(1)本发明提供了一种全新测算射流速度与挟气量关系的方法；
(2)本发明所用的装置构造简单，成本低廉，数值准确。
附图说明
图1为本发明一种测算射流速度与挟气量关系的方法中测算射流挟气量的装置常用体型示意图；
图2为本发明一种测算射流速度与挟气量关系的方法中测算射流挟气量的装置简易体形示意图；
图3为本发明一种测算射流速度与挟气量关系的方法中测算射流挟气量的装置常用体型侧视示意图；
图4为本发明一种测算射流速度与挟气量关系的方法获得的挟气量与射流速度之间关系的示意图。
具体实施方式
实施例一
下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
一种测算射流速度与挟气量关系的方法，包括以下步骤：
步骤1，根据射流水泵功率，预设射流管道尺寸和喷头尺寸，粗算射流速度；
步骤2，粗估挟气量，设计测算射流挟气量的装置尺寸，计算储水装置和集气装置体积；
步骤3，根据以上计算结果，设计测算射流挟气量装置的尺寸；
步骤4，进行充水排气；
步骤5，进行试验；
步骤6，完成一个流速试验后，重新进行步骤4，调整流速进行下一个流速工况试验。
一种测算射流挟气量的装置，包括：射流系统、储水装置、集气装置；
上述的射流系统包括：射流水泵10、管道8、软管3、喷头1，顺序相连；
上述的储水装置包括：盛水箱、备用水箱7，两者中间通过阀门相连，备用水箱7和盛水箱各占储水装置总体积的1/3和2/3，并且储水装置整体为长方体；
上述的集气装置包括：集气箱4、抽真空管6、充水管5、射流入口4-1、射流入口凹陷4-2，其中集气箱4包括箱体4-3和集气平台4-4，抽真空管6和充水管5连接在箱体4-3顶部，抽真空管6连接抽真空装置；所述的射流入口4-1处于射流入口凹陷4-2的底部，射流入口凹陷4-2为方变圆的渐变段，射流入口4-1为圆形，射流入口凹陷4-2上边缘连接集气平台4-4。这样设计方式可以将阻止上浮气泡从射流入口逸出。
集气装置被支撑或吊装在储水装置预期水面位置，一般为自储水装置底部算起储水装置高度的2/3处。所述的支撑或吊装方式可以采用支柱支撑或顶部吊装。
上述的集气装置4的体积须小于储水装置备用水箱7的体积。
上述步骤1的根据射流水泵功率，预设射流速度是指：根据试验室提供的射流水泵功率，计算在一定喷头尺寸时可提供的射流流速范围，根据水泵的出力曲线计算出口最大速度，经发明人多次试验及创造性总结得出，上述装置的流速水头损失系数估算为0.95。
当试验射流泵功率为10kw时，预设喷头直径为4cm，设置水头为5m，在该扬程下，射流泵的流量为6L/s计算其最大出口速度为6/(2*2*3.14)＝4.77m/s。则其可能出流速度为：4.77×0.95＝4.53m/s。
上述步骤2粗估挟气量，计算储水装置和集气装置4体积是指：按照水体气体体积比1：1关系，计算试验过程中总的循环水体体积，通过总的循环水体体积，计算试验采集的最小气体总量，设置集气装置4的体积。当所需集气装置4的体积小于储水装置总体积的1/6时，使用测算射流挟气量的装置简易体形；当所需集气装置4的体积为储水装置总体积的1/6～1/3时，使用测算射流挟气量的装置常用体型。
根据射流泵的流量为6L/s可知，按照水体气体体积比1：1关系，试验过程按照100s控制，则总的循环水体积为600L，试验采集的最小气体总量为600L。集气装置4的总体积设为不小于采集气体总量1.1倍即660L。
上述步骤3，根据以上计算结果，设计测算射流挟气量装置的尺寸；当所需集气装置的体积小于储水装置总体积的1/6时，备用水箱的体积设置为1/4储水装置；当所需集气装置的体积为储水装置总体积的1/6～1/3时，备用水箱的体积设置为1/3储水装置总体积。
储水装置的总体积为3m3，集气装置的的体积为0.66m3，大于储水装置的总体积的1/6，小于储水装置总体积的1/3，所以备用水箱7的体积设置为1/3储水装置总体积。
上述的步骤4所述的进行充水是指：
在进行试验前先打开充水管5，并将抽真空管6与大气相通。通过充水管5向装置内充水，充水时，备用水箱7和盛水箱之间的阀门打开，当水面与集气平台顶部相齐平时停止充水。关闭备用水箱7和盛水箱之间的阀门，将备用水箱7中的水泵入盛水箱中。
上述的步骤4所述的进行排气是指：
将抽真空管6与真空泵连接，打开真空泵，将集气箱4中的气体抽光，在盛水箱中的水体将进入集气箱4，注意观察水面，依据前述设计方案，理论上水面不会低于集气平台4-4，由于水体意外溢出等原因，水面可能低于集气平台4-4时应注意补水。若集气箱4体积小于备用水箱7体积较多，当集气箱4被水充满后，水面仍会高出集气平台4-4较多，将造成测算不准，此时应将射流水泵10打开，排出一部分水量，直至集气平台4-4与水面相平。
上述的步骤5所述的进行试验是指：
将射流水泵10打开，射流口1对准射流入口4-1，射入射流入口4-1的水体挟带气体进入集气平台4-4底部，集气平台4-4底部的气体逐渐汇集到箱体4-3内。
计算箱体4-3内的气体体积即可获得射流挟气量。
试验过程从低流速向高流速试验。由于射流挟气量为初步估计量，实测时水面逐渐低于集气平台4-4位置，此时应利用备用水箱7补水，以保证射流入水的交界面位置在射流入口4-1处。
Claims (5)
1.一种测算射流速度与挟气量关系的方法，包括以下步骤：
步骤1，根据射流水泵功率，预设射流管道尺寸和喷头尺寸，粗算射流速度；
步骤2，粗估挟气量，设计测算射流挟气量的装置尺寸，计算储水装置和集气装置体积；
步骤3，根据以上计算结果，设计测算射流挟气量装置的尺寸；
步骤4，进行充水排气；
步骤5，进行试验；
步骤6，完成一个流速试验后，重新进行步骤4，调整流速进行下一个流速工况试验。
2.根据权利要求1所述的一种测算射流速度与挟气量关系的方法，其特征在于：所述的测算射流挟气量的装置，包括：射流系统、储水装置、集气装置；
所述的射流系统包括：射流水泵、管道、软管、喷头，顺序相连；
所述的储水装置包括：盛水箱、备用水箱，两者中间通过阀门相连，备用水箱和盛水箱各占储水装置总体积的1/3和2/3，并且储水装置整体为长方体；
所述的集气装置包括：集气箱、抽真空管、充水管、射流入口、射流入口凹陷，其中集气箱包括箱体和集气平台，抽真空管和充水管连接在集气箱顶部，抽真空管连接抽真空装置；
所述的射流入口处于射流入口凹陷的底部，射流入口凹陷为方变圆的渐变段，射流入口为圆形，射流入口凹陷上边缘连接集气平台；所述的集气装置被支撑或吊装在储水装置预期水面位置，为自储水装置底部算起储水装置高度的2/3处；所述的支撑或吊装方式可以采用支柱支撑或顶部吊装。
3.根据权利要求1所述的一种测算射流速度与挟气量关系的方法，其特征在于：所述的步骤1的根据射流水泵功率，预设射流速度是指：根据实验室提供的射流水泵功率，计算在一定喷头尺寸时可提供的射流流速范围，根据水泵的出力曲线计算出口最大速度，经发明人多次试验及创造性总结得出，上述装置的综合流速水头损失系数估算为0.95。
4.根据权利要求1所述的一种测算射流速度与挟气量关系的方法，其特征在于：所述的步骤2粗估挟气量，设计测算射流挟气量的装置尺寸，计算储水装置和集气装置体积是指：按照水体气体体积比1：1关系，计算试验过程中总的循环水体体积，通过总的循环水体体积，计算集气装置的可能气体总量，设置集气装置的体积；当所需集气装置的体积小于储水装置总体积的1/6时，使用测算射流挟气量的装置简易体形；当所需集气装置的体积为储水装置总体积的1/6～1/3时，使用测算射流挟气量的装置常用体型；
所述的测算射流挟气量的装置简易体形是指集气装置的箱体是圆柱形；
所述的测算射流挟气量的装置常用体型是指集气装置的箱体是棱台形。
5.根据权利要求1所述的一种测算射流速度与挟气量关系的方法，其特征在于：所述步骤3，根据以上计算结果，设计测算射流挟气量装置的尺寸；当所需集气装置的体积小于储水装置总体积的1/6时，备用水箱的体积设置为1/4储水装置；当所需集气装置的体积为储水装置总体积的1/6～1/3时，备用水箱的体积设置为1/3储水装置。
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