有压输水管内微气泡分布特性及控制措施研究

邹德兵，王一帆，丁 刚

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；2.武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉 430072）

0 引言

已有研究指出微气泡直径介于1～1 000 μm 或亚微米尺度的气泡，其物理化学特性在污水处理、生物医药、船舶减阻等领域受到了广泛关注［1］。当前，城市供水项目的兴建使有压输水管道日益增多，而微气泡的数量和尺寸会对水厂水处理工艺和输水管道的安全运行产生显著影响［2］：均匀的直径小于50 μm的微气泡可以增加曝气效率［3］，而较大的微气泡则容易在管道中聚集形成大型气泡，增加管道水头损失，降低通水能力，危害输水管道运行安全，降低水厂设备工作效率。这使得对有压输水管道中的微气泡进行观测和控制的相关研究成为必要。曹命凯等［4］研究了长距离有压输水管道充水过程中排气不尽的影响，认为管道充水时排气不尽或管道入口掺混气体，会影响输水效率并增加爆管风险，可以通过控制充水方式和设置排气阀方式排出；杨诚志［5］则对气泡运动规律进行研究，总结了气泡起动流速与气泡大小的量化关系。

当前对水流中微气泡进行观测的方式主要有激光成像法［6］、PIV 法［7］、探针法［8］、高速摄影图像法等［9-12］。其中高速摄影图像法因其测量的非接触性以及设备维护简单，适合有压输水管道模型试验的水流微气泡测量。现有相关研究往往偏于理论研究，一般利用特定试验管道模型进行测试与分析，并未与实际工程运行直接关联。本文以深圳市北坑水库配套输水工程为例，基于高速摄影图像法和水工模型实验对有压输水管内微气泡在消力池消能效果、输水流量变化时的分布特性进行了研究，并提出了合理的有压输水管内微气泡控制措施。

1 微气泡分布特性试验方案

1.1 工程概况

北坑水库坝址位于深汕特别合作区赤石河上游峡谷出口，是深圳市水源规划布局中“三蓄”水库之一。其配套输水工程由输水隧洞段、隧洞出口消力池与有压输水埋管段构成，上游起点为北坑水库，下游终点为中心水厂。输水隧洞段长8.93 km，隧洞洞径2.4 m，隧洞出口中心线高程56.6 m；消力池控制水位60.3 m；消力池出口接有压输水埋管，该处管道中心线高程53.5 m；有压输水埋管段长471 m，管道直径1.8 m，暂定埋管出口中心线高程56.0 m。工程输水方式为全程有压重力流输水，设计引水流量2.5～7.64 m3/s。

1.2 物理模型设计

一般来说，正态模型设计需满足重力相似准则，且保证水流位于完全紊流区（雷诺数Re≥1 000～2 000），水深大于2 cm。在研究微气泡的气液两相流正态模型试验中，除了满足正态模型的各种相似条件之外，还需在调节试验工况过程中，保证管道压力缓慢变化。

在模型与原型压强相似的情况下，模型中的气泡由于本身尺寸更小，受到压强影响相对更小，从而使得气泡直径在部分长度比尺下并不满足几何相似条件。根据郭永鑫、杨开林等的研究成果［14，15］，使用正态模型进行管道气泡相关试验时，考虑压强影响后气泡在原型与模型中直径比值λq满足式（1）：

式中：λl为长度比尺；Pa、Pm分别为标准大气压、任意时刻模型气泡所在位置水压；

整体模型包括水循环系统、上游水库、进水塔、输水隧洞段、消力池、有压输水埋管段、下游水厂。其中，输水隧洞段模型通过阻力环替代部分输水隧洞，有压输水埋管段模型简化由进口水平段、转弯及下弯段、出口水平段、出口段组成。进水塔、输水隧洞段、消力池及有压输水埋管段采用透明有机玻璃制作，以满足管道糙率相似要求及观测需要。模型完成后的模型过流能力测试结果表明，模型的泄流能力与水头损失与原型相似，能满足设计要求。模型布置如图1所示。

图1 物理模型布置图（单位：m）Fig.1 Layout of the design of the model test

1.3 高速摄影装置及测试原理

模型试验采用非接触式的高速摄影图像法研究气泡在有压输水埋管内的运动过程（包括微气泡大小、数量等）。将非频闪LED强光源置于有压输水埋管下方，采用VEO高速摄影机对典型管段进行拍摄，利用VEO 摄影机自带的PCC图像采集软件对拍摄图像进行采集和初步切分，接着对切分后的图像进行灰度处理，再进一步通过调整霍夫变换算法中圆心的累加器阈值以及边缘梯度，可以查找不同尺寸微气泡并计算出其所占像素。最后检测每帧微气泡像素与总像素占比以及每帧气泡数量，并依据图像中标尺长度计算采样块面积，从而计算模型中气泡实际大小。通过统计模块给出上述测量结果的统计参数，即可得到该管段的微气泡数量、直径等数据。

试验中采用的高速摄影装置示意图如图2所示。

图2 高速摄影测试装置示意图Fig.2 Schematic of high-speed photography device

1.4 试验工况

经过前期多次调试，试验最终选择典型采样管段图像宽度（沿管轴线）为130 mm（模型值），VEO 高速摄影机拍摄参数如下：图像分辨率1 280×800、摄像速度400 fps，曝光时间1 600 μS，分析采用图像共2 400帧（6 s）。

通过对输水埋管运行工作条件的分析，选取如表1所示的4个代表性工况进行试验。

表1 模型试验典型工况及控制参数Tab.1 Typical working conditions and control parameters of model test

2 微气泡分布特性试验成果

2.1 微气泡分布特性

模型试验中，在各工况下调试上下游水位及流量，保证出水口中心水厂水位稳定，使得输水埋管段稳定运行工作，进而对输水埋管段微气泡分布特性进行观测。各工况进口水平段图像对比如图3所示。

图3 试验工况下进口水平段图像对比Fig.3 Comparison of images under test conditions

由图3 可知，试验工况下输水埋管进口水平段内气泡数量很少，难见直径大于1 mm 的气泡，仅工况3［如图3（c）所示］在图像中发现了少数直径较大的气泡。采用图像分析软件进行图像分析后，得到各工况在拍摄历时内观测到的微气泡大小与总数量对应关系如图4所示，微气泡分布特性关键参数统计如表2所示。

表2 各工况微气泡分布特性统计Tab.2 Statistics of the distribution characteristics of microbubbles

图4 试验工况下微气泡分析结果Fig.4 Analysis results of microbubbles under test conditions

通过图4 和表2 可以发现，随着测试工况发生变化，微气泡的分布特性发生了显著改变，工况1、工况2、工况4 微气泡面积基本在0.05 mm2以下，工况3 下观测到的微气泡面积多大于0.05 mm2。每帧最多同时存在气泡数量和气泡总数量也随着测试工况变化也发生了较大改变。需进一步分析输水流量和与消力池消能率对微气泡分布特性的影响。

2.2 消力池消能率对微气泡分布特性的影响

加入示踪粒子（示踪剂）后的工况2 与工况3 消力池流态如图5所示。

图5 消力池流态Fig.5 Flow pattern of stilling basin

通过图5（a）、（b）可以发现，两工况下示踪粒子在消力池水体表面分布较均匀，没有发现表面涡旋。通过图5（c）、（d）可以发现，两工况下消力池内均未出现吸气漩涡，不会导致气体从消力池表面被吸入输水埋管。这一现象也表明，有压输水埋管内微气泡主要来源于上游水体进入消力池消能后所形成的残余气泡。

通过图5（c）、（d）中示踪剂分布可以发现，消力池消能过程中，主流从输水隧洞进入消力池后直接冲击消力池内隔板后，分别从隔板过流孔和隔板上缘进入消力池后室再进入输水埋管。工况2下主流明显被隔板分为两股进入隔板后消力池后室发生掺混；工况3 下隔板的分流效果不如工况2 明显，主流很少穿过隔板过流孔，而是翻越隔板上缘进入消力池后室。同时，工况2 下表面示踪粒子更加集中分布于靠近下游侧，而工况3下表面示踪粒子则分布相对更均匀，计算两种工况消能率发现，工况2 消能率为95.69%，工况3 消能率仅为87.01%。可以认为，工况2中由输水隧洞进入消力池水流能量更大，消能过程中水流扰动更强，而工况3 下消力池内流态平稳，水流扰动很小，主流中包含的微气泡等更易集中进入消力池下游输水埋管。

通过以上分析以及图4 和表2 数据可知：在流量不变时上游库水位更低的工况，水流在消力池内受到扰动越强，上游水体所含气泡在消力池内更易散成体积更小的微气泡，进而使得进入输水埋管的水流中微气泡分布密度更低，尺寸更小。

2.3 输水流量对微气泡分布特性的影响

由图4（a）、（b）、（d）可知，增大输水流量使得管道内微气泡直径减小的同时，拍摄历时内捕捉到的微气泡总数量先增加后减少。根据表2数据可知，随着输水流量的增大，微气泡占采样块面积最大百分比逐渐增加，说明微气泡分布密度更大。

在有压输水埋管进口测得工况1、工况2、工况4 管道中心线流速分别为0.80、1.63、2.35 m/s。分析认为小流量时管内流速很小，使得管内气泡难以被水流带出或随水流运动很慢，使得观测到的气泡直径较大、数量较少；流量增大时，进入管道的微气泡数量更多，但管内流速也逐渐增大，使得微气泡不再能附着在管壁，聚集过程也缩短，观测到的微气泡直径减小；流量进一步增大时，流速增大使得微气泡移动更快，观测到的微气泡尺寸变化不明显，但分布密度变小。

可以认为适当增大管道输水流量可以有效减少管内微气泡数量和分布密度。对于本工程而言，在上游水位为98 m 时，输水流量从2.50 m3/s 增加至5.35 m3/s 时，管道内微气泡直径减小，分布密度增加；输水流量从5.35 m3/s 继续增加至7.64 m3/s时，微气泡直径变化不明显，但分布密度更小。

3 微气泡控制措施试验成果

以微气泡分布特性试验成果为基础，从充水排气方式、排气阀设置及改变管道直径等方面进行了管内微气泡的控制措施试验。

3.1 充水排气方式

根据《给排水设计手册》［16］，在管道系统初次启用或检修重启时，需要遵循小流量充水原则对管道进行充水排气。即满足“尽可能地将充水时的满管平均流速规定为0.3 m/s，最大不超过0.6 m/s”的情况下，同时也要满足流速大于不淤流速0.5 m/s，（实际采用流速原型值为0.6 m/s）。为验证小流量预充水效果，选取微气泡特性试验中微气泡尺寸和分布密度较大的工况3进行对比，对不同排气方式下（通水流量直接充水和小流量预充水）管道内微气泡状态进行观测。

在上游水库、消力池、下游水厂水位均稳定后，工况3 运行条件下，不同排气方式下管道内微气泡堆积状态如图6所示。

图6 不同排气方式下管内微气泡堆积情况Fig.6 Microbubble accumulation with different exhaust methods

充水排气试验结果表明，采取通水流量直接充水会产生明显的微气泡堆积，虽未形成大型气泡或气囊，但对有压输水管道的微气泡控制不利。采取小流量预充水后，管壁没有观察到明显微气泡附着和堆积，微气泡控制效果良好。

3.2 设置排气阀

为研究有压输水管道沿程微气泡状态，验证沿程排气阀对微气泡控制的有效性，用模型排气孔对排气阀进行模拟，根据相关规程及文献［17，18］，考虑管道起伏转弯情况，在有压输水埋管段进口水平段、转弯及下弯段弯道前后、出口水平段、出口段控制阀前共设置排气孔5 处。工况3 管段沿程气泡状态对比如图7所示。对图8（a）、（c）、（d）的典型测试部位进行微气分布特性统计，结果如表4所示。

图7 管道沿程气泡堆积状态Fig.7 Microbubble accumulation along the pipe

图8 不同管径微气泡图像对比Fig.8 High-speed photographic images of microbubbles in different diameter pipes

由图8 及表3 可知，在沿程设置排气阀后，水流中微气泡尺寸和数量均呈现比较明显的沿程下降趋势，微气泡占管道面积总百分比也明显下降。在水厂内的输水管道出口，最大微气泡面积仅0.006 mm2（模型值），说明沿程设置排气阀可以有效排出直径较大的微气泡，对有压输水管道内微气泡数量及尺寸控制有利。

表3 设置排气阀后各管段微气泡分布特性关键参数Tab.3 Parameters for the distribution of microbubbles in pipeline with exhaust valves

3.3 改变管道直径

为研究管径变化下有压输水埋管内水流微气泡的分布特性，将2.4 m 与1.8 m 管径下管内微气泡分布特性试验数据进行了对比。在采取小流量预充水直至设计通水流量后，工况3 进口水平段不同管径下微气泡观测结果对比如图8所示。微气泡分布特性关键统计参数对比如表3所示。

通过表4 的统计参数可知，当管道直径为1.8 m 时，有压输水管内微气泡直径和分布密度均明显低于2.4 m 直径管道。在工况3 试验条件下，2.4 m 直径管内流速为1.18 m/s，小于1.8 m直径管内流速1.63 m/s，说明缩小管径提高流速使得微气泡在未堆积形成尺寸较大气泡或气囊时就被水流带至下游，使得管内微气泡尺寸和分布密度减小。

表4 不同管径微气泡分布特性统计Tab.4 Statistical characteristics of microbubbles in different diameter pipes

上述分析表明，适当缩小管径提高管道流速有利于对气泡尺寸和分布密度进行控制。但由于管道结构和过流能力的限制，输水管道直径不能过小，需保证管内流速不大于管道抗冲流速，且满足过流能力要求。

4 结论

以北坑水库输水配套输水工程水工模型试验为依托，采用高速摄影图像法，对有压输水管道内微气泡分布特性及微气泡控制措施进行了研究，研究结果表明：

（1）在输水隧洞段出口消力池内未观测到表面涡旋和吸气漩涡，有压输水埋管内微气泡主要来源于上游水体进入消力池消能后形成的残余气泡。在消能率更高的工况下，较大气泡在消力池内更易受到扰动被打散成更小的微气泡，使得进入下游埋管的微气泡直径更小，分布密度也更低。

（2）在上游水位98 m，输水流量从2.50 m3/s增加至5.35 m3/s时，管道内微气泡直径减小，分布密度增加；流量进一步增加至7.64 m3/s时，微气泡直径变化不明显，但分布密度下降。

（3）管道初次启用或检修后重启时保证小流量充水，沿程合理设置排气阀，在满足防冲要求和过流能力要求的前提下适当减小管径，均可对有压输水管内微气泡直径和分布密度进行有效控制。