PVC球阀对山地灌溉管道水锤特性的影响

周晋军，吕宏兴，石 喜，朱德兰,2，周美林，王家琪

(1 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2 中国旱区农业节水研究院，陕西 杨凌 712100)

近年来，随着灌溉技术的发展和农业高效用水的推广，微灌技术不断普及，PVC管材由于质量轻、耐腐蚀性强、成本低等优势，已经在微灌工程中大量使用，例如PVC球阀因具有水头损失小、启闭灵活等特点而在微灌工程管网中得以广泛使用。球阀作为一种阀门，主要用以调节和控制流体，在特殊情况下用来截断流体，在实际工况下球阀处于局部开启或关闭状态，其阻力性能不同于全开启状态，此时球阀的阻力性能会对响管网的水力性能产生一定影响；特别是在山地灌溉管网中，球阀的开启状态对灌溉管道凸起部位的水流特性、水击压力变化等产生影响。因此有必要研究灌溉管网中球阀启闭对管道水力性能、水击特性等规律的影响。

国内外专家和学者对各种阀门的性能及其相关参数进行了大量试验和研究。戴家齐[1]探讨了石油管道阀门的开闭速度，对传动装置设计提出了改进意见。黄明亚[2]、邬佑靖[3]和孙丽等[4]研究分析了国内外阀门的行业现状、技术现状以及发展趋势。袁新明等[5]对阀门流道流场进行了数值模拟及阻力特性研究。邓海英等[6]研究确定了供水管网在事故时的阀门关闭方案；高红等[7]模拟研究了球阀阀口气穴流场。伍悦滨等[8]研究了给水管网中的阀门阻力；万五一等[9]研究了阀门系统的过流特性及其对瞬变过程的影响。沈新荣等[10]通过数值分析与试验研究，分析了调节型球阀的流量特性；陈轶杰等[11]分析了减振器节流阀片对阀门水击力的影响。贺小峰等[12]研究了球阀阀口的流量特性；蔡标华[13]采用仿真与试验方法，对舰船首尾移水系统水锤特点进行了研究。石喜等[14]采用试验和数值模拟相结合的方法，研究了PVC球阀的水流阻力特性及流动规律。Park等[15]利用试验和数值模拟相结合的方法研究了蝶阀的性能系数。Schmidt等[16]用数值模拟的方法研究了高压安全阀的水力性能。Fu等[17]研究了阀门可压缩气流流量性能。

目前，关于阀门的研究主要集中在阀门本身水力性能、阻力特性以及阀口流场水力性能等方面，关于阀门启闭对有压输水管道水锤特性影响的研究较少，更少有针对灌溉输水管道在事故等突发情况下阀门关闭对水锤特性影响的报道。由于灌溉管道大都采用PVC管材，相比城市供水输水管网采用的钢管，灌溉用PVC管材承受最大正压力和最小负压力的能力均较小，因此本研究对灌溉管网系统阀门快速关闭时管道的水锤压力特性进行了研究，以期为灌溉输水管道在事故突发状态下的运行管理提供参考。

1 水柱分离的判断和断流弥合水锤的计算

在有压管路中，某处的绝对压力低于水的汽化压力时便会发生水柱分离，特别是在管路的凸起部位、驼峰、向上拐点处等，水柱分离现象更容易发生。

对长距离输水管道，特别是山地灌溉管道，复杂多变的地形条件往往使管道出现凸起部位，在事故停泵、阀门紧急关闭等工况下极易发生断流弥合水锤。在用特征线法求解管道瞬变流引发的水锤时，应该考虑水柱分离和再弥合因素;用特征线法求解液体瞬变流问题时，对于任何一个网格内部节点，如截面j(图1)，沿特征线的差分方程为：

顺波C+：HPj=CP-BQPj。

(1)

逆波C-:HPj=CM+BQPj。

(2)

图1 简单管道的距离-时间网格图

式中：C+的边界条件为管道上游端是水库；C-的边界条件为管道下游端是阀门；HPj为管道j断面处的瞬时压力；QPj为管道j断面处的瞬时流量；j为x方向上任何一个网格交点；B为管道特性常数，B=a/gAj，其中a为水锤波的传播速度，g为重力加速度，Aj为j断面处的断面面积；CP和CM为已知常数，按下式计算：

CP=Hj-1+BQj-1+RQj-1|Qj-1|。

(3)

CM=Hj-1-BQj-1-RQj-1|Qj-1|。

从每年全国征兵报名、应征入伍的情况看，入伍人员存在男多女少的现象。常州五所高职院校的退役复学高职生中，男生占93.2%，女生仅占6.8%。这些退役复学高职生年龄普遍较大，一般比同年级或同班级的学生大2-3岁。而与他们同龄的高职生，要么已经在毕业班就读，要么已经毕业走上了工作岗位。入伍参军、退役求学，对退役复学高职生来说，是宝贵的人生经历。一方面，年龄偏大的退役复学高职生，由于有丰富的生活经验和军营阅历，在关心和引导同学等方面，能够起到示范作用，可以潜移默化地影响同学。另一方面，年龄偏大、独特的军营生活习惯、所在班级同学已经稳固的人际关系，也成为他们融入同学群体、重新适应大学生活的阻力[1]。

(4)

(5)

对于断流弥合水锤，在水柱分离时，水体汽化成气穴空腔，记为∀c，计算公式如下：

∀c=∑(Q-Qu)Δt。

(6)

式中：Q为Δt时间内流出截面的平均流量，Qu为Δt时间内流入截面的平均流量。

水柱重新弥合时，两股水流撞击形成的压力升高值ΔH为：

(7)

2 试验系统与方法

图2 灌溉管道水力特性试验系统布置图

水力系统由直径d=75 mm的PVC管和潜水泵、恒压水箱、截止阀、球阀、回水渠等组成；计算机量测系统包括PC计算机(北京阿尔泰科技发展公司)、电磁流量计(IFM4080K型)、压力传感器(BSCYG9010型)、温度计等。试验水温为18 ℃，运动黏度为1.067×10-6m2/s。试验时由潜水泵将地下水库的水抽送至恒压水箱，水箱底高出管道所在地面5 m，由截止阀来控制管道流量，由电磁流量计量测实时流量。在凸起段及其前后装有精度为±0.1%的硅压阻压力传感器，以实时监测管道压力(试验前对每个传感器进行标定，其线性相关系数均≥0.999)。传感器信号由装有PC18602型数据采集仪的PC计算机采集，为保证采集数据的稳定性和准确性，所用电源为稳压电源。

试验中装有4个球阀，5个压力传感器。为了便于描述，将图2中传感器P1、P2、P3、P4、P5所在管段依次命名为坡前段、上坡段、坡顶段、下坡段、坡后段。为了准确记录球阀关闭时间，特在球阀上安装角位传感器，通过标定，将电压值转化为角度值，测定数据由PC计算机采集。压力传感器和角位传感器的安装见图3。

图3 试验系统中压力传感器(A)、角位传感器(B)安装实景图

试验中球阀1、2、3、4关闭试验分别在流量2.92，4.07，5.04，6.12，7.18，8.18和9.09 L/s时进行，每个传感器在每个流量下进行多次试验，最终选择球阀1、2、3、4关闭时间差在±0.01 s内的4组数据作为试验数据进行分析。关闭时间通过角位传感器来记录。为确保试验数据的稳定性，试验中最大水锤压力是10个最大水锤压力的平均值，单位用水柱高度(m)表示。

3 结果与分析

3.1 不同流量下球阀快速关闭时水锤压力最大值的变化

图4-a,b,c,d依次为球阀1、2、3、4快速关闭时(球阀1、2、3、4的关闭时间依次为0.80，0.81，0.82，0.81 s)管道坡前段、上坡段、坡顶段、下坡段、坡后段水锤压力最大值随流量的变化趋势。从图4-a,b,c,d可以看出，随着管道内流量的增大，球阀快速关闭时凸起部位各管段的水锤压力最大值均随之增大，但球阀1、2关闭时水锤压力最大值大于球阀3、4关闭时的水锤压力最大值。图4-a显示，球阀1快速关闭时，不同流量下以坡前段的水锤压力最大，上坡段次之，坡顶段、下坡段和坡后段较小；图4-b显示，球阀2快速关闭时，不同流量下坡前段水锤压力最大，上坡段次之，坡顶段、下坡段和坡后段较小；图4-c表明，球阀3快速关闭时，不同流量下坡后段水锤压力最大，下坡段次之，坡顶段、上坡段和坡前段较小；而图4-d表明，球阀4快速关闭时，不同流量下坡后段水锤压力最大，下坡段次之，坡顶段、上坡段和坡前段较小。

图4 球阀1(a)、2(b)、3(c)、4(d)快速关闭时凸起部位不同坡段最大水锤压力与流量的关系曲线

3.2 相同流量下球阀关闭时水锤压力的变化

图5-a,b,c,d为流量7.18 L/s条件下球阀1、2、3、4快速关闭时，凸起部位坡前段、上坡段、坡顶段、下坡段、坡后段水锤压力随时间的变化趋势。从图5-a,b,c,d可以看出，球阀1、2、3、4快速关闭时，凸起部位坡前段、上坡段、坡顶段、下坡段和坡后段水锤压力随时间的变化规律一致。图5-a,b显示，球阀1、2快速关闭时，坡前段水锤压力值最大；图5-c,d显示，球阀3、4快速关闭时，坡后段水锤压力值最大。表明球阀1、2快速关闭时，其凸起部位水锤变化规律相类似，而球阀3、4快速关闭时，其凸起部位水锤变化规律相类似。从图5还可以看出，球阀1、2快速关闭时，水锤压力在波谷时均为负值，即管道内出现负压；而球阀3、4快速关闭时，水锤压力除在其最大值出现后的第1个波谷处出现极少数负值外，在其余波谷处水锤压力均为正值。

图5 球阀1(a)、2(b)、3(c)、4(d)快速关闭时凸起部位不同坡段水锤压力随时间的变化

3.3 球阀关闭时水锤压力最大值出现坡段及水锤压力变化规律分析

试验中球阀1、2布置在凸起部位的上游，球阀3、4布置在凸起部位的下游，分别量测坡前段、上坡段、坡顶段、下坡段、坡后段的5个压力传感器均布置在球阀1、2的下游和球阀3、4的上游。球阀1或球阀2关闭后，压力传感器处于关闭球阀的下游，管道中水流流出，同时空气从管道出口进入管道，随着水流的继续流出，空气进入管道的速度加快，但是坡前段和上坡段不会有空气进入，因此坡前段和上坡段水锤压力最大值大于坡顶段、下坡段和坡后段(图4-a,b)。在球阀关闭瞬间产生水柱分离，由于空气的进入，分离后的水柱重新弥合时相互撞击力大大减小，水锤压力迅速减小，直至压力趋于0(图5-a,b)。球阀3或球阀4关闭后，压力传感器处于关闭球阀的上游，管道水流流速在球阀3或者球阀4处突然变为0，水锤压力波从球阀开始向上游传播，中间要经过凸起部位，直至上游恒压水箱。水锤压力波就在球阀与恒压水箱间反复传播，水锤压力从第2个波峰起随时间的变化规律类似于余弦曲线(图5-c,d)。

4 结 论

通过试验与理论结合的方法，在不同流量下，对山地灌溉管道中凸起部位上游、下游球阀快速关闭时，凸起部位不同坡段的水锤压力值、水锤压力最大值的变化进行了研究，得到以下结论：

1)不同位置球阀快速关闭时，关阀前流量越大，凸起部位不同坡段的水锤压力最大值均越大。

2)在关阀前管道内流量相等，球阀关闭时间相同的前提下，凸起部位上游球阀关闭时水锤压力最大值大于下游球阀关闭时的水锤压力最大值。

3)关阀前管道内流量相等的条件下，同一球阀关闭时凸起部位各管段水锤压力变化规律相似。

4)在关阀前管道内流量相等，球阀关闭时间相同的前提下，上游球阀快速关闭时凸起部位的水锤压力递减速率大于下游球阀关闭时的水锤压力递减速率。

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