排气阀设置对长距离输水管道内压强及流速的影响研究

周 斌,马晓丽

(1.甘肃省临夏回族自治州水务局,甘肃 临夏 731100; 2.甘肃省临夏回族自治州广河县水务局,甘肃 临夏 731300)

0 前 言

水的供应与城市的发展紧密相连,是影响城市快速发展的重要因素。随着经济发展和社会进步,人们对供水服务的水质、水量和供水稳定性要求越来越高,用水和供水的矛盾日益突出[1]。大量的实践证明,长距离输水工程是解决城市日益增长的生活生产用水与城市水资源匮乏之间矛盾的最有效技术手段之一[2]。但长距离输水工程由于地势起伏变化大,管线布设随地形蜿蜒起伏,导致管道内水力过渡过程不稳定,管道内压力变化剧烈,容易引发气体堵塞和出流不均匀,严重时可导致爆管等事故[3-4]。因此,如何通过合理的技术手段提高供水管路系统的安全性与可靠性,是长距离输水工程在设计之初考虑的重要问题,也使得管道内气液两相流动特性的研究受到越来越多的学者关注和重视[5-6]。

供水管道在首次通水或因故排空管道后重新投入使用时,均需对管道进行充水[7],但管道充水过程中存在着水柱分离现象和因充水过快而带来的气堵问题,使管道内形成气液两相流动[8-9]。而管道存气不仅是诱发水击造成爆管的主要因素之一[10],也会增加供水的动力消耗,影响输水稳定性。因此,通过合理设置排气系统,排出长距离输水管道中的气体,降低气体带来的不利影响,是提高整个输水系统平稳运行的关键。排气阀设置是长距离输水系统中防止气阻及爆管,降低水锤不利效应的有效手段,国内外许多学者也开展了相关研究[11-13],但对于管道充水过程中排气阀设置引起的管道内流动速度及压强的变化还鲜有报道。

基于此,本研究以甘肃省临夏回族自治州(简称“临夏州”)引黄济临供水工程起伏最大管段(二泵站—高位水池,管线长度2.90 km,设计总扬程97.38 m)为研究对象,选取特征断面和剖面,采用数值模拟的方法,研究在实际工况流量(0.539 m3/s)条件下,排气阀设置前后管道内水流流态、压强和流速的动态变化,以期为管路设计和安全、节能运行提供理论支撑。

1 管道模型与数值方法

1.1 管道几何模型

为研究排气阀设置对管道内水流特性的影响,对引黄济临供水工程二泵站-高位水池2.90 km的管段进行建模,管道直径1.10 m,设置6个横断面和4个纵向剖面进行监测,如图1所示。由于水流从二泵站流向高位水池,根据预试验结果,在距离二泵站较远的高位水池附近设置的观测断面较密集,来研究管道内水流流动特性。

图1 研究管段及选取断面与剖面

1.2 湍流模型

由于管道内水流速度较低,为不可压缩流体,因此管道内流场特性的控制方程采用不可压缩雷诺平均方程(RANS),湍流模型采用标准的k-ε模型,其具体形式为[14]:

(1)

(2)

式中:Cμ为经验系数,取0.09。σk为k的湍流普朗特数,1.00;σε为ε的湍流普朗特数,1.20;C1和C2为ε方程中的常数,分别为1.44和1.92。Gk为平均速度梯度引起的湍动能产生项,其可由下式确定

(3)

湍动能的耗散率ε可以写作:

(4)

涡黏系数μt可以表示为k和ε的函数:

(5)

1.3 VOF多相流模型

常见的多相流模型有VOF模型、Mixture模型和Eulerian模型等,在VOF模型中,不同的流体组分共用一套运动方程,通过定义一个相体积分数变量来实现欧拉网格下每一个单元相界面的追踪,可以直接计算所有相的运动情况,间接推导界面的运动状况,避免追踪相界面时遇到界面运动和变形困难[15]。主要适用于自由水面、分层流动、液体中的悬浮大气泡运动以及溃坝水流等的计算,能够较好地捕捉自由表面。因此,为了研究管道内可能存在的滞留气体对供水管道内水流流动特性的影响,本文采用VOF法进行数值计算。

1.4 网格划分

为了提高计算精度,本研究采用六面体结构化网格进行划分,对圆管截面进行“O”型剖分,管道截面网格和主体管路网格如图2所示。在管道壁面添加15层编辑层网格,距离壁面第一层网格高度为4.3×10-5m,满足标准k-ε模型要求的y+<30。为了验证模拟的网格无关性,对46.3万、58.9万和65.6万三套网格的计算结果进行分析,发现58.9万和65.6万网格方案的计算结果较为接近,管道内压降基本保持恒定,差异在2%以内,考虑计算的经济性,最终选定网格单元数为58.9万的计算方案进行后续数值分析。

图2 管道截面和主体管道细部网格

1.5 边界条件与计算方法

边界条件是否准确对数值计算结果的可靠性影响较大,因此在应用数值计算方法求解输水管道内流场特性时,必须给定恰当的边界条件。本研究中采用在实际运行过程中二泵站测得的流量、压强、前池水位等参数,作为计算域的进口边界条件,但以工程运行工况下的压强为进口边界条件所得管道内流量较实际值偏大,这对于管道内流场特性的分析将产生较大影响。因此进口边界条件采用质量流量进口,即具有一定质量流量的水流沿垂直于进口方向进入计算区域,取单管实际运行工况下的质量流量0.539 m3/s进行分析。采用压力出口边界条件,压强为大气压,相对压强为零。管道壁面边界条件为静止的无滑移壁面边界,由于水流具有黏性,因此与管道壁面接触的水流相对速度为零,且认为管道壁面与周边没有物质和能量交换。近壁面采用非平衡的壁面函数法处理。

质量、动量控制方程采用改进的QUICK格式进行离散,改进的QUICK格式可减少扩散误差,计算精度较高,稳定性好[16]。速度与压力耦合采用PISO算法,PISO算法是基于校正压力与速度之间的高度近似关系算法,求解结果精度较高[17]本研究中采用ANSYS Fluent 17.0 商业软件完成数值模拟计算。管道在投入使用时的充水排气过程是一个非稳态过程,但受篇幅限制,本文仅以瞬态模拟管道充水60 min达到稳定后管道断面和剖面内水流的压强和速度进行分析。

2 结果分析

2.1 压强特性

气液两相流动是长距离大起伏引输水管道中容易出现的问题。由于管路中气体的存在,会引起管路中压强出现波动,进而产生管路中流动的不稳定。图3和图4为管路横断面压强变化,从中可以看出,管路未设置排气阀时(见图3),管路近高位水池断面(1-1、2-2断面和3-3断面)气体淤积较为严重,通水后管道截面仅有不到50%为水流,而近二泵站4-4、5-5断面和6-6断面管道中气阻现象不明显。这主要是因为管道高低起伏,管道在低点的累积气体会滞留在管道内部,随着水流向管段末端流动,管内的滞留气体越来越多,一些气团无法顺利排出,从而影响管道的过流能力。设置排气阀后(见图4),管路上部气体淤积明显减轻。同时,从图5和图6管路纵断面的压强变化中也可以看出,管路中各段面设置排气阀后,管路内1-1、2-2断面和3-3断面压强降低,过流断面积有所增加,而4-4、5-5断面和6-6断面没有明显变化。说明4-4、5-5断面和6-6断面受气阻影响较小,可以不设置排气阀。初步分析主要是由于4-4、5-5断面和6-6断面靠近二泵站,地势起伏较小,水泵产生的水压力大于管路内气阻压力;而1-1、2-2断面和3-3断面近高位水池,地势起伏较大,同时受到管路沿程水头损失、局部水头损失和未设置排气阀产生的累积气阻的影响,水泵产生的水压力受到管路内气阻的影响逐渐增大,因此,设置排气阀前后管道内压力变化较大。

图3 断面压强(未设排气阀)

图4 断面压强(设置排气阀)

图5 剖面压强(未设排气阀)

图6 剖面压强(设置排气阀)

图5和图6显示了管道内纵向剖面1-1至4-4剖面在设置排气阀前后压强的变化。可以看出,未设排气阀时管道内水流和气体流同时存在,因气体的可压缩性,导致管道内流体压力较大,监测横截面压强在60 654～254 257 Pa。当设置排气阀后,管道截面压强降低至50 465～234 541 Pa,最大可降低 19 986 Pa,而1-1、2-2、3-3断面和4-4剖面管道内流体最小压强较设置排气阀前分别下降了10 546、9 104、9 106 Pa 和9 107 Pa,同时管道内液体的流动均匀性较好,很大程度上保证了管道的安全。

2.2 流速特性

图7为实际运行工况下二泵站—高位水池段管道未设空气阀和设置空气阀两种工况下的关键断面速度矢量。从中可以看出,管道未设排气阀时,1-1断面和2-2断面内水流存在不同程度的回流,从而在管道内部形成旋涡,加大了水流在管道中流动的摩擦阻力和局部阻力,大大增加管路输水系统的动力消耗和运行成本。当管道内设排气阀后,1-1断面和2-2断面除靠近壁面边界层区域外,中心区域的水流近似均匀直线流,大小较为接近,方向基本平行,断面的回流的旋涡消失,管道内形成良好的内部流动,各断面中心区域的水流速度分布更为均匀(见图8)。

图7 关键断面速度矢量

图8 2-2断面流速

图9和图10为实际运行工况下二泵站—高位水池段管道内设置空气阀前后4-4剖面流速云图和矢量图。从图9中可以看出,管道未设排气阀时,由于气体的存在,管道内液体流动不均匀、不平稳,管道内局部速度突变,容易引起管道振动,严重时会产生剧烈的振动,管道在长时间的振动作用下,易导致连接处松动漏水甚至管道断裂,从而会降低管道的使用寿命。管道设排气阀后(见图10),在管道的弯曲处,流速矢量图反馈出其水流流动方向相互平行,管道内水流均匀性和平稳性增加,水头损失大大减小,有利于工程的节能运行。此外,设置排气阀后管道断面的平均流速为0.59 m/s,与设计理论值0.57 m/s 较为接近,而断面平均流速的实际值较理论值偏大的主要原因是数值模拟建模时忽略了管道部分起伏转折点。可见,设置排气阀对长距离起伏输水管路系统的节能安全运行具有重要意义。

图10 4-4剖面流速及矢量(设置排气阀)

3 结 论

(1) 不设置排气阀时,管道液体流动不均匀,管道起伏段出现较多的滞留气团和多点局部聚集气体现象,引起了管道内流态的恶化,产生旋涡;设置排气阀后,整个管道内流态近似均匀直线流,流态稳定,断面速度分布均匀。

(2) 不设置排气阀时,管道截面内因气体淤堵有效过流断面面积不到50%;设置排气阀后,有效过流断面面积增大至整个管道截面,管道输水能力增加。

(3) 不设置排气阀时,管道横截面压强在60 654～254 257 Pa,设置排气阀后管道截面压强降低至50 465～234 541 Pa,最大可降低 19 986 Pa,有利于管路系统的节能安全稳定运行。