CN108332902A - 正虹吸管道水气两相流动沿程阻力系数的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种正虹吸管道水气两相流动沿程阻力系数的测定方法，是以负压条件下工作的中行管段正坡及逆坡布置的正虹吸管路为中心，正虹吸管路包括上行管、中行管和下行管；使用压力传感器量测管道中的压强，使用环形掺气电极和电导率仪量测截面含气率，通过对多工况压降的量测，利用数值拟合的方法，得到不同坡度沿程阻力系数的经验公式。本发明为正虹吸管路气液两相水头损失的计算提供了理论依据，并为不同坡度下正虹吸管水气两相流动水头损失的变化情况的研究提供了行之有效的测定方法。

Description

正虹吸管道水气两相流动沿程阻力系数的测定方法

技术领域

本发明涉及长距离供水输水工程技术领域，具体是一种在负压条件下工作的正虹吸管道在坡度不同时管内呈现气液两相流动时沿程阻力系数λ_m的计算方法。

背景技术

正虹吸管道是依靠大气压及势能引导而具有自动引水的一种有压输水管道，管道顶部高于上游水面，管内真空，当作用在上游面的大气压强与虹吸管内压强之间产生压差便能使水流通过虹吸管的最高处引向低处。虹吸管道以其输水不受布置条件的限制，路线布置简便，施工工程量节约，保证正常供水的优点成为许多工程首选的输水管路。

水气两相流水头损失的计算一直是气液两相流动研究中重要的课题之一，研究者多以正压条件下运行的管道为研究对象，沿程水头损失用达西公式(1)计算。而在正虹吸管路中，管道在负压下运行，自然水中少量肉眼看不见的极微小且不溶解于水的气核，由于气核内部压强大于外部压强而膨胀析出，管内呈现水气两相流，通过研究不同坡度下正虹吸管水气两相流动流动阻力的变化情况，发现常规有压输水管道水头损失的计算公式(1)已经不适用于负压条件下工作的虹吸管路。

要确定管路中的沿程水头损失h_f，关键在于确定其沿程阻力系数λ。在《水力学》一书中，常规有压输水管道沿程水头损失用达西公式(1)计算，由于紊流的复杂性，至今还没有成熟的沿程阻力系数λ的理论公式，只有部分由实验结果和理论推导得出的半经验公式，如伯拉修斯公式(2)、尼古拉兹公式(3)及谢维列夫公式(4)。

(适用范围4000＜Re＜10⁵)

(适用范围Re＜10⁶)

(适用于塑料管，v＜3m/s)

式中：h_f为沿程水头损失，m；λ为沿程阻力系数；l为管道长度，m；d为管道直径，m；v为管内流速，m/s；Re为雷诺数。

上述公式皆适用于紊流条件下的单一液相流，并不适用于气液两相流沿程阻力系数的计算。

发明内容

发明目的：虹吸管道在长距离输水工程中运用较为广泛，但以往研究中尚未考虑中行管路坡度的变化对管内气泡或者气团运动的影响，继而无法揭示气泡或者气团运动特性对正虹吸管路水气两相流动水头损失的影响机制。在实际工程运用正虹吸管道作为主要布置管道时，在安装高度大于3m时管内即呈现气液两相流，不同坡度下管内的气囊的大小均不相同，此时气体对水流的阻力不同导致不同工况下所测得的压降值各不相同，由达西公式可知，水头损失不同，各工况下的沿程阻力系数也大不相同。所以获得不同坡度下沿程阻力的系数的计算公式可以更好地掌握虹吸管道的流动规律，以便更好地提供工程设计。本发明需要解决的问题就是提供一种正虹吸管道气液两相流沿程阻力系数的计算方法，实现对于负压条件工作的正坡及逆坡布置的正虹吸管道不同坡度下沿程阻力系数的计算方法。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提供一种正虹吸管道水气两相流动沿程阻力系数的测定方法，以负压条件下工作的中行管段正坡及逆坡布置的正虹吸管路为中心，使用压力传感器量测管路中的压强，使用环形掺气电极和电导率仪量测截面含气率，通过对多工况压降的量测，利用数值拟合的方法得出不同坡度沿程阻力系数。

具体地，通过中行管首末点的压强计算得到沿程阻力系数λ_m，相关变量为坡度i、截面含气率a和雷诺数Re，确定沿阻力系数λ_m与三个相关变量的关系，使用曲线拟合方法得到中行管在正坡管道与逆坡管道时的沿程阻力系数：

逆坡管道的沿程阻力系数

正坡管道的沿程阻力系数

υ为管内流速，ν为运动粘滞系数。

具体地，所述虹吸管路包括依次连接的上行管、中行管和下行管，上行管进口处放置用于维持上游水位稳定的进口溢流堰，下行管出口处放置用于量测管内流量的下游薄壁堰，中行管首端与末端布置压力传感器及环形掺气电极，压力传感器用于测量管内压强，环形掺气电极用于测量管内的含气率大小。

具体地，雷诺数Re的范围是5000-20000，含气率a的范围是8％-30％，坡度i的范围是1/60-1/10。

发明原理：发明人通过计算发现，当5000＜Re＜20000时可忽略因气囊产生的局部水头损失h_j，即总水头损失h_w约等于沿程水头损失h_f。根据水力学知识可知，沿程阻力系数λ与管道的雷诺数Re，和管道粗糙率Δ/d有关，由于本试验中管道糙率Δ/d保持不变，所以Δ/d对沿程阻力系数λ的影响暂不考虑。根据试验发现不同坡度及含气率8％＜α＜30％时，虹吸管内压降大小并不相同。所以沿程阻力系数λ不仅与Re有关，还与坡度i及含气率a有关，将本试验中所测得的沿程阻力系数用λ_m表示，即可得出λ_m＝f(Re，α，i)。基于试验结果推导坡度i为±1/60～±1/10时虹吸管道正坡布置和逆坡布置的虹吸管路沿程阻力系数λ_m的计算方法。

该计算方法是将与沿程阻力系数λ_m有关的变量确定后，将二者的比例关系找到，分别确定λ_m与每个系数之间的关系，最终通过曲线拟合的方法，得到最后的沿程阻力系数的计算公式。本公式适用于正虹吸管道的管内雷诺数Re在5000至20000之间，含气率a在8％至30％范围以内，坡度i控制在1/60至1/10之内。本发明以逆坡布置的正虹吸管道推导过程为例，正坡管道中沿程阻力系数随坡i，雷诺数Re和含气率a变化规律与逆坡管路一致，推导过程也与逆坡管路一致，囿于篇幅，不再赘述。

(1)先确定沿程阻力系数λ_m与雷诺数Re的关系。将不同工况根据试验数据计算的沿程阻力系数λ_m和雷诺数Re的关系点汇在图1中，从图1中可以看出，与常规有压管流沿程阻力系数随雷诺数变化规律一致，水气两相流动时沿程阻力系数随雷诺数的增加而减小。在各个坡度下，λ_m均与Re数呈反比，由数据拟合可得

(2)再确定沿程阻力系数λ_m与含气率α的关系。为进一步分析λ_m与含气率α的关系，令将各工况下所求得的F值与截面含气率α绘制在图2中，由图2可知，α∝F^0.81。

(3)最后分析坡度i对沿程阻力系数λ_m的影响。令点绘出F₁与不同底坡i的关系如图3所示。经过曲线拟合，可得式(5)。

F₁＝0.782×i^0.132 (5)

式(5)可写为下式(6)

上式可化简为：

上式(7)即为逆坡管路沿程阻力系数公式，式中d为含气率；Re为雷诺数；i为坡度。

正坡管路中沿程阻力系数推导过程与逆坡管路一致，囿于篇幅，不再赘述，正坡管路沿程阻力系数公式见式(8)。

即正坡及逆坡沿程阻力系数公式如下：

逆坡管道：

正坡管道：

式中：λ_m逆——中行管逆坡布置时的沿程阻力系数；

λm正——中行管正坡布置时的沿程阻力系数；

a——截面含气率；

Re——雷诺数大小，υ为管内流速，ν为运动粘滞系数；

i——中行管坡度大小。

有益效果：常规有压输水管道水头损失的计算公式已经不适用于负压条件下工作的虹吸管路。沿程水头损失系数的确定是管道水头损失的计算中关键问题，而目前用于计算沿程水头损失系数的经验公式均适用于有压管道的满管流状态，并不适用于气液两相流流态的计算。

本发明对坡度不同时正虹吸管路的压降的变化情况进行研究，通过对多工况压降的量测，利用数值拟合的方法，得到不同坡度沿程阻力系数的经验公式，为正虹吸管路气液两相流动阻力和水头损失的计算提供理论依据。

附图说明：

图1为雷诺数Re与沿程阻力系数λ_m的关系；

图2为F与含气率α的关系；

图3为坡度i与F₁的关系；

图4为本发明实施例中逆坡布置的正虹吸管路示意图；

图5为本发明实施例中正坡布置的正虹吸管路示意图；

图6为中行管管内气液两相流示意图；

图7为截面含气示意图；

图8为i＝1/60时逆坡布置虹吸管道试验计算值与公式计算值的对比；

图9为i＝1/20时逆坡布置虹吸管道试验计算值与公式计算值的对比；

图10为i＝1/30时正坡布置虹吸管道试验计算值与公式计算值的对比；

图11为i＝1/15时正坡布置虹吸管道试验计算值与公式计算值的对比；

图中：上游进口溢流堰1，虹吸管道上行管2，压力传感器3，环形掺气电极4，虹吸管道中行管5，虹吸管道下行管6，下游薄壁堰7。

具体实施方式：

实施例：本实施例应用于正虹吸管道长距离输水工程中的输水管道中。系统布置简图如图4和图5所示，其区别在于虹吸管道中行管5的布置方式，图4里中行管为逆坡布置，图5里中行管为正坡布置；虹吸管道由上行管2和中行管5及下行管6组成，上游进口处放置进口溢流堰1保证上游水位维持稳定，下游薄壁堰7用于量测管内流量。中行管首端与末端各布置1个压力传感器3及环形掺气电极4，压力传感器3用于测量管内压强，环形掺气电极4用于测量管内的含气率大小。在正虹吸管路中，管内呈现负压状态，当虹吸管管径为2cm、安装高度为4m时管内呈现气液两相流现象如图6所示。图7为中行管纵剖图，气体聚集在管道上方，管内水气混合，呈现气液两相流状态。本实施例通过对管径为3cm、安装高度为6m条件下的正虹吸管道在中行管5正坡及逆坡布置方式下量测了含气率a，坡度i，雷诺数Re的大小，将式(7)、(8)进行了验证。

式中：λ_m逆——中行管逆坡布置时的沿程阻力系数；

λm正——中行管正坡布置时的沿程阻力系数；

a——截面含气率；

Re——雷诺数大小，υ为管内流速，ν为运动粘滞系数；

i——中行管坡度大小。

根据各个工况点截面含气率的量测问题，本实施例采用环形掺气电极和电导率仪进行量测管内含气率的大小，若实际工程中无法准确量测正虹吸管道含气率的大小，可根据图7所示，初步估算气体所占管道横截面积的百分比，即为管道截面含气率的值。

根据多工况点的性能要求，为本发明参照的实施例进行了试验计算值与本发明所推求公式值进行了对比。图8～图11为正坡及逆坡管道试验值和推导公式值的对比图，由图可知，试验的计算值与推导出的公式值比较接近，相差不大，说明公式对于不同坡度布置的正虹吸管道气液两相流动沿程阻力系数的计算是适用的。

以上为本发明专利参考一个实施例做出的具体说明，但是本发明并不限于上述实施例，也包含本发明构思范围内的其他实施例或者变形例。

Claims (4)

1.正虹吸管道水气两相流动沿程阻力系数的测定方法，其特征在于：以负压条件下工作的中行管段正坡及逆坡布置的正虹吸管路为中心，使用压力传感器量测管路中的压强，使用环形掺气电极和电导率仪量测截面含气率，通过对多工况压降的量测，利用数值拟合的方法得出不同坡度沿程阻力系数。

2.根据权利要求1所述的正虹吸管道水气两相流动沿程阻力系数的测定方法，其特征在于：所述虹吸管路包括依次连接的上行管、中行管和下行管，上行管进口处放置用于维持上游水位稳定的进口溢流堰，下行管出口处放置用于量测管内流量的下游薄壁堰，中行管首端与末端布置压力传感器及环形掺气电极，压力传感器用于测量管内压强，环形掺气电极用于测量管内的含气率。

3.根据权利要求2所述的正虹吸管道水气两相流动沿程阻力系数的测定方法，其特征在于：通过中行管首末点的压强计算得到沿程阻力系数λ_m，相关变量为坡度i、截面含气率a和雷诺数Re，确定沿程阻力系数λ_m与三个相关变量的关系，使用曲线拟合方法得到中行管在正坡管道与逆坡管道时的沿程阻力系数：

逆坡管道的沿程阻力系数

正坡管道的沿程阻力系数

雷诺数，υ为管内流速，ν为运动粘滞系数。

4.根据权利要求3所述的正虹吸管道水气两相流动沿程阻力系数的测定方法，其特征在于：雷诺数Re的范围是5000-20000，含气率a的范围是8%-30%，坡度i的范围是1/60-1/10。