[發明專利]正虹吸管道水氣兩相流動沿程阻力系數的測定方法

有效

• 申請號: 201810164288.4
• 申請日: 2018-02-27
• 公開（公告）號: CN108332902B
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 張小瑩;李琳;譚義海;靳晟
• 申請（專利權）人: 新疆農業大學
• 主分類號: G01L11/00
• 分類號: G01L11/00
• 代理公司: 南京中高專利代理有限公司 32333
• 代理人: 李曉

本發明提供一種正虹吸管道水氣兩相流動沿程阻力系數的測定方法，是以負壓條件下工作的中行管段正坡及逆坡布置的正虹吸管路為中心，正虹吸管路包括上行管、中行管和下行管；使用壓力傳感器量測管道中的壓強，使用環形摻氣電極和電導率儀量測截面含氣率，通過對多工況壓降的量測，利用數值擬合的方法，得到不同坡度沿程阻力系數的經驗公式。本發明為正虹吸管路氣液兩相水頭損失的計算提供了理論依據，并為不同坡度下正虹吸管水氣兩相流動水頭損失的變化情況的研究提供了行之有效的測定方法。

技術領域

本發明涉及長距離供水輸水工程技術領域，具體是一種在負壓條件下工作的正虹吸管道在坡度不同時管內呈現氣液兩相流動時沿程阻力系數λ_m的計算方法。

背景技術

正虹吸管道是依靠大氣壓及勢能引導而具有自動引水的一種有壓輸水管道，管道頂部高于上游水面，管內真空，當作用在上游面的大氣壓強與虹吸管內壓強之間產生壓差便能使水流通過虹吸管的最高處引向低處。虹吸管道以其輸水不受布置條件的限制，路線布置簡便，施工工程量節約，保證正常供水的優點成為許多工程首選的輸水管路。

水氣兩相流水頭損失的計算一直是氣液兩相流動研究中重要的課題之一，研究者多以正壓條件下運行的管道為研究對象，沿程水頭損失用達西公式(1)計算。而在正虹吸管路中，管道在負壓下運行，自然水中少量肉眼看不見的極微小且不溶解于水的氣核，由于氣核內部壓強大于外部壓強而膨脹析出，管內呈現水氣兩相流，通過研究不同坡度下正虹吸管水氣兩相流動流動阻力的變化情況，發現常規有壓輸水管道水頭損失的計算公式(1)已經不適用于負壓條件下工作的虹吸管路。

要確定管路中的沿程水頭損失h_f，關鍵在于確定其沿程阻力系數λ。在《水力學》一書中，常規有壓輸水管道沿程水頭損失用達西公式(1)計算，由于紊流的復雜性，至今還沒有成熟的沿程阻力系數λ的理論公式，只有部分由實驗結果和理論推導得出的半經驗公式，如伯拉修斯公式(2)、尼古拉茲公式(3)及謝維列夫公式(4)。

(適用范圍4000＜Re＜10⁵)

(適用范圍Re＜10⁶)

(適用于塑料管，v＜3m/s)

式中：h_f為沿程水頭損失，m；λ為沿程阻力系數；l為管道長度，m；d為管道直徑，m；v為管內流速，m/s；Re為雷諾數。

上述公式皆適用于紊流條件下的單一液相流，并不適用于氣液兩相流沿程阻力系數的計算。

發明內容

發明目的：虹吸管道在長距離輸水工程中運用較為廣泛，但以往研究中尚未考慮中行管路坡度的變化對管內氣泡或者氣團運動的影響，繼而無法揭示氣泡或者氣團運動特性對正虹吸管路水氣兩相流動水頭損失的影響機制。在實際工程運用正虹吸管道作為主要布置管道時，在安裝高度大于3m時管內即呈現氣液兩相流，不同坡度下管內的氣囊的大小均不相同，此時氣體對水流的阻力不同導致不同工況下所測得的壓降值各不相同，由達西公式可知，水頭損失不同，各工況下的沿程阻力系數也大不相同。所以獲得不同坡度下沿程阻力的系數的計算公式可以更好地掌握虹吸管道的流動規律，以便更好地提供工程設計。本發明需要解決的問題就是提供一種正虹吸管道氣液兩相流沿程阻力系數的計算方法，實現對于負壓條件工作的正坡及逆坡布置的正虹吸管道不同坡度下沿程阻力系數的計算方法。

技術方案：為了解決上述技術問題，本發明提供一種正虹吸管道水氣兩相流動沿程阻力系數的測定方法，以負壓條件下工作的中行管段正坡及逆坡布置的正虹吸管路為中心，使用壓力傳感器量測管路中的壓強，使用環形摻氣電極和電導率儀量測截面含氣率，通過對多工況壓降的量測，利用數值擬合的方法得出不同坡度沿程阻力系數。