多孔噴頭式改進型消力井試驗研究

邵國瀛 劉煥芳 金瑾

摘要：對于長距離管道輸水工程，在超出承壓范圍的管道處設置消力井，可以確保管道安全運行。理論分析與室內試驗發現：多孔噴頭式改進型消力井的平流穩壓井具有一定消能效果，當出水管布置在最低處時，平流穩壓井的消能效果最佳。在理想極限狀態下，井內自由水面與平流穩壓井的自由水面高程相等時，平流穩壓井的消能效果完全消失。多孔噴頭式改進型消力井井筒的消能效果與傳統式消力井井筒的消能效果相比顯著提高，證明了這種改進方案是有效的。

關鍵詞：長距離輸水；理論分析；消能效果；消力井；平流穩壓井

中圖分類號：TV61 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.024

我國水資源分布情況為南多北少，跨區域調水川已經成為解決水資源分布不均的重要途徑。目前國內外輸水方式主要有管道輸水和渠道輸水兩種。其中管道輸水有節約水量、保護水質[2]等優點。長距離管道輸水工程中，地形、地貌的差異可能會導致管道局部壓力過大，超出所能承受的范圍，因此這部分多余能量必須消除[3]。消力井作為一種經濟、有效的消能方式，常常被實際工程采用。趙經華[4]對阿拉山口輸水管道的消能情況進行了量測，指出從國內阿拉山口長距離輸水管道消力井工程的使用情況來看，消力井是一種可靠、高效的消能方式，消能效果能滿足工程的實際需要。衡海龍等[5-6]通過對傳統式消力井的井底壓強分布進行研究發現，傳統式消力井的井底中央處壓強大于井筒靜水壓強，井底靠近井壁處壓強小于井筒靜水壓強，井底壓強分布對井筒的運行造成了不利影響。蘆綺玲等[7]對管道進水管多孔噴頭射流流場進行了數值模擬，對噴孔的結構形式進行了初步研究，確定了噴孔以梅花狀進行布設。本文通過理論分析與室內模型試驗，對傳統式消力井的結構進行改進研究，找出了最佳的出水管布置形式。

1 改進型消力井的結構形式

改進型消力井的結構增加了一個平流穩壓井，室內試驗通過一個溢流擋板將消力井井筒分隔成兩部分，從而保證紊動劇烈的水流不會對出水管口造成影響，溢流板帶有300的傾斜角，溢流過水不容易出現掛水現象；進水口處的出水形式由直筒式改為多孔噴頭式，開孔直徑為d，開孔數為N，管道直徑為D。定義多孔噴頭的開孔率為開孔面積與管道橫截面積之比，即。結合實際工程應用情況，進出管徑保持一致，采用方形消力井。結構形式如圖1所示。

2 室內模型試驗

2.1 試驗目的

通過室內試驗對改進型消力井的出水管位置進行研究，尋求最佳出水管布置位置，從而使改進型消力井的消能效果達到最優。同時，建立參數之間的函數關系，為消力井的管徑設計提供一種簡單、便于計算的方法。

2.2 試驗裝置

室內模型主要由消力井井筒、壓力表、高位水箱、水泵、閘板閥、進出水管、三角堰、地下水箱等組成。其中：閘板閥安裝在進水管處，閘板閥前后各安裝一個壓力表；消力井井筒高1000mm，井底為邊長690mm的正方形；進出水管道直徑為84mm，安裝高度為450mm；溢流板的高度為850mm，出水管道長度為6000mm，管道粗糙系數n=0.01；出水管道與三角堰連接，然后流向地下水箱；消力井井筒為方形，使用有機玻璃制作，連接處使用混凝土膠進行止水；試驗的流量通過控制閘板閥的開度來調整。室內模型布置如圖2所示。

2.3 試驗組次

分別對傳統式消力井和多孔噴頭式改進型消力井進行室內試驗。流量在0.5～1.2m3/s范圍內取值，每0.1m3/s遞增，選擇多孔噴頭開孔率η=40%。以新疆克拉瑪依“林紙一體化”消力井工程為原型，按重力相似準則，以1：8的長度比尺進行室內試驗，在室內溫度為17℃下進行測量。管道的壓強通過精度為0.005MPa的壓力表進行測量，流量采用三角堰施測，水位用精度為0.1mm的測針測量。有機玻璃上粘貼米格紙，繪出井內水位，通過卷尺測出井內水深。

3 理論分析

3.1 平流穩壓井的消能效果分析

以出水管道中心軸線為基準面，對圖1中平流穩壓井自由水面5-5與出水管出口斷面3-3列能量方程[8]，得出水管管上水深：式中：h為平流穩壓井出水管管上水深；λ為沿程水頭損失系數；l為管長；g為重力加速度，取9.8m/s2；v為管道中水流流速；ζ2為出水管口的局部水頭損失系數，取ζ2=0.5；α2為出水管道的動能修正系數，α2=1。

整理式（1）得式中：Q為管道中水流流量。

以消力井井筒底為基準面，對圖1中的井內自由水面4-4與平流穩壓井自由水面5-5列能量方程：式中：hw2為平流穩壓井造成的水頭損失；z為出水管到井筒底的位置水頭；v4為井內自由水面的平均流速；α4為井內自由水面的動能修正系數，取α4=1。

將式（2）代入式（3）可以計算出平流穩壓井的水頭損失hw2：

（1）在Q、D、λ、l不變的情況下，井內水深H、出水管管上水深h、井內自由水面的平均流速水頭v42/2g均為定值。通過式（4）可知，當出水管的位置水頭z=0時，水頭損失hw2最大，平流穩壓井消能效果最佳。

（2）在D、λ、l、z都不變的情況下，增大管道水流流量Q，井內水深H變化不大，井內自由水面的平均流速水頭v42/2g增大很小，均可以視為定值。由式（2）發現平流穩壓井的管上水深h與流量Q的平方成正比，隨著流量的增大而增大。隨著管道流量Q的增大，平流穩壓井的水頭損失hw2減小，在理想極限狀態下，當平流穩壓井的自由水面與井內自由水面高度相同時，平流穩壓井的消能效果完全消失。

3.2 改進型消力井管徑的確定

（1）消力井井筒的消能效果。消力井井筒的水頭損失系數是水頭損失與流速水頭的比值，可以表征消力井井筒消能效果：式中：ξ1-2為消力井井筒的局部水頭損失系數；ΔH1-2為消力井井筒前后的水頭損失；p1為消力井進水口前管道壓力；p2為消力井出水口的管道壓力；γ為水的容重。

（2）閘板閥的消能效果。閘板閥使水流斷面急劇收縮或者擴散，達到消能的目的。ζ0-1，可以表征閘板閥消能效果：式中：ζ0-1，為閘板閥的局部水頭損失系數；ΔH0-1，為閘板閥前后的水頭損失；p0為管道與消力井連接前端處的水壓力。

（3）閘板和消力井井筒消能效果分析。通過式（5）和式（6）計算出不同流量下消力井井筒和閘板閥的水頭損失系數。由圖3、圖4可知，消力井井筒和閘板閥的水頭損失系數隨著流量的增大而減小，在同一流量下，閘板閥的水頭損失系數遠遠大于消力井井筒的水頭損失系數，說明閘板閥的消能效果遠遠大于消力井井筒的消能效果，僅考慮消力井井筒的消能率，并不能很好地反映出長距離輸水管道能量的變化過程，必須將閘板閥對管道的影響考慮進去。

以消力井井筒底為基準面，圖1中0-0斷面和出水管2-2斷面的總能量分別為式中：Δz為進水管到井筒底的位置水頭；α0為進水管道閘板閥前的動能修正系數，取α0=1。

改進型消力井消能率計算公式為

隨著閘板閥開度的增大，閘板閥前的壓強P。減小，而出水管處的壓強p2逐漸增大[8]，消力井的消能率K隨著流量的增大而減小。圖5為消力井室內試驗得出的消能率隨流量的變化規律，試驗結果與理論分析結果一致。

3.3 工程實例計算

某供水水利工程具有供水線路長、落差大等特點，設計采用消力井進行消能。為了滿足最大高峰期的用水量，供水工程的最大設計流量為1.3m3/s，進水管總水頭為92m，出水管總水頭為11m（為保證居民樓層供水壓力及沿程管道能量損失要求）。該工程實際要滿足的消能率K=88%。根據圖5可以查出無量綱Q/vd=3109916，工程設計流量為1.3m3/s，實際工程運動黏性系數按大氣溫度25℃來定，取運動黏性系數v=0.897×10-6，從而得出管道直徑d=0.466m，實際工程管道直徑選擇d=0.500m。

4 試驗結果及分析

（1）水流特性分析。水流從噴孔中射流出來碰到井筒壁后，一部分水流向上運動，一部分水流向井筒底中央集中，向下運動的水流接觸到井筒底后改變方向并向井筒底中央匯聚，繼而上升到達水面，水面有微弱的波動，流態良好。

（2）消能效果分析。由圖6可以看出，無論傳統式還是改進型消力井井筒，消能率都隨著流量的增大而增大，當流量增大到一定程度后，其基本保持穩定。改進后的多孔噴頭式消力井井筒的消能率可達80%，而傳統式消力井井筒的消能率僅可達60%，證明改進方案能夠有效地提高消力井井筒的消能效果。由圖7可知：平流穩壓井的消能率隨著流量的增大而減小，試驗結果與理論分析結果一致，說明消力井井筒的水頭損失不僅由水流之間的相互混摻、翻滾引起，還與相互碰撞有關。

5 結論

（1）消力井井筒水流流態比較平順，消能效果良好，是一種理想的消能工。

（2）保證管道流量一定，當出水管的位置布置在最低處時，平流穩壓井的消能效果最佳。

（3）當流量較小時，平流穩壓井具有一定的消能效果；隨著管道流量的增大，平流穩壓井的消能率開始減小，在理想極限狀態下，井內自由水面與平流穩壓井的自由水面高程相等時，平流穩壓井的消能效果完全消失。

（4）改進后的多孔噴頭式消力井井筒水流混摻更加充分，消能效果優于傳統式消力井井筒。

（5）通過建立無量綱參數之間的函數關系式，為消力井管徑設計提供了一種簡單的計算方法。

參考文獻：

[1]汪恕誠.論大壩與生態[C]//聯合國水電與可持續發展研討會文集.北京：北京出版社，2004：1-4.

[2]文镕.灌區明渠輸水與PCCP管道輸水方案比較[J].東北水利水電，2006（7）：67-69.

[3]蘆綺玲，陳剛.輸水工程中壓力管道出口水流消能方法的試驗研究[J].西安理工大學學報，2008，4（1）：80-85.

[4]趙經華.阿拉山口輸水管道消能井結構試驗研究[J].人民黃河，2010，32（3）：92-93.

[5]衡海龍，劉煥芳，金瑾.消力井消能效率及井底壓強分布研究[J].人民長江，2016，47（7）：82-85.

[6]吳建廉.金鐘水利樞紐引水配套工程長距離輸水管道安全措施探討[J].水利科技與經濟，2009（11）：983-985.

[7]蘆綺玲，黃君瑤，李國棟，等.多噴孔射流的三維紊流數值模擬及消能分析[J].水力發電學報，2007，26（1）61-66.

[8]呂宏興，裴國霞，楊玲霞.水力學[M].北京：中國農業出版社，2002：22-70.