坡度對虹吸管路氣液兩相流動水力特性影響試驗研究

張小瑩，李 琳，譚義海，吳洋鋒

(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

由于近年來全球氣候變化異常，大范圍少量降雨和局部單點暴雨的發生頻率越來越高,導致抗旱、水庫應急搶險等防災減災的工作任務越來越重。虹吸管道以其輸水不受布置條件的限制，路線布置簡便，施工工程量節約，保證正常供水的優點成為許多工程首選的輸水管路[1-3]。在坎兒井式地下水庫中，長距離、大真空度的虹吸式輸水管道是其重要組成部分,其相關水力特性與短距離駝峰式虹吸管路不同,但與其相關的研究報道甚少[4,5]。本課題組成員對真空度較大、平坡布置的正虹吸管道進行了以下研究：通過試驗研究發現，隨著虹吸管道的安裝高度逐漸增大，虹吸管內的汽化愈發嚴重(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]。以上研究僅僅是對平行管路平坡布置的虹吸管路進行研究，并沒有對中行管傾斜布置時坡度的改變是否會對氣液兩相流動水力特性存在影響。然而，筆者發現當虹吸管中行管路傾斜布置時，管內氣泡或氣囊的分布和運動規律隨坡度的改變而改變。文章通過系列實驗觀測了正坡及逆坡管路不同坡度下虹吸管內的氣液兩相流動現象、流型的變化及氣體分布情況，對管徑為2 cm的不同坡度下管內氣液兩相流動現象及流型的變化進行了探討和分析，本課題組成員在前期研究中已針對管徑為d=3 cm的長距離正虹吸管路進行了流動現象、流型及含氣率的量測，在管徑較大時管內流動現象、流型及含氣率隨坡度的變化與d=2cm時并無差異。故本試驗結果擬為揭示中行管傾斜布置的正虹吸管內氣液兩相流動特性奠定基礎。

1 試驗裝置及試驗工況

圖1為本試驗的試驗裝置圖。其中圖1(a)為管路正坡布置的試驗示意圖、圖1(b)為管路逆坡布置的試驗示意圖。如圖1所示，整個虹吸管路由上行管、中行管、下行管組成，材料用管徑d=2 cm的有機玻璃管制成。安裝高度hs為6 m時進行不同坡度的試驗。將中行管段傾斜放置，逆坡布置時坡度為負，順坡布置時坡度為正，本實驗共設置10個不同坡度，不同坡度下傾斜管段的長度均為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，長度由實際安裝高度決定，在整個虹吸管路從上游至下游分別布置9個環形摻氣電極(上行管段2個，中行管段5個，下行管段2個)，如圖1中1～9所示。整個試驗裝置由上游水箱、虹吸管路及下游水箱組成，在上游水箱中布置一個溢流堰，用來恒定上游水位，在下游水箱內布置一個20° 開口三角形薄壁堰，用來量測虹吸管道內的過流量。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Test device diagram

試驗分別在坡度為i=±1/60，±1/30，±1/20，±1/15，±1/10等10個坡度；上下游水位差為H=5，10，15，20，25，30，35，45，55，75，95，115，135 cm等13個水頭差下進行。試驗步驟如下：

(1)確定上下游水位差H。

(2)開始對環形摻氣電極進行率定。環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數據采集系統相應的通道口均為聯通狀態，在電腦桌面上點擊“開始采集”按鈕進行數據采集，待采集結束后，提取數據進行處理。此外，在管道內為液相滿流狀態時以上述同樣的步驟進行率定，若空管時所測得含氣率為100%，滿管時所得含氣率為0，則說明儀器可以正常使用，可開始后續試驗。

(3)保證虹吸條件。用水泵A向水箱抽水直至溢流狀態，再用水泵B連接上行管管口進行充水排氣，至管內完全被水流充滿后將水泵B移出水箱，流經下行管段的水流流進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，如此水流達到循環狀態。

(4)待虹吸過程穩定一段時間后開始進行含氣率的量測并拍攝和記錄虹吸管內氣液兩相流動的試驗現記錄虹吸管內的流動現象及流型。

2 試驗結果分析

2.1 坡度對傾斜管道內流動現象的影響

通過對傾斜管道內試驗現象的觀察發現，坡度i不變時，隨著上下游水位差H的增大，管內的氣泡體積、數量均減少，管內偽空化現象減弱，以上現象與文獻[6]所述試驗現象均一致，故不再贅述。本節主要研究上下游水位差H不變時，坡度的改變對管內氣液兩相流動現象產生的影響，選擇以H=35 cm工況為例對傾斜管內流態進行描述，其余工況下管內流動現象隨坡度變化所呈現的規律與H=35 cm一致。

在傾斜管道內，不同坡度下管內的流動現象不相同。圖2為管路逆坡布置時，不同坡度下中行管道內流態的示意圖。圖2(a)為坡度i=-1/60時管內流動現象，此時管內氣泡數量很多，從上游析出的氣泡在中行管道前半段時氣泡體積大約為4～5 mm，整個管壁上附著大量的1 mm左右體積較小的氣泡，在流動的過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，氣囊運動速度緩慢，且體積不斷增大，當氣囊貫穿整個斷面時管路發生斷流。當坡度逐漸增大為i=-1/30時，流態如圖2(b)所示，從圖中可看出，在管壁上附著的氣泡數量明顯減少，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時有所減小，在整個管道沿程分布的氣囊體積變小，管內氣泡的速度加快。當坡度i=-1/10時，如圖2(c)所示整個管道附著的氣泡數量和體積都有所減少，要分布在管壁的上半部分，許多小氣泡還來不及析出就被水流帶向下游，管內氣泡的運動速度變大。圖3為逆坡管路中不同坡度、相同區域處管內的流態。3(a)為在傾斜管道首端A區域處管內的流態，由上行管路流入中行管的氣核開始析出，許多體積較小的氣泡附著在管壁上，在i=-1/60時，管道上部析出約為5 mm的氣泡隨水流向下游運動；i=-1/30時，隨水流運動的氣泡體積約為2～3mm，隨著坡度的逐漸變大，管壁上附著的氣泡數量逐漸減小，當i=-1/10時，管道上部的氣泡減小為1 mm左右，且管壁上氣泡體積小數量少。圖3(b)為傾斜管道靠近末端B區域處管內的流態，在此處可明顯看出管內氣泡流態較為惡劣，且氣囊的體積也較大，i=-1/60時，大氣囊約40 cm長，氣囊周邊附著小氣泡；當i增大到-1/30時，管內氣囊體積減小到15 cm；當坡度變為i=-1/10時，邊壁上附著的小氣泡數量明顯減少，且管內已由氣囊轉變為氣泡，氣泡大小約為4 cm。

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

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

中行管路正坡布置時，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動，這一現象與逆坡管路一致。與逆坡管路不同的是，正坡管路虹吸一段時間后，聚集在管內的大氣囊開始以很緩慢的速度向上游運動，即氣泡運動方向與水流方向相反；當氣囊運動方向與水流流動方向相反時，只有少部分的水流穿過大氣囊流向下游。正坡管路中不同坡度下氣囊開始向上游運動時的大小也不相同；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，不同坡度下相同區域內的管內流態。如圖4所示，當i=1/60時，管內氣囊大小為50～60 cm；當坡度增大到i=1/30時，氣囊減小到30～40 cm；當坡度變為最大i= 1/10，氣囊的大小為20～30 cm。由上可知，當上下游水頭差H不變時，中行管道內流動狀態與坡度密切相關；中行管段無論逆坡還是正坡布置時，坡度不同，中行管路內的氣液兩相流動現象也不相同。無論逆坡還是正坡管路中，坡度越大，管內流動狀態越穩定；隨著坡度的增大，中行管內氣泡數量、體積有所減小，管內真空度減小，偽空化現象減弱，管路壓力變大，析出的氣泡對水流阻力逐漸減小，氣泡的流速逐漸加快。

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

2.2 坡度對管道含氣率的影響

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，隨著坡度的變化，逆坡管路7號環形摻氣電極處所測得的含氣率隨時間的變化規律，由圖5可知，在逆坡管路中，含氣率隨坡度的增大而減小，試驗中坡度從i=-1/60增大至i=1/10時，管內最大含氣率共減小了12.4%，當i=-1/60時，此時管內水流流態惡劣，管內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動或者靜止在管壁上不動，故使得峰值出現的頻率很高且數值很大。當坡度逐漸增大時，管內沿程分布的氣囊體積變小，水流流速變快，挾氣能力增強，使氣泡析出的體積變小，當i=-1/10時，大部分氣泡隨著水流運動至下游直到排出管外，使得管內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管路含氣率的分布規律，將逆坡管路不同坡度下的3、5、7號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，不同時段的平均含氣率值越小：在t=0～50 s，隨著坡度由-1/60→-1/30→-1/20→-1/10時，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，管內平均含氣率減小了5.5%。如圖6還可知，在不同時刻時所測得的3個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，管內氣泡或氣囊隨水流緩慢向下運動，此時所測得的含氣率大小分布疏松，一部分水流經過時所測得含氣率基本為0，故而此時求得的含氣率平均值較小。

圖5 H=35 cm時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時正坡管路中3號環形摻氣電極處所測得的含氣率特征隨坡度的變化規律，有圖7可知，正坡管路內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，3號電極最大含氣率從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，所測得含氣率分布較疏松，這是因為隨著坡度的逐漸增大，管內的偽空化現象逐漸減弱，水流的挾氣能力增強，使氣泡析出的體積變小，所以所測得的管道含氣率變小，峰值出現的頻率也有所減小，含氣率分布較為疏松。圖8為正坡管路不同坡度下3、5、7號電極處的截面平均含氣率隨時間的變化，與逆坡變化規律一致，不同時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，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 坡度對管內流型的影響

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逐漸降低，自然水中少量肉眼看不見的極微小且不溶解于水的氣核，由于氣核內部壓強大于外部壓強而膨脹析出。文獻[6]中對虹吸管內穩定虹吸時管內的氣液兩相流流型分為氣泡流(a型氣泡流，b型氣泡流)、過渡流和氣團流三類。根據文獻[6]中的分類方法，分析了本試驗中各個工況下虹吸管路內的氣液兩相流流型，結果見表1。由表1可看出，與文獻[6]規律一致，隨著上下游水位差H的增大，虹吸管內的流型變化較大，i=1/60時，隨管道水頭的增大，氣液兩相流流型依次經歷了氣團流、過渡流和氣泡流流動過程。由表1可看出，傾斜管內流型與管道坡度無關，如H=75 cm時，無論坡度如何變化，虹吸管內均為氣泡流；H=45 cm時，所有坡度下管內均為過渡流；H=25 cm時，所有坡度下管內均為氣團流；說明坡度的改變對管內氣液兩相流流型并無影響。但坡度的改變對逆坡布置的虹吸管路能否穩定虹吸影響顯著，當坡度i≤-1/20，H≤10 cm時，逆坡管道在低水頭作用下易斷流，再如在i=-1/60時，在H≤20 cm的工況下便已發生斷流現象，說明隨著坡度的減小，斷流現象加劇。但是在正坡管路中，坡度改變時在不同水頭差下均無斷流現象發生。由上說明，坡度的改變對虹吸管內流型并無影響，僅與逆坡管路在較低水頭差下能否穩定虹吸有關。

圖7 H=35 cm時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 語

本文通過系列試驗觀測了中行管路傾斜布置的虹吸管內氣液兩相流動現象、含氣率、氣液兩相流流型等水力特性，根據試驗結果，對不同坡度下管內流動現象、含氣率、流型進行了探討和分析。結果表明，無論在正坡管路還是逆坡管路中，隨著坡度的逐漸增大，中行管內氣泡的大小逐漸變小，數量逐漸減少，管內氣泡的流動速度逐漸加快。正坡及逆坡管道中，坡度越大，中行管內的最大含氣率及平均含氣率越小。虹吸管內的流型與中行管段的布置方式(正坡、逆坡)及坡度的大小均無關系，但坡度的改變對逆坡管路能否穩定虹吸產生影響。研究結果為揭示中行管段傾斜布置的虹吸管內氣液兩相流水力特性的影響機制奠定了基礎。

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為過渡流，3為氣團流，-為斷流。

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