多孔喷头式改进型消力井试验研究

邵国瀛 刘焕芳 金瑾

摘要：对于长距离管道输水工程，在超出承压范围的管道处设置消力井，可以确保管道安全运行。理论分析与室内试验发现：多孔喷头式改进型消力井的平流稳压井具有一定消能效果，当出水管布置在最低处时，平流稳压井的消能效果最佳。在理想极限状态下，井内自由水面与平流稳压井的自由水面高程相等时，平流稳压井的消能效果完全消失。多孔喷头式改进型消力井井筒的消能效果与传统式消力井井筒的消能效果相比显著提高，证明了这种改进方案是有效的。

关键词：长距离输水；理论分析；消能效果；消力井；平流稳压井

中图分类号：TV61 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.024

我国水资源分布情况为南多北少，跨区域调水川已经成为解决水资源分布不均的重要途径。目前国内外输水方式主要有管道输水和渠道输水两种。其中管道输水有节约水量、保护水质[2]等优点。长距离管道输水工程中，地形、地貌的差异可能会导致管道局部压力过大，超出所能承受的范围，因此这部分多余能量必须消除[3]。消力井作为一种经济、有效的消能方式，常常被实际工程采用。赵经华[4]对阿拉山口输水管道的消能情况进行了量测，指出从国内阿拉山口长距离输水管道消力井工程的使用情况来看，消力井是一种可靠、高效的消能方式，消能效果能满足工程的实际需要。衡海龙等[5-6]通过对传统式消力井的井底压强分布进行研究发现，传统式消力井的井底中央处压强大于井筒静水压强，井底靠近井壁处压强小于井筒静水压强，井底压强分布对井筒的运行造成了不利影响。芦绮玲等[7]对管道进水管多孔喷头射流流场进行了数值模拟，对喷孔的结构形式进行了初步研究，确定了喷孔以梅花状进行布设。本文通过理论分析与室内模型试验，对传统式消力井的结构进行改进研究，找出了最佳的出水管布置形式。

1 改进型消力井的结构形式

改进型消力井的结构增加了一个平流稳压井，室内试验通过一个溢流挡板将消力井井筒分隔成两部分，从而保证紊动剧烈的水流不会对出水管口造成影响，溢流板带有300的倾斜角，溢流过水不容易出现挂水现象；进水口处的出水形式由直筒式改为多孔喷头式，开孔直径为d，开孔数为N，管道直径为D。定义多孔喷头的开孔率为开孔面积与管道横截面积之比，即。结合实际工程应用情况，进出管径保持一致，采用方形消力井。结构形式如图1所示。

2 室内模型试验

2.1 试验目的

通过室内试验对改进型消力井的出水管位置进行研究，寻求最佳出水管布置位置，从而使改进型消力井的消能效果达到最优。同时，建立参数之间的函数关系，为消力井的管径设计提供一种简单、便于计算的方法。

2.2 试验装置

室内模型主要由消力井井筒、压力表、高位水箱、水泵、闸板阀、进出水管、三角堰、地下水箱等组成。其中：闸板阀安装在进水管处，闸板阀前后各安装一个压力表；消力井井筒高1000mm，井底为边长690mm的正方形；进出水管道直径为84mm，安装高度为450mm；溢流板的高度为850mm，出水管道长度为6000mm，管道粗糙系数n=0.01；出水管道与三角堰连接，然后流向地下水箱；消力井井筒为方形，使用有机玻璃制作，连接处使用混凝土胶进行止水；试验的流量通过控制闸板阀的开度来调整。室内模型布置如图2所示。

2.3 试验组次

分别对传统式消力井和多孔喷头式改进型消力井进行室内试验。流量在0.5～1.2m3/s范围内取值，每0.1m3/s递增，选择多孔喷头开孔率η=40%。以新疆克拉玛依“林纸一体化”消力井工程为原型，按重力相似准则，以1：8的长度比尺进行室内试验，在室内温度为17℃下进行测量。管道的压强通过精度为0.005MPa的压力表进行测量，流量采用三角堰施测，水位用精度为0.1mm的测针测量。有机玻璃上粘贴米格纸，绘出井内水位，通过卷尺测出井内水深。

3 理论分析

3.1 平流稳压井的消能效果分析

以出水管道中心轴线为基准面，对图1中平流稳压井自由水面5-5与出水管出口断面3-3列能量方程[8]，得出水管管上水深：式中：h为平流稳压井出水管管上水深；λ为沿程水头损失系数；l为管长；g为重力加速度，取9.8m/s2；v为管道中水流流速；ζ2为出水管口的局部水头损失系数，取ζ2=0.5；α2为出水管道的动能修正系数，α2=1。

整理式（1）得式中：Q为管道中水流流量。

以消力井井筒底为基准面，对图1中的井内自由水面4-4与平流稳压井自由水面5-5列能量方程：式中：hw2为平流稳压井造成的水头损失；z为出水管到井筒底的位置水头；v4为井内自由水面的平均流速；α4为井内自由水面的动能修正系数，取α4=1。

将式（2）代入式（3）可以计算出平流稳压井的水头损失hw2：

（1）在Q、D、λ、l不变的情况下，井内水深H、出水管管上水深h、井内自由水面的平均流速水头v42/2g均为定值。通过式（4）可知，当出水管的位置水头z=0时，水头损失hw2最大，平流稳压井消能效果最佳。

（2）在D、λ、l、z都不变的情况下，增大管道水流流量Q，井内水深H变化不大，井内自由水面的平均流速水头v42/2g增大很小，均可以视为定值。由式（2）发现平流稳压井的管上水深h与流量Q的平方成正比，随着流量的增大而增大。随着管道流量Q的增大，平流稳压井的水头损失hw2减小，在理想极限状态下，当平流稳压井的自由水面与井内自由水面高度相同时，平流稳压井的消能效果完全消失。

3.2 改進型消力井管径的确定

（1）消力井井筒的消能效果。消力井井筒的水头损失系数是水头损失与流速水头的比值，可以表征消力井井筒消能效果：式中：ξ1-2为消力井井筒的局部水头损失系数；ΔH1-2为消力井井筒前后的水头损失；p1为消力井进水口前管道压力；p2为消力井出水口的管道压力；γ为水的容重。

（2）闸板阀的消能效果。闸板阀使水流断面急剧收缩或者扩散，达到消能的目的。ζ0-1，可以表征闸板阀消能效果：式中：ζ0-1，为闸板阀的局部水头损失系数；ΔH0-1，为闸板阀前后的水头损失；p0为管道与消力井连接前端处的水压力。

（3）闸板和消力井井筒消能效果分析。通过式（5）和式（6）计算出不同流量下消力井井筒和闸板阀的水头损失系数。由图3、图4可知，消力井井筒和闸板阀的水头损失系数随着流量的增大而减小，在同一流量下，闸板阀的水头损失系数远远大于消力井井筒的水头损失系数，说明闸板阀的消能效果远远大于消力井井筒的消能效果，仅考虑消力井井筒的消能率，并不能很好地反映出长距离输水管道能量的变化过程，必须将闸板阀对管道的影响考虑进去。

以消力井井筒底为基准面，图1中0-0断面和出水管2-2断面的总能量分别为式中：Δz为进水管到井筒底的位置水头；α0为进水管道闸板阀前的动能修正系数，取α0=1。

改进型消力井消能率计算公式为

随着闸板阀开度的增大，闸板阀前的压强P。减小，而出水管处的压强p2逐渐增大[8]，消力井的消能率K随着流量的增大而减小。图5为消力井室内试验得出的消能率随流量的变化规律，试验结果与理论分析结果一致。

3.3 工程实例计算

某供水水利工程具有供水线路长、落差大等特点，设计采用消力井进行消能。为了满足最大高峰期的用水量，供水工程的最大设计流量为1.3m3/s，进水管总水头为92m，出水管总水头为11m（为保证居民楼层供水压力及沿程管道能量损失要求）。该工程实际要满足的消能率K=88%。根据图5可以查出无量纲Q/vd=3109916，工程设计流量为1.3m3/s，实际工程运动黏性系数按大气温度25℃来定，取运动黏性系数v=0.897×10-6，从而得出管道直径d=0.466m，实际工程管道直径选择d=0.500m。

4 试验结果及分析

（1）水流特性分析。水流从喷孔中射流出来碰到井筒壁后，一部分水流向上运动，一部分水流向井筒底中央集中，向下运动的水流接触到井筒底后改变方向并向井筒底中央汇聚，继而上升到达水面，水面有微弱的波动，流态良好。

（2）消能效果分析。由图6可以看出，无论传统式还是改进型消力井井筒，消能率都随着流量的增大而增大，当流量增大到一定程度后，其基本保持稳定。改进后的多孔喷头式消力井井筒的消能率可达80%，而传统式消力井井筒的消能率仅可达60%，证明改进方案能够有效地提高消力井井筒的消能效果。由图7可知：平流稳压井的消能率随着流量的增大而减小，试验结果与理论分析结果一致，说明消力井井筒的水头损失不仅由水流之间的相互混掺、翻滚引起，还与相互碰撞有关。

5 结论

（1）消力井井筒水流流态比较平顺，消能效果良好，是一种理想的消能工。

（2）保证管道流量一定，当出水管的位置布置在最低处时，平流稳压井的消能效果最佳。

（3）当流量较小时，平流稳压井具有一定的消能效果；随着管道流量的增大，平流稳压井的消能率开始减小，在理想极限状态下，井内自由水面与平流稳压井的自由水面高程相等时，平流稳压井的消能效果完全消失。

（4）改进后的多孔喷头式消力井井筒水流混掺更加充分，消能效果优于传统式消力井井筒。

（5）通过建立无量纲参数之间的函数关系式，为消力井管径设计提供了一种简单的计算方法。

参考文献：

[1]汪恕诚.论大坝与生态[C]//联合国水电与可持续发展研讨会文集.北京：北京出版社，2004：1-4.

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[3]芦绮玲，陈刚.输水工程中压力管道出口水流消能方法的试验研究[J].西安理工大学学报，2008，4（1）：80-85.

[4]赵经华.阿拉山口输水管道消能井结构试验研究[J].人民黄河，2010，32（3）：92-93.

[5]衡海龙，刘焕芳，金瑾.消力井消能效率及井底压强分布研究[J].人民长江，2016，47（7）：82-85.

[6]吴建廉.金钟水利枢纽引水配套工程长距离输水管道安全措施探讨[J].水利科技与经济，2009（11）：983-985.

[7]蘆绮玲，黄君瑶，李国栋，等.多喷孔射流的三维紊流数值模拟及消能分析[J].水力发电学报，2007，26（1）61-66.

[8]吕宏兴，裴国霞，杨玲霞.水力学[M].北京：中国农业出版社，2002：22-70.