有壓輸水管內微氣泡分布特性及控制措施研究

鄒德兵，王一帆，丁 剛

（1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；2.武漢大學水資源工程與調度全國重點實驗室，湖北 武漢 430072）

0 引言

已有研究指出微氣泡直徑介于1～1 000 μm 或亞微米尺度的氣泡，其物理化學特性在污水處理、生物醫藥、船舶減阻等領域受到了廣泛關注［1］。當前，城市供水項目的興建使有壓輸水管道日益增多，而微氣泡的數量和尺寸會對水廠水處理工藝和輸水管道的安全運行產生顯著影響［2］：均勻的直徑小于50 μm的微氣泡可以增加曝氣效率［3］，而較大的微氣泡則容易在管道中聚集形成大型氣泡，增加管道水頭損失，降低通水能力，危害輸水管道運行安全，降低水廠設備工作效率。這使得對有壓輸水管道中的微氣泡進行觀測和控制的相關研究成為必要。曹命凱等［4］研究了長距離有壓輸水管道充水過程中排氣不盡的影響，認為管道充水時排氣不盡或管道入口摻混氣體，會影響輸水效率并增加爆管風險，可以通過控制充水方式和設置排氣閥方式排出；楊誠志［5］則對氣泡運動規律進行研究，總結了氣泡起動流速與氣泡大小的量化關系。

當前對水流中微氣泡進行觀測的方式主要有激光成像法［6］、PIV 法［7］、探針法［8］、高速攝影圖像法等［9-12］。其中高速攝影圖像法因其測量的非接觸性以及設備維護簡單，適合有壓輸水管道模型試驗的水流微氣泡測量。現有相關研究往往偏于理論研究，一般利用特定試驗管道模型進行測試與分析，并未與實際工程運行直接關聯。本文以深圳市北坑水庫配套輸水工程為例，基于高速攝影圖像法和水工模型實驗對有壓輸水管內微氣泡在消力池消能效果、輸水流量變化時的分布特性進行了研究，并提出了合理的有壓輸水管內微氣泡控制措施。

1 微氣泡分布特性試驗方案

1.1 工程概況

北坑水庫壩址位于深汕特別合作區赤石河上游峽谷出口，是深圳市水源規劃布局中“三蓄”水庫之一。其配套輸水工程由輸水隧洞段、隧洞出口消力池與有壓輸水埋管段構成，上游起點為北坑水庫，下游終點為中心水廠。輸水隧洞段長8.93 km，隧洞洞徑2.4 m，隧洞出口中心線高程56.6 m；消力池控制水位60.3 m；消力池出口接有壓輸水埋管，該處管道中心線高程53.5 m；有壓輸水埋管段長471 m，管道直徑1.8 m，暫定埋管出口中心線高程56.0 m。工程輸水方式為全程有壓重力流輸水，設計引水流量2.5～7.64 m3/s。

1.2 物理模型設計

一般來說，正態模型設計需滿足重力相似準則，且保證水流位于完全紊流區（雷諾數Re≥1 000～2 000），水深大于2 cm。在研究微氣泡的氣液兩相流正態模型試驗中，除了滿足正態模型的各種相似條件之外，還需在調節試驗工況過程中，保證管道壓力緩慢變化。

在模型與原型壓強相似的情況下，模型中的氣泡由于本身尺寸更小，受到壓強影響相對更小，從而使得氣泡直徑在部分長度比尺下并不滿足幾何相似條件。根據郭永鑫、楊開林等的研究成果［14，15］，使用正態模型進行管道氣泡相關試驗時，考慮壓強影響后氣泡在原型與模型中直徑比值λq滿足式（1）：

式中：λl為長度比尺；Pa、Pm分別為標準大氣壓、任意時刻模型氣泡所在位置水壓；

整體模型包括水循環系統、上游水庫、進水塔、輸水隧洞段、消力池、有壓輸水埋管段、下游水廠。其中，輸水隧洞段模型通過阻力環替代部分輸水隧洞，有壓輸水埋管段模型簡化由進口水平段、轉彎及下彎段、出口水平段、出口段組成。進水塔、輸水隧洞段、消力池及有壓輸水埋管段采用透明有機玻璃制作，以滿足管道糙率相似要求及觀測需要。模型完成后的模型過流能力測試結果表明，模型的泄流能力與水頭損失與原型相似，能滿足設計要求。模型布置如圖1所示。

圖1 物理模型布置圖（單位：m）Fig.1 Layout of the design of the model test

1.3 高速攝影裝置及測試原理

模型試驗采用非接觸式的高速攝影圖像法研究氣泡在有壓輸水埋管內的運動過程（包括微氣泡大小、數量等）。將非頻閃LED強光源置于有壓輸水埋管下方，采用VEO高速攝影機對典型管段進行拍攝，利用VEO 攝影機自帶的PCC圖像采集軟件對拍攝圖像進行采集和初步切分，接著對切分后的圖像進行灰度處理，再進一步通過調整霍夫變換算法中圓心的累加器閾值以及邊緣梯度，可以查找不同尺寸微氣泡并計算出其所占像素。最后檢測每幀微氣泡像素與總像素占比以及每幀氣泡數量，并依據圖像中標尺長度計算采樣塊面積，從而計算模型中氣泡實際大小。通過統計模塊給出上述測量結果的統計參數，即可得到該管段的微氣泡數量、直徑等數據。

試驗中采用的高速攝影裝置示意圖如圖2所示。

圖2 高速攝影測試裝置示意圖Fig.2 Schematic of high-speed photography device

1.4 試驗工況

經過前期多次調試，試驗最終選擇典型采樣管段圖像寬度（沿管軸線）為130 mm（模型值），VEO 高速攝影機拍攝參數如下：圖像分辨率1 280×800、攝像速度400 fps，曝光時間1 600 μS，分析采用圖像共2 400幀（6 s）。

通過對輸水埋管運行工作條件的分析，選取如表1所示的4個代表性工況進行試驗。

表1 模型試驗典型工況及控制參數Tab.1 Typical working conditions and control parameters of model test

2 微氣泡分布特性試驗成果

2.1 微氣泡分布特性

模型試驗中，在各工況下調試上下游水位及流量，保證出水口中心水廠水位穩定，使得輸水埋管段穩定運行工作，進而對輸水埋管段微氣泡分布特性進行觀測。各工況進口水平段圖像對比如圖3所示。

圖3 試驗工況下進口水平段圖像對比Fig.3 Comparison of images under test conditions

由圖3 可知，試驗工況下輸水埋管進口水平段內氣泡數量很少，難見直徑大于1 mm 的氣泡，僅工況3［如圖3（c）所示］在圖像中發現了少數直徑較大的氣泡。采用圖像分析軟件進行圖像分析后，得到各工況在拍攝歷時內觀測到的微氣泡大小與總數量對應關系如圖4所示，微氣泡分布特性關鍵參數統計如表2所示。

表2 各工況微氣泡分布特性統計Tab.2 Statistics of the distribution characteristics of microbubbles

圖4 試驗工況下微氣泡分析結果Fig.4 Analysis results of microbubbles under test conditions

通過圖4 和表2 可以發現，隨著測試工況發生變化，微氣泡的分布特性發生了顯著改變，工況1、工況2、工況4 微氣泡面積基本在0.05 mm2以下，工況3 下觀測到的微氣泡面積多大于0.05 mm2。每幀最多同時存在氣泡數量和氣泡總數量也隨著測試工況變化也發生了較大改變。需進一步分析輸水流量和與消力池消能率對微氣泡分布特性的影響。

2.2 消力池消能率對微氣泡分布特性的影響

加入示蹤粒子（示蹤劑）后的工況2 與工況3 消力池流態如圖5所示。

圖5 消力池流態Fig.5 Flow pattern of stilling basin

通過圖5（a）、（b）可以發現，兩工況下示蹤粒子在消力池水體表面分布較均勻，沒有發現表面渦旋。通過圖5（c）、（d）可以發現，兩工況下消力池內均未出現吸氣漩渦，不會導致氣體從消力池表面被吸入輸水埋管。這一現象也表明，有壓輸水埋管內微氣泡主要來源于上游水體進入消力池消能后所形成的殘余氣泡。

通過圖5（c）、（d）中示蹤劑分布可以發現，消力池消能過程中，主流從輸水隧洞進入消力池后直接沖擊消力池內隔板后，分別從隔板過流孔和隔板上緣進入消力池后室再進入輸水埋管。工況2下主流明顯被隔板分為兩股進入隔板后消力池后室發生摻混；工況3 下隔板的分流效果不如工況2 明顯，主流很少穿過隔板過流孔，而是翻越隔板上緣進入消力池后室。同時，工況2 下表面示蹤粒子更加集中分布于靠近下游側，而工況3下表面示蹤粒子則分布相對更均勻，計算兩種工況消能率發現，工況2 消能率為95.69%，工況3 消能率僅為87.01%。可以認為，工況2中由輸水隧洞進入消力池水流能量更大，消能過程中水流擾動更強，而工況3 下消力池內流態平穩，水流擾動很小，主流中包含的微氣泡等更易集中進入消力池下游輸水埋管。

通過以上分析以及圖4 和表2 數據可知：在流量不變時上游庫水位更低的工況，水流在消力池內受到擾動越強，上游水體所含氣泡在消力池內更易散成體積更小的微氣泡，進而使得進入輸水埋管的水流中微氣泡分布密度更低，尺寸更小。

2.3 輸水流量對微氣泡分布特性的影響

由圖4（a）、（b）、（d）可知，增大輸水流量使得管道內微氣泡直徑減小的同時，拍攝歷時內捕捉到的微氣泡總數量先增加后減少。根據表2數據可知，隨著輸水流量的增大，微氣泡占采樣塊面積最大百分比逐漸增加，說明微氣泡分布密度更大。

在有壓輸水埋管進口測得工況1、工況2、工況4 管道中心線流速分別為0.80、1.63、2.35 m/s。分析認為小流量時管內流速很小，使得管內氣泡難以被水流帶出或隨水流運動很慢，使得觀測到的氣泡直徑較大、數量較少；流量增大時，進入管道的微氣泡數量更多，但管內流速也逐漸增大，使得微氣泡不再能附著在管壁，聚集過程也縮短，觀測到的微氣泡直徑減小；流量進一步增大時，流速增大使得微氣泡移動更快，觀測到的微氣泡尺寸變化不明顯，但分布密度變小。

可以認為適當增大管道輸水流量可以有效減少管內微氣泡數量和分布密度。對于本工程而言，在上游水位為98 m 時，輸水流量從2.50 m3/s 增加至5.35 m3/s 時，管道內微氣泡直徑減小，分布密度增加；輸水流量從5.35 m3/s 繼續增加至7.64 m3/s時，微氣泡直徑變化不明顯，但分布密度更小。

3 微氣泡控制措施試驗成果

以微氣泡分布特性試驗成果為基礎，從充水排氣方式、排氣閥設置及改變管道直徑等方面進行了管內微氣泡的控制措施試驗。

3.1 充水排氣方式

根據《給排水設計手冊》［16］，在管道系統初次啟用或檢修重啟時，需要遵循小流量充水原則對管道進行充水排氣。即滿足“盡可能地將充水時的滿管平均流速規定為0.3 m/s，最大不超過0.6 m/s”的情況下，同時也要滿足流速大于不淤流速0.5 m/s，（實際采用流速原型值為0.6 m/s）。為驗證小流量預充水效果，選取微氣泡特性試驗中微氣泡尺寸和分布密度較大的工況3進行對比，對不同排氣方式下（通水流量直接充水和小流量預充水）管道內微氣泡狀態進行觀測。

在上游水庫、消力池、下游水廠水位均穩定后，工況3 運行條件下，不同排氣方式下管道內微氣泡堆積狀態如圖6所示。

圖6 不同排氣方式下管內微氣泡堆積情況Fig.6 Microbubble accumulation with different exhaust methods

充水排氣試驗結果表明，采取通水流量直接充水會產生明顯的微氣泡堆積，雖未形成大型氣泡或氣囊，但對有壓輸水管道的微氣泡控制不利。采取小流量預充水后，管壁沒有觀察到明顯微氣泡附著和堆積，微氣泡控制效果良好。

3.2 設置排氣閥

為研究有壓輸水管道沿程微氣泡狀態，驗證沿程排氣閥對微氣泡控制的有效性，用模型排氣孔對排氣閥進行模擬，根據相關規程及文獻［17，18］，考慮管道起伏轉彎情況，在有壓輸水埋管段進口水平段、轉彎及下彎段彎道前后、出口水平段、出口段控制閥前共設置排氣孔5 處。工況3 管段沿程氣泡狀態對比如圖7所示。對圖8（a）、（c）、（d）的典型測試部位進行微氣分布特性統計，結果如表4所示。

圖7 管道沿程氣泡堆積狀態Fig.7 Microbubble accumulation along the pipe

圖8 不同管徑微氣泡圖像對比Fig.8 High-speed photographic images of microbubbles in different diameter pipes

由圖8 及表3 可知，在沿程設置排氣閥后，水流中微氣泡尺寸和數量均呈現比較明顯的沿程下降趨勢，微氣泡占管道面積總百分比也明顯下降。在水廠內的輸水管道出口，最大微氣泡面積僅0.006 mm2（模型值），說明沿程設置排氣閥可以有效排出直徑較大的微氣泡，對有壓輸水管道內微氣泡數量及尺寸控制有利。

表3 設置排氣閥后各管段微氣泡分布特性關鍵參數Tab.3 Parameters for the distribution of microbubbles in pipeline with exhaust valves

3.3 改變管道直徑

為研究管徑變化下有壓輸水埋管內水流微氣泡的分布特性，將2.4 m 與1.8 m 管徑下管內微氣泡分布特性試驗數據進行了對比。在采取小流量預充水直至設計通水流量后，工況3 進口水平段不同管徑下微氣泡觀測結果對比如圖8所示。微氣泡分布特性關鍵統計參數對比如表3所示。

通過表4 的統計參數可知，當管道直徑為1.8 m 時，有壓輸水管內微氣泡直徑和分布密度均明顯低于2.4 m 直徑管道。在工況3 試驗條件下，2.4 m 直徑管內流速為1.18 m/s，小于1.8 m直徑管內流速1.63 m/s，說明縮小管徑提高流速使得微氣泡在未堆積形成尺寸較大氣泡或氣囊時就被水流帶至下游，使得管內微氣泡尺寸和分布密度減小。

表4 不同管徑微氣泡分布特性統計Tab.4 Statistical characteristics of microbubbles in different diameter pipes

上述分析表明，適當縮小管徑提高管道流速有利于對氣泡尺寸和分布密度進行控制。但由于管道結構和過流能力的限制，輸水管道直徑不能過小，需保證管內流速不大于管道抗沖流速，且滿足過流能力要求。

4 結論

以北坑水庫輸水配套輸水工程水工模型試驗為依托，采用高速攝影圖像法，對有壓輸水管道內微氣泡分布特性及微氣泡控制措施進行了研究，研究結果表明：

（1）在輸水隧洞段出口消力池內未觀測到表面渦旋和吸氣漩渦，有壓輸水埋管內微氣泡主要來源于上游水體進入消力池消能后形成的殘余氣泡。在消能率更高的工況下，較大氣泡在消力池內更易受到擾動被打散成更小的微氣泡，使得進入下游埋管的微氣泡直徑更小，分布密度也更低。

（2）在上游水位98 m，輸水流量從2.50 m3/s增加至5.35 m3/s時，管道內微氣泡直徑減小，分布密度增加；流量進一步增加至7.64 m3/s時，微氣泡直徑變化不明顯，但分布密度下降。

（3）管道初次啟用或檢修后重啟時保證小流量充水，沿程合理設置排氣閥，在滿足防沖要求和過流能力要求的前提下適當減小管徑，均可對有壓輸水管內微氣泡直徑和分布密度進行有效控制。