坡度對(duì)虹吸管路氣液兩相流動(dòng)水力特性影響試驗(yàn)研究

張小瑩，李 琳，譚義海，吳洋鋒

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

由于近年來(lái)全球氣候變化異常，大范圍少量降雨和局部單點(diǎn)暴雨的發(fā)生頻率越來(lái)越高,導(dǎo)致抗旱、水庫(kù)應(yīng)急搶險(xiǎn)等防災(zāi)減災(zāi)的工作任務(wù)越來(lái)越重。虹吸管道以其輸水不受布置條件的限制，路線布置簡(jiǎn)便，施工工程量節(jié)約，保證正常供水的優(yōu)點(diǎn)成為許多工程首選的輸水管路[1-3]。在坎兒井式地下水庫(kù)中，長(zhǎng)距離、大真空度的虹吸式輸水管道是其重要組成部分,其相關(guān)水力特性與短距離駝峰式虹吸管路不同,但與其相關(guān)的研究報(bào)道甚少[4,5]。本課題組成員對(duì)真空度較大、平坡布置的正虹吸管道進(jìn)行了以下研究：通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著虹吸管道的安裝高度逐漸增大，虹吸管內(nèi)的汽化愈發(fā)嚴(yán)重(特別在水平管段)，且管路流量及壓降大小均隨安裝高度的增大而逐漸減小[6-10]。以上研究?jī)H僅是對(duì)平行管路平坡布置的虹吸管路進(jìn)行研究，并沒(méi)有對(duì)中行管傾斜布置時(shí)坡度的改變是否會(huì)對(duì)氣液兩相流動(dòng)水力特性存在影響。然而，筆者發(fā)現(xiàn)當(dāng)虹吸管中行管路傾斜布置時(shí)，管內(nèi)氣泡或氣囊的分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律隨坡度的改變而改變。文章通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了正坡及逆坡管路不同坡度下虹吸管內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)現(xiàn)象、流型的變化及氣體分布情況，對(duì)管徑為2 cm的不同坡度下管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)現(xiàn)象及流型的變化進(jìn)行了探討和分析，本課題組成員在前期研究中已針對(duì)管徑為d=3 cm的長(zhǎng)距離正虹吸管路進(jìn)行了流動(dòng)現(xiàn)象、流型及含氣率的量測(cè)，在管徑較大時(shí)管內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象、流型及含氣率隨坡度的變化與d=2cm時(shí)并無(wú)差異。故本試驗(yàn)結(jié)果擬為揭示中行管傾斜布置的正虹吸管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)特性奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)工況

圖1為本試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置圖。其中圖1(a)為管路正坡布置的試驗(yàn)示意圖、圖1(b)為管路逆坡布置的試驗(yàn)示意圖。如圖1所示，整個(gè)虹吸管路由上行管、中行管、下行管組成，材料用管徑d=2 cm的有機(jī)玻璃管制成。安裝高度hs為6 m時(shí)進(jìn)行不同坡度的試驗(yàn)。將中行管段傾斜放置，逆坡布置時(shí)坡度為負(fù)，順坡布置時(shí)坡度為正，本實(shí)驗(yàn)共設(shè)置10個(gè)不同坡度，不同坡度下傾斜管段的長(zhǎng)度均為l=18.15 m，恒定不變。豎直管段(上行管段、下行管段)垂直于地面布置，長(zhǎng)度由實(shí)際安裝高度決定，在整個(gè)虹吸管路從上游至下游分別布置9個(gè)環(huán)形摻氣電極(上行管段2個(gè)，中行管段5個(gè)，下行管段2個(gè))，如圖1中1～9所示。整個(gè)試驗(yàn)裝置由上游水箱、虹吸管路及下游水箱組成，在上游水箱中布置一個(gè)溢流堰，用來(lái)恒定上游水位，在下游水箱內(nèi)布置一個(gè)20° 開(kāi)口三角形薄壁堰，用來(lái)量測(cè)虹吸管道內(nèi)的過(guò)流量。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Test device diagram

試驗(yàn)分別在坡度為i=±1/60，±1/30，±1/20，±1/15，±1/10等10個(gè)坡度；上下游水位差為H=5，10，15，20，25，30，35，45，55，75，95，115，135 cm等13個(gè)水頭差下進(jìn)行。試驗(yàn)步驟如下：

(1)確定上下游水位差H。

(2)開(kāi)始對(duì)環(huán)形摻氣電極進(jìn)行率定。環(huán)形摻氣電極在空管和滿管不同情況下率定，首先保證管路為空管，使DJ800數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相應(yīng)的通道口均為聯(lián)通狀態(tài)，在電腦桌面上點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待采集結(jié)束后，提取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。此外，在管道內(nèi)為液相滿流狀態(tài)時(shí)以上述同樣的步驟進(jìn)行率定，若空管時(shí)所測(cè)得含氣率為100%，滿管時(shí)所得含氣率為0，則說(shuō)明儀器可以正常使用，可開(kāi)始后續(xù)試驗(yàn)。

(3)保證虹吸條件。用水泵A向水箱抽水直至溢流狀態(tài)，再用水泵B連接上行管管口進(jìn)行充水排氣，至管內(nèi)完全被水流充滿后將水泵B移出水箱，流經(jīng)下行管段的水流流進(jìn)下游水箱后被連接上、下游水箱的管道又輸送至上游水箱中，如此水流達(dá)到循環(huán)狀態(tài)。

(4)待虹吸過(guò)程穩(wěn)定一段時(shí)間后開(kāi)始進(jìn)行含氣率的量測(cè)并拍攝和記錄虹吸管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的試驗(yàn)現(xiàn)記錄虹吸管內(nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象及流型。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 坡度對(duì)傾斜管道內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象的影響

通過(guò)對(duì)傾斜管道內(nèi)試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察發(fā)現(xiàn)，坡度i不變時(shí)，隨著上下游水位差H的增大，管內(nèi)的氣泡體積、數(shù)量均減少，管內(nèi)偽空化現(xiàn)象減弱，以上現(xiàn)象與文獻(xiàn)[6]所述試驗(yàn)現(xiàn)象均一致，故不再贅述。本節(jié)主要研究上下游水位差H不變時(shí)，坡度的改變對(duì)管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生的影響，選擇以H=35 cm工況為例對(duì)傾斜管內(nèi)流態(tài)進(jìn)行描述，其余工況下管內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象隨坡度變化所呈現(xiàn)的規(guī)律與H=35 cm一致。

在傾斜管道內(nèi)，不同坡度下管內(nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象不相同。圖2為管路逆坡布置時(shí)，不同坡度下中行管道內(nèi)流態(tài)的示意圖。圖2(a)為坡度i=-1/60時(shí)管內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象，此時(shí)管內(nèi)氣泡數(shù)量很多，從上游析出的氣泡在中行管道前半段時(shí)氣泡體積大約為4～5 mm，整個(gè)管壁上附著大量的1 mm左右體積較小的氣泡，在流動(dòng)的過(guò)程中氣泡逐漸聚合成較大的氣泡，且不斷吸附附在邊壁上的氣泡使自身體積增大，隨著氣泡體積逐漸增大，在整個(gè)管道分布著大小不一的氣囊，沿程分布的氣囊靜止在管壁的上部，氣囊運(yùn)動(dòng)速度緩慢，且體積不斷增大，當(dāng)氣囊貫穿整個(gè)斷面時(shí)管路發(fā)生斷流。當(dāng)坡度逐漸增大為i=-1/30時(shí)，流態(tài)如圖2(b)所示，從圖中可看出，在管壁上附著的氣泡數(shù)量明顯減少，從上行管流入中行管首部的氣泡體積約為1 mm左右，靠下游的位置處分布的大氣囊的體積較i=-1/60時(shí)有所減小，在整個(gè)管道沿程分布的氣囊體積變小，管內(nèi)氣泡的速度加快。當(dāng)坡度i=-1/10時(shí)，如圖2(c)所示整個(gè)管道附著的氣泡數(shù)量和體積都有所減少，要分布在管壁的上半部分，許多小氣泡還來(lái)不及析出就被水流帶向下游，管內(nèi)氣泡的運(yùn)動(dòng)速度變大。圖3為逆坡管路中不同坡度、相同區(qū)域處管內(nèi)的流態(tài)。3(a)為在傾斜管道首端A區(qū)域處管內(nèi)的流態(tài)，由上行管路流入中行管的氣核開(kāi)始析出，許多體積較小的氣泡附著在管壁上，在i=-1/60時(shí)，管道上部析出約為5 mm的氣泡隨水流向下游運(yùn)動(dòng)；i=-1/30時(shí)，隨水流運(yùn)動(dòng)的氣泡體積約為2～3mm，隨著坡度的逐漸變大，管壁上附著的氣泡數(shù)量逐漸減小，當(dāng)i=-1/10時(shí)，管道上部的氣泡減小為1 mm左右，且管壁上氣泡體積小數(shù)量少。圖3(b)為傾斜管道靠近末端B區(qū)域處管內(nèi)的流態(tài)，在此處可明顯看出管內(nèi)氣泡流態(tài)較為惡劣，且氣囊的體積也較大，i=-1/60時(shí)，大氣囊約40 cm長(zhǎng)，氣囊周邊附著小氣泡；當(dāng)i增大到-1/30時(shí)，管內(nèi)氣囊體積減小到15 cm；當(dāng)坡度變?yōu)閕=-1/10時(shí)，邊壁上附著的小氣泡數(shù)量明顯減少，且管內(nèi)已由氣囊轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀荩瑲馀荽笮〖s為4 cm。

圖2 逆坡管路不同坡度的中行管路內(nèi)流態(tài)示意Fig.2 Negative slope pipeline flow of different slope

圖3 逆坡管路不同坡度、相同區(qū)域處管內(nèi)的流態(tài)Fig.3 Negative slope line slope of the same area at different pipe flow

中行管路正坡布置時(shí)，管路的管壁上沿程可以看到一些小氣囊附著在管壁上，中行管段的末端聚集成氣囊，還有部分氣泡逐漸吸收停留在管壁上的氣泡使自身體積不斷增大后以緩慢的速度向下游運(yùn)動(dòng)，這一現(xiàn)象與逆坡管路一致。與逆坡管路不同的是，正坡管路虹吸一段時(shí)間后，聚集在管內(nèi)的大氣囊開(kāi)始以很緩慢的速度向上游運(yùn)動(dòng)，即氣泡運(yùn)動(dòng)方向與水流方向相反；當(dāng)氣囊運(yùn)動(dòng)方向與水流流動(dòng)方向相反時(shí)，只有少部分的水流穿過(guò)大氣囊流向下游。正坡管路中不同坡度下氣囊開(kāi)始向上游運(yùn)動(dòng)時(shí)的大小也不相同；隨著坡度的不斷增大，氣囊的體積逐漸減小。圖4為管路正坡布置時(shí)，不同坡度下相同區(qū)域內(nèi)的管內(nèi)流態(tài)。如圖4所示，當(dāng)i=1/60時(shí)，管內(nèi)氣囊大小為50～60 cm；當(dāng)坡度增大到i=1/30時(shí)，氣囊減小到30～40 cm；當(dāng)坡度變?yōu)樽畲骾= 1/10，氣囊的大小為20～30 cm。由上可知，當(dāng)上下游水頭差H不變時(shí)，中行管道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)與坡度密切相關(guān)；中行管段無(wú)論逆坡還是正坡布置時(shí)，坡度不同，中行管路內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)現(xiàn)象也不相同。無(wú)論逆坡還是正坡管路中，坡度越大，管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)越穩(wěn)定；隨著坡度的增大，中行管內(nèi)氣泡數(shù)量、體積有所減小，管內(nèi)真空度減小，偽空化現(xiàn)象減弱，管路壓力變大，析出的氣泡對(duì)水流阻力逐漸減小，氣泡的流速逐漸加快。

圖4 正坡管路不同坡度、相同位置處管內(nèi)的流態(tài)Fig.4 Positive slope line slope of the same area at different pipe flow

2.2 坡度對(duì)管道含氣率的影響

為了清晰地看出隨著坡度的變化傾斜管道內(nèi)所含氣泡或氣囊的多少，將傾斜管道不同坡度下典型位置處的含氣率大小分別繪制于圖5及圖6中。將圖5為H=35 cm時(shí)，隨著坡度的變化，逆坡管路7號(hào)環(huán)形摻氣電極處所測(cè)得的含氣率隨時(shí)間的變化規(guī)律，由圖5可知，在逆坡管路中，含氣率隨坡度的增大而減小，試驗(yàn)中坡度從i=-1/60增大至i=1/10時(shí)，管內(nèi)最大含氣率共減小了12.4%，當(dāng)i=-1/60時(shí)，此時(shí)管內(nèi)水流流態(tài)惡劣，管內(nèi)的氣囊體積比其他坡度下氣囊的體積要大，體積很大的氣囊附著于電極上，隨水流以很緩慢的速度向下運(yùn)動(dòng)或者靜止在管壁上不動(dòng)，故使得峰值出現(xiàn)的頻率很高且數(shù)值很大。當(dāng)坡度逐漸增大時(shí)，管內(nèi)沿程分布的氣囊體積變小，水流流速變快，挾氣能力增強(qiáng)，使氣泡析出的體積變小，當(dāng)i=-1/10時(shí)，大部分氣泡隨著水流運(yùn)動(dòng)至下游直到排出管外，使得管內(nèi)氣泡或氣囊的體積逐漸減小，故而含氣率的峰值較小，含氣率分布的也很疏松。為了探明不同坡度下整個(gè)管路含氣率的分布規(guī)律，將逆坡管路不同坡度下的3、5、7號(hào)電極處的截面平均含氣率繪制于圖6中。從圖6中可以看出，坡度越大，不同時(shí)段的平均含氣率值越?。涸趖=0～50 s，隨著坡度由-1/60→-1/30→-1/20→-1/10時(shí)，平均含氣率由10.6%→8.8% →6.8%→5.4%，含氣率減小了5.2%；在t=150～200 s，隨著坡度的增大，管內(nèi)平均含氣率減小了5.5%。如圖6還可知，在不同時(shí)刻時(shí)所測(cè)得的3個(gè)電極的平均含氣率各不相同，有高有低的原因是：在平均值較大的時(shí)間段中氣囊可能靜止在管壁上使得峰值均較大且含氣率分布較密集，故而所求得的平均含氣率較大；在平均含氣率較小時(shí)，管內(nèi)氣泡或氣囊隨水流緩慢向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)所測(cè)得的含氣率大小分布疏松，一部分水流經(jīng)過(guò)時(shí)所測(cè)得含氣率基本為0，故而此時(shí)求得的含氣率平均值較小。

圖5 H=35 cm時(shí)逆坡管路含氣率大小隨坡度的變化Fig.5 H=35 cm, Negative slope slope pipeline gas rate size along with the change of slope

圖6 逆坡管路不同時(shí)段截面平均含氣率隨坡度的變化Fig.6 Negative slope pipeline section average rate of gas in the different periods along with the change of slope

圖7為H=35 cm時(shí)正坡管路中3號(hào)環(huán)形摻氣電極處所測(cè)得的含氣率特征隨坡度的變化規(guī)律，有圖7可知，正坡管路內(nèi)截面含氣率隨坡度的增大而減小。在坡度從i= 1/60增大為i= 1/10時(shí)，3號(hào)電極最大含氣率從26.5%減小到了21.4%，減小了5.1%。由圖7還可知，隨著坡度的增大，所測(cè)得含氣率分布較疏松，這是因?yàn)殡S著坡度的逐漸增大，管內(nèi)的偽空化現(xiàn)象逐漸減弱，水流的挾氣能力增強(qiáng)，使氣泡析出的體積變小，所以所測(cè)得的管道含氣率變小，峰值出現(xiàn)的頻率也有所減小，含氣率分布較為疏松。圖8為正坡管路不同坡度下3、5、7號(hào)電極處的截面平均含氣率隨時(shí)間的變化，與逆坡變化規(guī)律一致，不同時(shí)段的平均含氣率值均隨坡度的增大而減小，坡度越大，平均含氣率的值越小。在t=100～150 s，隨著坡度由1/60→1/30→1/20→1/10時(shí)，平均含氣率由16.3%→14.2% →13.4%→10.8%，含氣率減小了5.5%；在t=250～300 s，隨著坡度增大，平均含氣率由15.9%減小到9.6%，含氣率減小了6.3%。由上可知，在正坡管路中含氣率隨坡度的增大而減小。

2.3 坡度對(duì)管內(nèi)流型的影響

隨著虹吸管安裝高度的增大，上行管、下行管和中行管段壓強(qiáng)逐漸降低，自然水中少量肉眼看不見(jiàn)的極微小且不溶解于水的氣核，由于氣核內(nèi)部壓強(qiáng)大于外部壓強(qiáng)而膨脹析出。文獻(xiàn)[6]中對(duì)虹吸管內(nèi)穩(wěn)定虹吸時(shí)管內(nèi)的氣液兩相流流型分為氣泡流(a型氣泡流，b型氣泡流)、過(guò)渡流和氣團(tuán)流三類(lèi)。根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的分類(lèi)方法，分析了本試驗(yàn)中各個(gè)工況下虹吸管路內(nèi)的氣液兩相流流型，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可看出，與文獻(xiàn)[6]規(guī)律一致，隨著上下游水位差H的增大，虹吸管內(nèi)的流型變化較大，i=1/60時(shí)，隨管道水頭的增大，氣液兩相流流型依次經(jīng)歷了氣團(tuán)流、過(guò)渡流和氣泡流流動(dòng)過(guò)程。由表1可看出，傾斜管內(nèi)流型與管道坡度無(wú)關(guān)，如H=75 cm時(shí)，無(wú)論坡度如何變化，虹吸管內(nèi)均為氣泡流；H=45 cm時(shí)，所有坡度下管內(nèi)均為過(guò)渡流；H=25 cm時(shí)，所有坡度下管內(nèi)均為氣團(tuán)流；說(shuō)明坡度的改變對(duì)管內(nèi)氣液兩相流流型并無(wú)影響。但坡度的改變對(duì)逆坡布置的虹吸管路能否穩(wěn)定虹吸影響顯著，當(dāng)坡度i≤-1/20，H≤10 cm時(shí)，逆坡管道在低水頭作用下易斷流，再如在i=-1/60時(shí)，在H≤20 cm的工況下便已發(fā)生斷流現(xiàn)象，說(shuō)明隨著坡度的減小，斷流現(xiàn)象加劇。但是在正坡管路中，坡度改變時(shí)在不同水頭差下均無(wú)斷流現(xiàn)象發(fā)生。由上說(shuō)明，坡度的改變對(duì)虹吸管內(nèi)流型并無(wú)影響，僅與逆坡管路在較低水頭差下能否穩(wěn)定虹吸有關(guān)。

圖7 H=35 cm時(shí)正坡管路的含氣率大小隨坡度的變化Fig.7 H=35 cm, Positive slope pipeline gas rate size along with the change of slope

圖8 正坡管路不同時(shí)段截面平均含氣率隨坡度的變化Fig.8 Negative slope pipeline section average rate of gas in the different periods along with the change of slope

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)系列試驗(yàn)觀測(cè)了中行管路傾斜布置的虹吸管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)現(xiàn)象、含氣率、氣液兩相流流型等水力特性，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同坡度下管內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象、含氣率、流型進(jìn)行了探討和分析。結(jié)果表明，無(wú)論在正坡管路還是逆坡管路中，隨著坡度的逐漸增大，中行管內(nèi)氣泡的大小逐漸變小，數(shù)量逐漸減少，管內(nèi)氣泡的流動(dòng)速度逐漸加快。正坡及逆坡管道中，坡度越大，中行管內(nèi)的最大含氣率及平均含氣率越小。虹吸管內(nèi)的流型與中行管段的布置方式(正坡、逆坡)及坡度的大小均無(wú)關(guān)系，但坡度的改變對(duì)逆坡管路能否穩(wěn)定虹吸產(chǎn)生影響。研究結(jié)果為揭示中行管段傾斜布置的虹吸管內(nèi)氣液兩相流水力特性的影響機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

表1 不同工況下的氣液兩相流流型Tab.1 Gas-liquid two-phase flow pattern under different conditions

注：表中1為氣泡流(1a為a型氣泡流，1b為b型氣泡流)；2為過(guò)渡流，3為氣團(tuán)流，-為斷流。

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