坡比對虹吸管路的穩定時問影響試驗研究

張小瑩　李琳　譚義海　吳洋鋒

摘要：通過系列試驗觀察了虹吸管道安裝高度為4 m及6 m時坡比及不同水頭差下中行管路傾斜布置的虹吸管內的水氣兩相流動穩定虹吸時間的長短。通過試驗研究發現，虹吸時間與水頭差、安裝高度及坡比均有關。虹吸時間隨水頭差及安裝高度的增大而增大；在正、逆坡管路中，隨著坡比的增大，管內偽空化現象逐漸減弱，穩定虹吸時間逐漸增大；坡比不變時，正坡管路虹吸時間均大于逆坡管路，各種工況下平坡管路的虹吸時間最短。

關鍵詞：坡比；虹吸管道；虹吸時間；氣液兩相流；試驗

在長距離給水工程中，利用虹吸管路進行輸水的工程實例相對較多，在地形條件允許時，虹吸管路能否穩定運行是設計人員廣泛關注的重點問題。當虹吸管路在大真空度下進行輸水時，水中氣核的析出使得管內氣泡累計釋放的數量增加、體積增大，進而導致水流狀態被破壞，輸水停止。因此，確保虹吸管路的安全運行、正常供水是設計輸水管路布置方式的關鍵。近年來，隨著虹吸管道應用的增多，相關研究的內容逐漸深入。TAJIMA Naoki等對5種不同密度和尺寸粒子隨管徑為20-30 mm的虹吸管內水流運動所產生的現象進行了描述，提出了一種預測模型，用于分析排出的沉積物：YAN Tao等在試驗基礎上得到了虹吸管路淤積的特征及影響因素，并驗證了虹吸管內阻力的計算方法：熊曉亮等通過虹吸試驗完成了虹吸排水形成和恢復方法的研究，通過對不同管徑下虹吸管道的數值模擬，提出了邊坡、滑坡地區虹吸排水的最佳管徑。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。張小瑩等對真空度較大、平坡布置的正虹吸管道進行的試驗研究發現，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（特別是在水平管段），且管路流量及壓降均隨安裝高度的增大而逐漸減小。以上僅是對平坡布置的虹吸管路進行的研究，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比的改變而改變，導致虹吸時問也因坡比的改變而改變，而虹吸時問的長短反映了不同坡比下虹吸管路的過流能力穩定性。因此，研究穩定虹吸時間隨坡比改變的規律尤為重要。筆者通過系列試驗，觀測了正坡及逆坡管路坡比不同時虹吸管內的水氣兩相流動穩定虹吸時間的長短，對不同坡比下管內穩定虹吸時間的變化進行了探討和分析。