坡比对虹吸管路的稳定时问影响试验研究

张小莹　李琳　谭义海　吴洋锋

摘要：通过系列试验观察了虹吸管道安装高度为4 m及6 m时坡比及不同水头差下中行管路倾斜布置的虹吸管内的水气两相流动稳定虹吸时间的长短。通过试验研究发现，虹吸时间与水头差、安装高度及坡比均有关。虹吸时间随水头差及安装高度的增大而增大；在正、逆坡管路中，随着坡比的增大，管内伪空化现象逐渐减弱，稳定虹吸时间逐渐增大；坡比不变时，正坡管路虹吸时间均大于逆坡管路，各种工况下平坡管路的虹吸时间最短。

关键词：坡比；虹吸管道；虹吸时间；气液两相流；试验

在长距离给水工程中，利用虹吸管路进行输水的工程实例相对较多，在地形条件允许时，虹吸管路能否稳定运行是设计人员广泛关注的重点问题。当虹吸管路在大真空度下进行输水时，水中气核的析出使得管内气泡累计释放的数量增加、体积增大，进而导致水流状态被破坏，输水停止。因此，确保虹吸管路的安全运行、正常供水是设计输水管路布置方式的关键。近年来，随着虹吸管道应用的增多，相关研究的内容逐渐深入。TAJIMA Naoki等对5种不同密度和尺寸粒子随管径为20-30 mm的虹吸管内水流运动所产生的现象进行了描述，提出了一种预测模型，用于分析排出的沉积物：YAN Tao等在试验基础上得到了虹吸管路淤积的特征及影响因素，并验证了虹吸管内阻力的计算方法：熊晓亮等通过虹吸试验完成了虹吸排水形成和恢复方法的研究，通过对不同管径下虹吸管道的数值模拟，提出了邊坡、滑坡地区虹吸排水的最佳管径。在坎儿井式地下水库中，长距离、大真空度的虹吸式输水管道是其重要组成部分，其相关水力特性与短距离驼峰式虹吸管路不同，但与其相关的研究报道甚少。张小莹等对真空度较大、平坡布置的正虹吸管道进行的试验研究发现，随着虹吸管道的安装高度逐渐增大，虹吸管内的汽化愈发严重（特别是在水平管段），且管路流量及压降均随安装高度的增大而逐渐减小。以上仅是对平坡布置的虹吸管路进行的研究，然而笔者发现当虹吸管中行管路倾斜布置时，管内气泡或气囊的分布和运动规律随坡比的改变而改变，导致虹吸时问也因坡比的改变而改变，而虹吸时问的长短反映了不同坡比下虹吸管路的过流能力稳定性。因此，研究稳定虹吸时间随坡比改变的规律尤为重要。笔者通过系列试验，观测了正坡及逆坡管路坡比不同时虹吸管内的水气两相流动稳定虹吸时间的长短，对不同坡比下管内稳定虹吸时间的变化进行了探讨和分析。