摘 要： 以长距离供水工程为例,结合相关资料和工程实践选取管道观测段,并对局部水头损失系数利用伯努利方程原理确定。在详细对比供水工程上下游水位实测数据与水头损失水力结果的基础上,对取值区间的准确性与合理性进一步探讨,最终提出0.0033-0.0055为局部水头损失系数的合理取值区间。
关键词： 水头损失; 供水工程; 长距离; 倒吸虹;
0 、引 言
局部和沿程水头损失为大中型供水工程设计计算的两个主要方面,直接决定着泵型的选取、断面压强、流量和管径的确定。长期以来,工程上通常取沿程水头损失5%-10%的比例作为中小型输水管道的水头损失。然而,对于大型供水工程而言,局部水头损失将产生较为显着的影响,其损失系数必须严格根据设计规范或手册规定值确定。由于施工方法的改进、管道工艺的提升、工程特殊性和多样性等条件的限制,大口径输水管道工程的设计与现有参考值不相匹配。
辽宁省辽西北供水工程某重要节点工程的最大水头损失设计值为4.325m,设计单管流量17.0m3/s管道直径3100mm,采取双线布置,全长5.6km,属于重要的供水节点工程和国内管径最大的玻璃管道工程,管材为加砂玻璃钢管缠绕纤维树脂。常胜等通过对设计标准与过流能力的分析,认为倒吸虹达不到设计要求的主要原因为忽略了水流流态的判别,并在此基础上提出了符合实际流态的水头损失公式适用范围,但实测数据与计算结果仍存在一定的10%的偏差,进一步分析发现管道连接处的局部水头损失为引起该差值的主要因素[1,2,3,4,5,6,7]。
采用承插式接头型式作为倒吸虹标准管道的连接方式,将宽1-77mm、长约360mm的的环状凹槽设置于插口与承口的连接处,流经凹槽时管道变形对水流流态产生一定的影响,从而产生水头的局部损失。水头损失受单个凹槽的影响较低,然而该长距离供水工程供存在接头近460个,在叠加效应下局部水头损失十分突出。通常情况下,根据设计规范和手册确定局部水头损失,采用管道流速水头与相似变形件件引起的局部水头损失的乘积描述,即hj=ζ·v2/2g。然而,对于承插口接头方式的水头损失现行规范和设计手册尚未给出参考值。通过对单接头损失系数ζ0的确定,从而保证管道水头损失计算的准确、合理性[8]。
1 、研究方法
当前,研究局部水头损失系数的两种主要方法:其一为采用相关监测资料或物理模型进行模拟分析,依据水力学原理总结确定;其二为对流体利用现有软件模型模拟,给出合理的数值。文章依据现有研究成果和工程实际情况,对长距离大口径供水工程的局部水头损失系数采用相关资料和水力学原理总结确定[9,10],详细流程为:
步骤一:为了更加提出承插接口引起的水头损失以及最大限度的削弱或减少其他变形件引起的影响,结合工程现有条件选取桩号0+885.0-5+410.0作为观测段,此段全长4520m,两端的中心高程为566.5、571.0m,设置的承插口接头n为380个;高精度脉冲压力传感器设置于桩号为5+410.0、0+885.0处,其中1#、2#管道分别设置2个传感器,所对应编号为BP1、BP9和BP2、BP10。为简化计算、便于分析,命名过水断面1、2为桩号0+885.0、5+410.0的过水断面。各个位置的压强水头利用压力传感器确定,过水断面1、2之间的水头损失hw采用实际液体能量方程,即伯努利方程计算确定,其表达式为hw=hf+hj。采用下式作为实际液体能量方程,即:
式中:αv2/2g、p/ρg为流速水头和压强水头;z为过水断面的中心高程;其中,α1=α2=1.0。
步骤二:根据A·M·库尔干诺夫公式判Re·k/d别供水工程虹吸管内水流形态,紊流过渡区间为10<Re·k/d<20。因此,可根据齐恩公式和达西-维斯巴赫公式确定沿程水头损失,其表达式分别如下:
式中:hf、l、d为沿程水头损失、管道程度和直径,m;k、v为供水工程管道的粗糙度和水流速度,mm、m/s;Re、λ为雷诺数和沿程阻力系数。
步骤三:根据工程实际和设计资料,管道缓坡、承插接口、T形盲孔为引起桩号0+885.0-5+410.0段局部水头损失的主要因素。对于弯管局部水头损失系数现行设计手册推荐的公式为(5)、(6),其表达式如下:
式中:R、hj为弯管转弯半径和局部水头损失,m;n为研究段承插接头个数;ζ折弯段、ζ缓弯段、ζT形盲孔、ζ0为折弯管、缓弯管、T形盲孔和单个接头的局部水头损失系数;β、θ为水平方向与折弯管轴线的夹角、弯管转弯圆形角,°。
采用圆形直径为30mm的折弯管试验,研究者WEISBACH提出了计算公式(6)。因此,结合辽宁省辽西北供水工程某重要节点工程实际情况和相关资料,对局部水头损失系数选用较为常用的计算公式(5)确定,见表1。
表1 桩号0+885.0-5+410.0段局部水头损失系数
考虑到工程路线较长的实际情况,沿程设置的T形盲孔数如排水孔、排气阀、进入孔等数量比较多,所对应的数据信息和水头损失存在一定的差异,局部水头损失系数关于等径T形盲孔介于0-0.1范围,经大量的试验测量确定为0.025-0.042之间。辽宁省辽西北供水工程某重要节点工程的试验段T形盲孔数有12个,建议设定ζT形盲孔值为0.042。根据计算公式(4)和其他局部水头损失参数、式(1)和式(2)计算结果,最终确定单个接头的ζ0。
步骤四:为进一步验证计算结果的准确性,将倒吸虹水力计算时中输入步骤三中ζ0计算结果。其中,按照步骤二推荐的计算公式确定倒吸虹管沿程水头损失计算值;除ζ0外局部水头损失还要考虑T形盲孔、缓换短、进水口处等影响作用。参考水力设计手册和李炜等研究成果,确定出水口、进水口的局部水头损失系数为0.50和0.25;根据步骤三确定T形盲孔和弯段损失系数[11]。
2、 实例分析
2.1、 局部水头损失系数
不同流量工况下,桩号为0+885.0-5+410.0段的辽宁省辽西北供水工程某重要节点工程的承插口局部水头损失系数ζ0按照上述方法计算确定,受篇幅限制仅给出了部分数据,见表2。
表2 桩号0+885.0-5+410.0段的承插口 局部水头损失系数
根据表2计算结果可知,T形盲孔ΣζT形盲孔、缓弯管段Σζ缓弯管占总局部水头损失的比例为6.40-7.68%、21.52%-26.41%,其中70%左右的局部水头损失用于承插口接头处。结合小洼槽不同流量工况下的局部水头损失系数计算值,单个接头的Σζ0取值区间介于0.0032-0.0055之间,管道内水流流量与承插口Σζ0之间存在负相关性,即水流量越大则Σζ0值越小。
2.2、 圆形管道验证
辽宁省辽西北供水工程某重要节点工程水头损失计算时计入ζ0取值0.004和以上局部水头损失初定范围,最终的计算值见表3。其中,H、H1分别为实测和计算的水头损失;S为实测数据与计算值之间的误差比。
表3 不同流量工况下倒吸虹管水力计算
为进一步准确分析实测数据与水力计算结果,将表3中相关数据绘制成图1,其中H2为不包含承插口局部水头损失的计算值,其它字母同上。
图1 倒吸虹水力计算结果
根据图1可知,实测值H和计算值H1、H2在不同流量工况下均呈现出线性分布的特征,计算结果受数据变化的影响较小;实测值H和计算值H1保持较高的一致性,但H1、H2之间存在一定的偏差,变化幅度位于0.2-0.5之间。图1(b)验证了这一偏差,实测值与计算值H1整体误差为10%左右,个别流量工况下接近12%;实测值H与计算值H1之间的误差介于3%以下,可见将小洼槽倒吸虹水力损失设置为0.0032-0.0055之间满足有关计算要求。另外,水头损失计算的准确度受在一定程度上受到承插口局部水头损失的影响,且不可忽略。综合考虑以上各方面因素设定0.0032-0.0055作为单个水头损失系数,能够满足计算准确性和可靠性要求[12]。
3、 结 论
承插口接头多、倒吸虹距离长为小洼槽工程的典型特征,由此导致水头损失问题较为显着。结合现有研究成果和伯努利方程原理确定不同流量工况下,承插式大口径玻璃钢管的水头局部损失取值区间为0.0032-0.0055,能够满足计算精度和准确性要求。水头损失计算的准确度受承插口局部水头损失忽略的影响,特别是长距离大口径输水工程更注重对局部水头的计算分析。
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