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PVC球閥對山地灌溉管道水錘特性的影響
來源: | 作者: | 發布時間: 2179天前 | 32 次瀏覽 | 分享到:

    【目的】研究PVC球閥快速關閉時灌溉管道凸起部位的水錘壓力特性欢乐28平台,為灌溉輸水管道工程管理及其優化設計提供依據?!痉椒ā拷⑸降毓喔裙艿滥P?,通過室內研究,測定并分析凸起管道不同位置PVC球閥快速關閉對水錘壓力的影響?!窘Y果】(1)球閥快速關閉時,關閥前流量越大,凸起部位各坡段的水錘壓力*大值均越大;(2)流量相等且關閉時間相同時,凸起部位上游球閥關閉時的水錘壓力*大值大于下游球閥關閉的*大值;(3)流量相等的條件下,同一球閥關閉時,凸起部位各管段水錘壓力隨時間的變化規律相似;(4)流量相等,關閉時間相同時,凸起部位上游球閥關閉時的水錘壓力遞減速率大于下游球閥關閉時的水錘壓力遞減速率欢乐28平台欢乐28平台?!窘Y論】事故工況下欢乐28平台,優先選擇關閉凸起部位下游球閥,優化設計中球閥位置應盡量遠離凸起部位。

    近年來,隨著灌溉技術的發展和農業高效用水的推廣,微灌技術不斷普及,PVC管材由于質量輕、耐腐蝕性強、成本低等優勢欢乐28平台,已經在微灌工程中大量使用,例如PVC球閥因具有水頭損失小欢乐28平台、啟閉靈活等特點而在微灌工程管網中得以廣泛使用。球閥作為一種閥門,主要用以調節和控制流體欢乐28平台,在特殊情況下用來截斷流體欢乐28平台欢乐28平台,在實際工況下球閥處于局部開啟或關閉狀態,其阻力性能不同于全開啟狀態,此時球閥的阻力性能會對響管網的水力性能產生一定影響;特別是在山地灌溉管網中,球閥的開啟狀態對灌溉管道凸起部位的水流特性、水擊壓力變化等產生影響。因此有必要研究灌溉管網中球閥啟閉對管道水力性能、水擊特性等規律的影響。

    國內外專家和學者對各種閥門的性能及其相關參數進行了大量試驗和研究欢乐28平台。戴家齊探討了石油管道閥門的開閉速度,對傳動裝置設計提出了改進意見。黃明亞、鄔佑靖和孫麗等研究分析了國內外閥門的行業現狀欢乐28平台、技術現狀以及發展趨勢。

    袁新明等對閥門流道流場進行了數值模擬及阻力特性研究。鄧海英等研究確定了供水管網在事故時的閥門關閉方案;高紅等模擬研究了球閥閥口氣穴流場。伍悅濱等研究了給水管網中的閥門阻力;萬五一等研究了閥門系統的過流特性及其對瞬變過程的影響。沈新榮等通過數值分析與試驗研究欢乐28平台,分析了調節型球閥的流量特性;陳軼杰等分析了減振器節流閥片對閥門水擊力的影響。賀小峰等研究了球閥閥口的流量特性;蔡標華采用仿真與試驗方法,對艦船首尾移水系統水錘特點進行了研究欢乐28平台。石喜等采用試驗和數值模擬相結合的方法欢乐28平台,研究了PVC球閥的水流阻力特性及流動規律欢乐28平台。Park等利用試驗和數值模擬相結合的方法研究了蝶閥的性能系數。Schmidt等用數值模擬的方法研究了高壓安全閥的水力性能欢乐28平台。Fu等研究了閥門可壓縮氣流流量性能。

    目前,關于閥門的研究主要集中在閥門本身水力性能、阻力特性以及閥口流場水力性能等方面,關于閥門啟閉對有壓輸水管道水錘特性影響的研究較少,更少有針對灌溉輸水管道在事故等突發情況下閥門關閉對水錘特性影響的報道。由于灌溉管道大都采用PVC管材欢乐28平台,相比城市供水輸水管網采用的鋼管,灌溉用PVC管材承受*大正壓力和*小負壓力的能力均較小,因此本研究對灌溉管網系統閥門快速關閉時管道的水錘壓力特性進行了研究,以期為灌溉輸水管道在事故突發狀態下的運行管理提供參考。

    1 水柱分離的判斷和斷流彌合水錘的計算

    在有壓管路中,某處的絕對壓力低于水的汽化壓力時便會發生水柱分離,特別是在管路的凸起部位、駝峰、向上拐點處等欢乐28平台,水柱分離現象更容易發生。

    對長距離輸水管道欢乐28平台,特別是山地灌溉管道,復雜多變的地形條件往往使管道出現凸起部位,在事故停泵欢乐28平台、閥門緊急關閉等工況下極易發生斷流彌合水錘。在用特征線法求解管道瞬變流引發的水錘時,應該考慮水柱分離和再彌合因素;用特征線法求解液體瞬變流問題時欢乐28平台,對于任何一個網格內部節點,如截面j(圖1)欢乐28平台,沿特征線的差分方程為:

    順波C+    (1)

    逆波C-    (2)

圖1 簡單管道的距離-時間網格圖

    式中:C+的邊界條件為管道上游端是水庫欢乐28平台;C-的邊界條件為管道下游端是閥門;HPj為管道j斷面處的瞬時壓力;QPj為管道j斷面處的瞬時流量;j為x方向上任何一個網格交點欢乐28平台;B為管道特性常數,B=a/gAj,其中a為水錘波的傳播速度,g為重力加速度,Aj為j斷面處的斷面面積欢乐28平台;CP和CM為已知常數,按下式計算:

         (3)

        (4)

    式中:Hj-1為管道j-1 斷面(即j斷面的前一段面)處的瞬時壓力;Qj-1為管道j-1斷面處的瞬時流量;欢乐28平台,其中f為摩擦系數,Δx為每段長度,D為管道直徑,A為斷面面積。

    式(1)、(2)中消去QPj,得。(5)

    對于斷流彌合水錘,在水柱分離時欢乐28平台,水體汽化成氣穴空腔,記為,計算公式如下:

        (6)

    式中:Q為Δt時間內流出截面的平均流量,Qu為Δt時間內流入截面的平均流量。

    水柱重新彌合時,兩股水流撞擊形成的壓力升高值ΔH為:

        (7)

    2 試驗系統與方法

    試驗在西北農林科技大學北校區水力學與泥沙實驗室進行,整個試驗系統由水力系統和計算機量測系統組成欢乐28平台。試驗布置如圖2所示。

圖2 灌溉管道水力特性試驗系統布置圖

    水力系統由直徑d=75mm的PVC管和潛水泵、恒壓水箱、截止閥欢乐28平台、球閥、回水渠等組成;計算機量測系統包括PC計算機(北京阿爾泰科技發展公司)欢乐28平台、電磁流量計(IFM4080K型)、壓力傳感器(BSCYG9010型)、溫度計等欢乐28平台。試驗水溫為18℃欢乐28平台,運動黏度為1.067×10-6 m2/s。試驗時由潛水泵將地下水庫的水抽送至恒壓水箱,水箱底高出管道所在地面5m欢乐28平台,由截止閥來控制管道流量,由電磁流量計量測實時流量。在凸起段及其前后裝有精度為±0.1%的硅壓阻壓力傳感器,以實時監測管道壓力(試驗前對每個傳感器進行標定,其線性相關系數均≥0.999)欢乐28平台。傳感器信號由裝有PC18602型數據采集儀的PC計算機采集欢乐28平台,為保證采集數據的穩定性和準確性欢乐28平台,所用電源為穩壓電源欢乐28平台。

    試驗中裝有4個球閥欢乐28平台,5個壓力傳感器。為了便于描述欢乐28平台,將圖2中傳感器P1、P2、P3、P4欢乐28平台、P5所在管段依次命名為坡前段、上坡段、坡頂段、下坡段、坡后段。為了準確記錄球閥關閉時間,特在球閥上安裝角位傳感器,通過標定,將電壓值轉化為角度值,測定數據由PC計算機采集。壓力傳感器和角位傳感器的安裝見圖3欢乐28平台。

圖3 試驗系統中壓力傳感器(A)、角位傳感器(B)安裝實景圖

    試驗中球閥1、2、3欢乐28平台、4關閉試驗分別在流量2.92,4.07,5.04,6.12,7.18,8.18和9.09L/s時進行,每個傳感器在每個流量下進行多次試驗,*終選擇球閥1、2、3、4關閉時間差在±0.01s內的4組數據作為試驗數據進行分析。關閉時間通過角位傳感器來記錄欢乐28平台。為確保試驗數據的穩定性,試驗中*大水錘壓力是10個*大水錘壓力的平均值,單位用水柱高度(m)表示。

    3 結果與分析

    3.1 不同流量下球閥快速關閉時水錘壓力*大值的變化

    圖4-a,b欢乐28平台,c,d依次為球閥1、2、3、4快速關閉時(球閥1、2、3、4的關閉時間依次為0.80,0.81欢乐28平台欢乐28平台,0.82,0.81s)管道坡前段、上坡段、坡頂段、下坡段、坡后段水錘壓力*大值隨流量的變化趨勢。從圖4-a,b,c,d可以看出,隨著管道內流量的增大欢乐28平台,球閥快速關閉時凸起部位各管段的水錘壓力*大值均隨之增大,但球閥1欢乐28平台、2關閉時水錘壓力*大值大于球閥3欢乐28平台、4關閉時的水錘壓力*大值欢乐28平台。圖4-a顯示,球閥1快速關閉時,不同流量下以坡前段的水錘壓力*大,上坡段次之欢乐28平台,坡頂段、下坡段和坡后段較?欢乐28平台?欢乐28平台;圖4-b顯示,球閥2快速關閉時,不同流量下坡前段水錘壓力*大,上坡段次之,坡頂段、下坡段和坡后段較??欢乐28平台;圖4-c表明欢乐28平台,球閥3快速關閉時欢乐28平台,不同流量下坡后段水錘壓力*大,下坡段次之,坡頂段、上坡段和坡前段較??;而圖4-d表明,球閥4快速關閉時,不同流量下坡后段水錘壓力*大欢乐28平台,下坡段次之,坡頂段、上坡段和坡前段較小。

圖4 球閥1(a)、2(b)、3(c)、4(d)快速關閉時凸起部位不同坡段*大水錘壓力與流量的關系曲線

    3.2 相同流量下球閥關閉時水錘壓力的變化

    圖5-a,b欢乐28平台,c欢乐28平台,d為流量7.18L/s條件下球閥1、2欢乐28平台、3、4快速關閉時,凸起部位坡前段欢乐28平台、上坡段欢乐28平台、坡頂段、下坡段欢乐28平台、坡后段水錘壓力隨時間的變化趨勢。從圖5-a,b,c,d可以看出,球閥1欢乐28平台、2、3、4快速關閉時欢乐28平台,凸起部位坡前段欢乐28平台、上坡段欢乐28平台、坡頂段、下坡段和坡后段水錘壓力隨時間的變化規律一致。圖5-a,b顯示,球閥1、2快速關閉時,坡前段水錘壓力值*大;圖5-c欢乐28平台,d顯示,球閥3欢乐28平台、4快速關閉時,坡后段水錘壓力值*大。表明球閥1欢乐28平台、2快速關閉時,其凸起部位水錘變化規律相類似,而球閥3、4快速關閉時,其凸起部位水錘變化規律相類似欢乐28平台。從圖5還可以看出,球閥1、2快速關閉時,水錘壓力在波谷時均為負值,即管道內出現負壓欢乐28平台;而球閥3欢乐28平台、4快速關閉時,水錘壓力除在其*大值出現后的第1個波谷處出現極少數負值外,在其余波谷處水錘壓力均為正值。

圖5 球閥1(a)、2(b)、3(c)、4(d)快速關閉時凸起部位不同坡段水錘壓力隨時間的變化

    3.3 球閥關閉時水錘壓力*大值出現坡段及水錘壓力變化規律分析

    試驗中球閥1欢乐28平台、2布置在凸起部位的上游欢乐28平台,球閥3、4布置在凸起部位的下游,分別量測坡前段、上坡段、坡頂段欢乐28平台欢乐28平台、下坡段、坡后段的5個壓力傳感器均布置在球閥1欢乐28平台、2的下游和球閥3、4的上游。球閥1或球閥2關閉后,壓力傳感器處于關閉球閥的下游,管道中水流流出欢乐28平台,同時空氣從管道出口進入管道欢乐28平台,隨著水流的繼續流出欢乐28平台,空氣進入管道的速度加快,但是坡前段和上坡段不會有空氣進入,因此坡前段和上坡段水錘壓力*大值大于坡頂段、下坡段和坡后段(圖4-a,b)。在球閥關閉瞬間產生水柱分離欢乐28平台,由于空氣的進入,分離后的水柱重新彌合時相互撞擊力大大減小,水錘壓力迅速減小,直至壓力趨于0(圖5-a,b)。球閥3或球閥4關閉后,壓力傳感器處于關閉球閥的上游,管道水流流速在球閥3或者球閥4處突然變為0,水錘壓力波從球閥開始向上游傳播欢乐28平台,中間要經過凸起部位,直至上游恒壓水箱。水錘壓力波就在球閥與恒壓水箱間反復傳播,水錘壓力從第2個波峰起隨時間的變化規律類似于余弦曲線(圖5-c,d)。

    4 結論

    通過試驗與理論結合的方法欢乐28平台,在不同流量下欢乐28平台,對山地灌溉管道中凸起部位上游、下游球閥快速關閉時,凸起部位不同坡段的水錘壓力值、水錘壓力*大值的變化進行了研究,得到以下結論:

    1)不同位置球閥快速關閉時,關閥前流量越大,凸起部位不同坡段的水錘壓力*大值均越大欢乐28平台。

    2)在關閥前管道內流量相等,球閥關閉時間相同的前提下,凸起部位上游球閥關閉時水錘壓力*大值大于下游球閥關閉時的水錘壓力*大值欢乐28平台。

    3)關閥前管道內流量相等的條件下,同一球閥關閉時凸起部位各管段水錘壓力變化規律相似。

    4)在關閥前管道內流量相等,球閥關閉時間相同的前提下,上游球閥快速關閉時凸起部位的水錘壓力遞減速率大于下游球閥關閉時的水錘壓力遞減速率欢乐28平台。

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