虹吸負(fù)壓輸送是流體輸送的一種有效方式,與無壓明渠輸送、有壓管道輸送相比,虹吸負(fù)壓輸送雖已有較多成功改造應(yīng)用案例,但因缺乏理論支撐,不被規(guī)劃設(shè)計(jì)院采納,限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用,因而迫切需要展開深入的理論分析和試驗(yàn)研究,給出科學(xué)合理的解釋。在有壓管道輸送中,管壁粗糙度對(duì)水力摩擦系數(shù)的影響十分關(guān)鍵,然而對(duì)于虹吸負(fù)壓輸送,因管道內(nèi)的負(fù)壓真空,管道若出現(xiàn)進(jìn)氣、窩氣和空化等氣相問題將嚴(yán)重影響輸送效果。由虹吸負(fù)壓輸送所揭示的管道輸送能力受進(jìn)氣、窩氣問題的影響,對(duì)于有壓管道(進(jìn)口淺、起伏布置)同樣普遍存在。對(duì)于虹吸負(fù)壓輸水,真空是保證產(chǎn)生虹吸的關(guān)鍵條件。如何防止進(jìn)氣破壞真空?是應(yīng)用和推廣大型虹吸所必須掌握的理論和關(guān)鍵技術(shù)。20世紀(jì)90年代,泉州大禹真空流設(shè)備有限公司翁友彬發(fā)明了虹吸整流器,實(shí)現(xiàn)了虹吸負(fù)壓輸水技術(shù)在輸送管道直徑和管道長度方面的突破。但流體管道虹吸負(fù)壓輸送的機(jī)理尚未明晰,因此,本文圍繞―翁氏虹吸‖輸送理論及關(guān)鍵技術(shù),采用理論分析和試驗(yàn)研究的方法,對(duì)管道進(jìn)氣、管道窩氣產(chǎn)生阻力等氣相問題,以及不同進(jìn)流方式下管道的水力摩擦系數(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)研究,主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.通過對(duì)管道中氣-液兩相流動(dòng)和管道進(jìn)氣、排氣展開文獻(xiàn)研究,提出管道內(nèi)氣體進(jìn)氣與排氣的平衡控制理論,并以此基礎(chǔ),作者首次對(duì)―翁氏虹吸‖在工程中解決管道內(nèi)的氣相問題進(jìn)行了系統(tǒng)地機(jī)理分析和論述,研究發(fā)現(xiàn)管道進(jìn)水口采用多孔整流器顯著降低了所需的臨界淹沒深度,有效消除了進(jìn)口處的吸氣旋渦,從而避免了管道入口進(jìn)氣。2.通過分析管道內(nèi)易出現(xiàn)窩氣的位置,基于現(xiàn)有的滿管流理論,首次提出了考慮工程管道出現(xiàn)氣體窩積情況下的阻力公式,并就窩氣情況下管道系統(tǒng)的阻力系數(shù)變化規(guī)律展開了理論分析,并搭建了虹吸試驗(yàn)臺(tái)和一套全透明的復(fù)雜起伏管路對(duì)管道不同進(jìn)流方式、管道帶氣和不帶氣情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究。初步對(duì)比試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)采用虹吸負(fù)壓進(jìn)流可獲得更低的管道摩擦系數(shù)。初步試驗(yàn)揭示了管道內(nèi)氣體窩積會(huì)造成管路阻力增加的機(jī)理,觀測(cè)了管道局部窩氣后的流動(dòng)過程、氣泡變化狀態(tài)和水躍流動(dòng)等流動(dòng)現(xiàn)象。3.針對(duì)負(fù)壓對(duì)管道摩擦系數(shù)的影響規(guī)律,搭建了一套測(cè)試管路展開了深入的測(cè)試研究,得到了負(fù)壓情況下水力光滑管道的水力摩擦系數(shù)(雷諾數(shù)R_e≤6*10~5),與Nikuradse的試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在明顯差別,首次試驗(yàn)測(cè)得高雷諾數(shù)(對(duì)應(yīng)高佛汝德數(shù))下虹吸負(fù)壓管道的摩擦系數(shù)比常規(guī)情況下低25%-30%。而且對(duì)摩擦系數(shù)隨雷諾數(shù)變化的趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn):與常規(guī)正壓流動(dòng)相比,虹吸負(fù)壓流動(dòng)情況下層流與紊流過渡具有鮮明不同的特點(diǎn),表現(xiàn)為低雷諾數(shù)下(對(duì)應(yīng)低佛汝德數(shù))水體中溶解性氣體的析出對(duì)流動(dòng)帶來的重要影響。4.空化是造成輸水管道內(nèi)氣泡存在的重要方式之一,本文對(duì)虹吸管道中的空化現(xiàn)象進(jìn)行了深入調(diào)查、分析、試驗(yàn)和總結(jié),對(duì)虹吸中的溶解性氣體析出和空化,首次采用不同管徑和試驗(yàn)裝置進(jìn)行了高揚(yáng)程的虹吸試驗(yàn)研究,詳細(xì)觀測(cè)和分析了虹吸弧頂所發(fā)生的空化氣泡特性及其發(fā)展變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)微小空化泡合并形成的大氣泡是造成虹吸破壞和管路斷流的根本原因,因此提出在弧頂設(shè)計(jì)和安裝穩(wěn)流器將有助于保證高揚(yáng)程虹吸的穩(wěn)定性。通過空化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),常規(guī)自然虹吸高度不能超過一個(gè)大氣壓約10米水柱,其根本原因是天然水體本身含有大量氣核。通過改進(jìn)虹吸管道的設(shè)計(jì)雖然能夠在一定程度上提升虹吸高度,但不能從根本上突破一個(gè)大氣壓的限制。若改用其它不含氣的液體介質(zhì)(即具有較高的抗拉強(qiáng)度),虹吸輸送則可以突破一個(gè)大氣壓,從而充分發(fā)揮虹吸負(fù)壓輸送和重力流的優(yōu)勢(shì)。5.對(duì)―翁氏虹吸‖輸水工程進(jìn)行了典型案例研究。通過黃石垅水庫垮壩引水工程改造和平頂山輸水工程改造前后的詳細(xì)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,展示了―翁氏虹吸‖在工程應(yīng)用中快速有效調(diào)水的突出效果,通過現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的深入分析,發(fā)現(xiàn)工程中負(fù)壓情況下大型管道的摩擦系數(shù)和大型整流器的阻力系數(shù)均處于較低的水平。論文還深入分析了一個(gè)抽水蓄能電站廠房共振的特殊案例:對(duì)其現(xiàn)場測(cè)試典型部位的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析,對(duì)其內(nèi)部發(fā)生的水力共振問題進(jìn)行了討論和評(píng)估,指出包含相位共振在內(nèi)的動(dòng)靜干涉以及與大負(fù)荷尾水管渦帶的耦合共振是導(dǎo)致張河灣廠房出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)以及噪聲大的主要原因,并針對(duì)該案例提出了故障診斷和改造可采取的措施和建議。2013年至2018年,該案例已由國家電網(wǎng)和GE水電成功地進(jìn)行了故障診斷和改造,也驗(yàn)證了作者的理論分析和改進(jìn)建議。對(duì)比改造前后轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn):改造后的轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)通過增加與導(dǎo)葉之間的間隙等,顯著降低了無葉區(qū)的壓力脈動(dòng),有效消除了先前的振動(dòng)和噪聲。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U173.91
【部分圖文】：

圖 1-1 河南平頂山石龍區(qū)供水工程管道運(yùn)行工況變化Fig. 1-1 Change of the pipe operating points of the water supply project for Shilong district inPingdingshan city of Henan province根據(jù)經(jīng)典的管道阻力損失理論，即管道的阻力損失 Δh 由沿程阻力損失 局部水力損失 Δhm組成：2f m 0Δh = Δh + Δh = S Q L (1任何一個(gè)復(fù)雜的管道系統(tǒng)，可定義阻力系數(shù)0K = S L ，表征管道系統(tǒng)的阻性�？芍讦不變的情況下，流量Q若要增加25%，阻力系數(shù)K須降低56.25要指出的是：反推出來的工程實(shí)際流體管道內(nèi)阻力系數(shù)，是考慮了存在氣體等復(fù)雜情況下的阻力系數(shù)，而非設(shè)計(jì)或研究機(jī)構(gòu)提出的純滿管流管道阻力系見二者存在較大差別。于景洋等[2]研究也認(rèn)為，目前對(duì)大口徑預(yù)應(yīng)力鋼筒混管(PCCP 管)的沿程水頭損失計(jì)算推薦的粗糙系數(shù)值偏大，但缺少科學(xué)試驗(yàn)。

Δh = Δh + Δh = KQ = SQ L2 2f m 1 1 1 12 2f m 2 2 2 2Δh = Δh + Δh = K Q =S Q L ：2 1K = 1.5625K 2 1S = 1.5625S 司已有數(shù)百計(jì)的成功應(yīng)用案例，均能夠證明復(fù)雜管道系統(tǒng)經(jīng)過長時(shí)輸送流量下降 25%左右。而通過采用虹吸負(fù)壓輸送裝置，可有效地道內(nèi)的氣相問題，使得流量 Q 又恢復(fù)到管道初始運(yùn)行的水平（流量使管道系統(tǒng)從運(yùn)行工況 OP 2#自動(dòng)恢復(fù)到運(yùn)行工況 OP 1#。那么，工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)提出了對(duì)于存在進(jìn)氣、窩氣風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際管道運(yùn)行，尤，管道中存在窩氣阻力，由于窩氣造成的阻力系數(shù)增加約 60%左右

管道內(nèi)氣相問題會(huì)造成系統(tǒng)運(yùn)的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，從水力機(jī)械及系統(tǒng)安內(nèi)氣相問題，并提出有效的技術(shù)方案進(jìn)道輸送能力下降、阻力增加等問題的根和空化流動(dòng)等復(fù)雜的氣液兩相流動(dòng)現(xiàn)象滿管單相流動(dòng)管道設(shè)計(jì)理論？這些科究。點(diǎn)。由于一般工程管道系統(tǒng)都很復(fù)雜且理尚未完全掌握。本課題組受企業(yè)的委述采用虹吸技術(shù)進(jìn)行改造所取得突出效η~Q
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2847602