排氣閥設置對長距離輸水管道內壓強及流速的影響研究

周 斌,馬曉麗

(1.甘肅省臨夏回族自治州水務局,甘肅 臨夏 731100; 2.甘肅省臨夏回族自治州廣河縣水務局,甘肅 臨夏 731300)

0 前 言

水的供應與城市的發展緊密相連,是影響城市快速發展的重要因素。隨著經濟發展和社會進步,人們對供水服務的水質、水量和供水穩定性要求越來越高,用水和供水的矛盾日益突出[1]。大量的實踐證明,長距離輸水工程是解決城市日益增長的生活生產用水與城市水資源匱乏之間矛盾的最有效技術手段之一[2]。但長距離輸水工程由于地勢起伏變化大,管線布設隨地形蜿蜒起伏,導致管道內水力過渡過程不穩定,管道內壓力變化劇烈,容易引發氣體堵塞和出流不均勻,嚴重時可導致爆管等事故[3-4]。因此,如何通過合理的技術手段提高供水管路系統的安全性與可靠性,是長距離輸水工程在設計之初考慮的重要問題,也使得管道內氣液兩相流動特性的研究受到越來越多的學者關注和重視[5-6]。

供水管道在首次通水或因故排空管道后重新投入使用時,均需對管道進行充水[7],但管道充水過程中存在著水柱分離現象和因充水過快而帶來的氣堵問題,使管道內形成氣液兩相流動[8-9]。而管道存氣不僅是誘發水擊造成爆管的主要因素之一[10],也會增加供水的動力消耗,影響輸水穩定性。因此,通過合理設置排氣系統,排出長距離輸水管道中的氣體,降低氣體帶來的不利影響,是提高整個輸水系統平穩運行的關鍵。排氣閥設置是長距離輸水系統中防止氣阻及爆管,降低水錘不利效應的有效手段,國內外許多學者也開展了相關研究[11-13],但對于管道充水過程中排氣閥設置引起的管道內流動速度及壓強的變化還鮮有報道。

基于此,本研究以甘肅省臨夏回族自治州(簡稱“臨夏州”)引黃濟臨供水工程起伏最大管段(二泵站—高位水池,管線長度2.90 km,設計總揚程97.38 m)為研究對象,選取特征斷面和剖面,采用數值模擬的方法,研究在實際工況流量(0.539 m3/s)條件下,排氣閥設置前后管道內水流流態、壓強和流速的動態變化,以期為管路設計和安全、節能運行提供理論支撐。

1 管道模型與數值方法

1.1 管道幾何模型

為研究排氣閥設置對管道內水流特性的影響,對引黃濟臨供水工程二泵站-高位水池2.90 km的管段進行建模,管道直徑1.10 m,設置6個橫斷面和4個縱向剖面進行監測,如圖1所示。由于水流從二泵站流向高位水池,根據預試驗結果,在距離二泵站較遠的高位水池附近設置的觀測斷面較密集,來研究管道內水流流動特性。

圖1 研究管段及選取斷面與剖面

1.2 湍流模型

由于管道內水流速度較低,為不可壓縮流體,因此管道內流場特性的控制方程采用不可壓縮雷諾平均方程(RANS),湍流模型采用標準的k-ε模型,其具體形式為[14]:

(1)

(2)

式中:Cμ為經驗系數,取0.09。σk為k的湍流普朗特數,1.00;σε為ε的湍流普朗特數,1.20;C1和C2為ε方程中的常數,分別為1.44和1.92。Gk為平均速度梯度引起的湍動能產生項,其可由下式確定

(3)

湍動能的耗散率ε可以寫作:

(4)

渦黏系數μt可以表示為k和ε的函數:

(5)

1.3 VOF多相流模型

常見的多相流模型有VOF模型、Mixture模型和Eulerian模型等,在VOF模型中,不同的流體組分共用一套運動方程,通過定義一個相體積分數變量來實現歐拉網格下每一個單元相界面的追蹤,可以直接計算所有相的運動情況,間接推導界面的運動狀況,避免追蹤相界面時遇到界面運動和變形困難[15]。主要適用于自由水面、分層流動、液體中的懸浮大氣泡運動以及潰壩水流等的計算,能夠較好地捕捉自由表面。因此,為了研究管道內可能存在的滯留氣體對供水管道內水流流動特性的影響,本文采用VOF法進行數值計算。

1.4 網格劃分

為了提高計算精度,本研究采用六面體結構化網格進行劃分,對圓管截面進行“O”型剖分,管道截面網格和主體管路網格如圖2所示。在管道壁面添加15層編輯層網格,距離壁面第一層網格高度為4.3×10-5m,滿足標準k-ε模型要求的y+<30。為了驗證模擬的網格無關性,對46.3萬、58.9萬和65.6萬三套網格的計算結果進行分析,發現58.9萬和65.6萬網格方案的計算結果較為接近,管道內壓降基本保持恒定,差異在2%以內,考慮計算的經濟性,最終選定網格單元數為58.9萬的計算方案進行后續數值分析。

圖2 管道截面和主體管道細部網格

1.5 邊界條件與計算方法

邊界條件是否準確對數值計算結果的可靠性影響較大,因此在應用數值計算方法求解輸水管道內流場特性時,必須給定恰當的邊界條件。本研究中采用在實際運行過程中二泵站測得的流量、壓強、前池水位等參數,作為計算域的進口邊界條件,但以工程運行工況下的壓強為進口邊界條件所得管道內流量較實際值偏大,這對于管道內流場特性的分析將產生較大影響。因此進口邊界條件采用質量流量進口,即具有一定質量流量的水流沿垂直于進口方向進入計算區域,取單管實際運行工況下的質量流量0.539 m3/s進行分析。采用壓力出口邊界條件,壓強為大氣壓,相對壓強為零。管道壁面邊界條件為靜止的無滑移壁面邊界,由于水流具有黏性,因此與管道壁面接觸的水流相對速度為零,且認為管道壁面與周邊沒有物質和能量交換。近壁面采用非平衡的壁面函數法處理。

質量、動量控制方程采用改進的QUICK格式進行離散,改進的QUICK格式可減少擴散誤差,計算精度較高,穩定性好[16]。速度與壓力耦合采用PISO算法,PISO算法是基于校正壓力與速度之間的高度近似關系算法,求解結果精度較高[17]本研究中采用ANSYS Fluent 17.0 商業軟件完成數值模擬計算。管道在投入使用時的充水排氣過程是一個非穩態過程,但受篇幅限制,本文僅以瞬態模擬管道充水60 min達到穩定后管道斷面和剖面內水流的壓強和速度進行分析。

2 結果分析

2.1 壓強特性

氣液兩相流動是長距離大起伏引輸水管道中容易出現的問題。由于管路中氣體的存在,會引起管路中壓強出現波動,進而產生管路中流動的不穩定。圖3和圖4為管路橫斷面壓強變化,從中可以看出,管路未設置排氣閥時(見圖3),管路近高位水池斷面(1-1、2-2斷面和3-3斷面)氣體淤積較為嚴重,通水后管道截面僅有不到50%為水流,而近二泵站4-4、5-5斷面和6-6斷面管道中氣阻現象不明顯。這主要是因為管道高低起伏,管道在低點的累積氣體會滯留在管道內部,隨著水流向管段末端流動,管內的滯留氣體越來越多,一些氣團無法順利排出,從而影響管道的過流能力。設置排氣閥后(見圖4),管路上部氣體淤積明顯減輕。同時,從圖5和圖6管路縱斷面的壓強變化中也可以看出,管路中各段面設置排氣閥后,管路內1-1、2-2斷面和3-3斷面壓強降低,過流斷面積有所增加,而4-4、5-5斷面和6-6斷面沒有明顯變化。說明4-4、5-5斷面和6-6斷面受氣阻影響較小,可以不設置排氣閥。初步分析主要是由于4-4、5-5斷面和6-6斷面靠近二泵站,地勢起伏較小,水泵產生的水壓力大于管路內氣阻壓力;而1-1、2-2斷面和3-3斷面近高位水池,地勢起伏較大,同時受到管路沿程水頭損失、局部水頭損失和未設置排氣閥產生的累積氣阻的影響,水泵產生的水壓力受到管路內氣阻的影響逐漸增大,因此,設置排氣閥前后管道內壓力變化較大。

圖3 斷面壓強(未設排氣閥)

圖4 斷面壓強(設置排氣閥)

圖5 剖面壓強(未設排氣閥)

圖6 剖面壓強(設置排氣閥)

圖5和圖6顯示了管道內縱向剖面1-1至4-4剖面在設置排氣閥前后壓強的變化。可以看出,未設排氣閥時管道內水流和氣體流同時存在,因氣體的可壓縮性,導致管道內流體壓力較大,監測橫截面壓強在60 654～254 257 Pa。當設置排氣閥后,管道截面壓強降低至50 465～234 541 Pa,最大可降低 19 986 Pa,而1-1、2-2、3-3斷面和4-4剖面管道內流體最小壓強較設置排氣閥前分別下降了10 546、9 104、9 106 Pa 和9 107 Pa,同時管道內液體的流動均勻性較好,很大程度上保證了管道的安全。

2.2 流速特性

圖7為實際運行工況下二泵站—高位水池段管道未設空氣閥和設置空氣閥兩種工況下的關鍵斷面速度矢量。從中可以看出,管道未設排氣閥時,1-1斷面和2-2斷面內水流存在不同程度的回流,從而在管道內部形成旋渦,加大了水流在管道中流動的摩擦阻力和局部阻力,大大增加管路輸水系統的動力消耗和運行成本。當管道內設排氣閥后,1-1斷面和2-2斷面除靠近壁面邊界層區域外,中心區域的水流近似均勻直線流,大小較為接近,方向基本平行,斷面的回流的旋渦消失,管道內形成良好的內部流動,各斷面中心區域的水流速度分布更為均勻(見圖8)。

圖7 關鍵斷面速度矢量

圖8 2-2斷面流速

圖9和圖10為實際運行工況下二泵站—高位水池段管道內設置空氣閥前后4-4剖面流速云圖和矢量圖。從圖9中可以看出,管道未設排氣閥時,由于氣體的存在,管道內液體流動不均勻、不平穩,管道內局部速度突變,容易引起管道振動,嚴重時會產生劇烈的振動,管道在長時間的振動作用下,易導致連接處松動漏水甚至管道斷裂,從而會降低管道的使用壽命。管道設排氣閥后(見圖10),在管道的彎曲處,流速矢量圖反饋出其水流流動方向相互平行,管道內水流均勻性和平穩性增加,水頭損失大大減小,有利于工程的節能運行。此外,設置排氣閥后管道斷面的平均流速為0.59 m/s,與設計理論值0.57 m/s 較為接近,而斷面平均流速的實際值較理論值偏大的主要原因是數值模擬建模時忽略了管道部分起伏轉折點。可見,設置排氣閥對長距離起伏輸水管路系統的節能安全運行具有重要意義。

圖10 4-4剖面流速及矢量(設置排氣閥)

3 結 論

(1) 不設置排氣閥時,管道液體流動不均勻,管道起伏段出現較多的滯留氣團和多點局部聚集氣體現象,引起了管道內流態的惡化,產生旋渦;設置排氣閥后,整個管道內流態近似均勻直線流,流態穩定,斷面速度分布均勻。

(2) 不設置排氣閥時,管道截面內因氣體淤堵有效過流斷面面積不到50%;設置排氣閥后,有效過流斷面面積增大至整個管道截面,管道輸水能力增加。

(3) 不設置排氣閥時,管道橫截面壓強在60 654～254 257 Pa,設置排氣閥后管道截面壓強降低至50 465～234 541 Pa,最大可降低 19 986 Pa,有利于管路系統的節能安全穩定運行。