給水管網中閥門阻力實驗研究
伍悅濱1 , 2 , 曲世琳1 , 張維佳3 , 趙洪賓1
(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院, 黑龍江哈爾濱 150090, E-mail:[email protected];
2.同濟大學環境科學與工程學院, 上海 200019;
3.蘇州科技學院環保系, 江蘇蘇州 215011)
摘要:為解決給水管網模擬計算中忽略閥門阻力產生的誤差, 通過實驗研究建立了給水管網中常見閥門——— 閘閥局部阻力系數與相對開度的數學模型, 基于閥門“ 當量長度” 概念, 提出計入閥門阻力時給水管網的模擬計算方法.指出閥門的局部阻力系數不僅與開度有關, 還與管徑密切相關;不同管徑的閥門, 在同一相對開啟度下的阻力系數不同.
Local head loss caused by valves in water distribution network
WU Yue-bin 1 , 2 ,QU Shi-lin 1 , ZHANG Wei-jia 3 , ZHAO Hong-bin
(1.School ofMunicipal and Environmental Engineering , Harbin Institute of Technology , Harbin 150090, China , E-mail:Wuyuebin @163 .net;2.School of Environmental Science and Engineering , Tongji University , Shanghai 200019 , China ;3 .Dept .of EnvironmentalProtection, Suzhou College of Science and Technology , Suzhou 215011, China)
Abstract :In order to eliminate the head loss caused by valves , a mathematical model has been established for the relationship between the coefficient of minor loss and the relative opening degree of gate valve through experiments , and then verified through the comparison of the actual values with calculated values .Based on the concept ”equivalent length of valve” , the calculating method is proposed with the head loss caused by valves taken into consideration .It is pointed out that the some obstruction coefficient of the valve relates to the opening degree and pipe diameter .Even at the same relative opening degree , the coefficient of minor loss is different for different pipe diameters of valves .
Key words:water supply system ;valve ;coefficient of minor loss ;relative opening degree ;equivalent length
在給水管網模擬計算中, 通常只考慮沿管線長度的沿程水頭損失, 而包括閥門在內的配件和附件所引起的局部水頭損失, 因為與沿程水頭損失相比很小而忽略不計[ 1] .在一般情況下, 不計局部水頭損失產生的誤差較小, 計算結果與實際情況基本吻合.然而, 在城市地形復雜等特殊情況下, 給水管網需要借助閥門調節壓力和流量, 一些閥門經常處于非全開狀態, 而非全開閥門的阻力系數是閥門全開時的幾十倍, 甚至上百倍, 如果管網模擬計算仍然忽略閥門水頭損失, 其結果可能與實際情況相差甚遠.
本文對閥門的阻力特性進行了研究, 通過實驗模擬獲得了給水管網中常見閥門—閘閥阻力系數隨相對開度變化的數學模型, 并提出了計入局部阻力時給水管網水力模擬計算方法.
1 閥門相對開度
若要改變給水管網系統的運行工況, 最直接的方法就是調節閥門的開啟度.以閘閥為例, 閥門的開啟度是指通過手動順時針旋轉, 絲桿帶動閥瓣向下運動, 直到旋緊關閉流通管道出口為止, 并可通過開度指示表示位置.而當逆時針旋轉時, 閥瓣向上運動, 打開全部通道.在閥瓣上下運動時,可同時實現對管道流量的調節作用.從水力工況方面講, 啟閉件的動作直接影響過閥流體的壓力變化情況;從幾何形狀方面講, 啟閉件的動作大小是相對于全開時總行程來描述的.因此, 將閥門的開啟度分為“水力開度”與“ 幾何開度”[ 2] .本文利用閥門的幾何開度研究閥門的阻力系數.
閥門的“幾何開度” 又稱“相對開度” , 指閥門的閥瓣隨絲桿運動時, 絲桿行程占絲桿從全開啟到全關閉行程的比值.給水管網中常見閥門為閘閥.
2 實驗研究
2.1 實驗系統
給水管網中水體流動屬于粘性流體的受迫運動, 對流動狀態起決定作用的是雷諾準則.在紊流狀態范圍內, 隨著雷諾數的增加, 最初流體紊亂程度及流速分布變化較大, 以后的影響漸漸變小.當雷諾數大于“臨界數”時, 這種影響幾乎不存在, 流動進入自模狀態.當流體處于自模狀態時, 流動狀態及流速分布不再變化, 皆彼此相似, 與雷諾數不再相關[ 3] .
由于黏性流體具有“穩定性”與“自模性” , 當模型與原型流動均處于自模區時, 不必保證雷諾數相等, 二者只要達到幾何相似即滿足流動相似.管網中介質流經閥門部件時, 其阻力系數可通過模型實驗進行模化.實驗在如圖1 所示的系統中完成.
1 —循環水泵;2 —節流閥;3—測試閥門;4 ~ 9 —測壓點;
10 —測試閥門;11 ~ 14 —壓差傳感器表頭;15 —超聲波流量計;16 —循環水箱
圖1 實驗系統
Fig .1 Experimental system
通過壓力傳感器與超聲波流量計分別測出閥門在每一開度下的過閥壓差與流量, 再由hm =ζv2/2g 計算待測閥門在每一個開度下的局部阻力系數ζ.
2.2 數學模型
對管徑為DN100 、DN150 、DN200 、DN300 及DN400 的閘閥分別進行實驗, 每組均在同樣條件下重復3 次以上, 利用狄克松準則對測得的大量數據進行篩選(圖2), 并繪制閥門阻力系數隨開啟度的變化曲線(圖3)
圖2 狄克松準則流程圖
Fig .2 Flow chart on Dixon rule
圖3 閘閥實驗曲線
Fig .3 Experimental curves of gate valves
利用CXPTW 軟件對上述曲線分別進行數據擬和, 通過對各種回歸模式進行誤差分析后, 獲得閘閥阻力系數隨相對開度變化的最佳數學模型為
ζ= ab1/ kkc . (1)
式中:ζ為閘閥阻力系數;k 為閘閥的相對開度;
a 、b 、c 為待定系數.擬和結果表明, 待定系數與管徑密切相關, 具體數值需通過實驗確定.
將實測數據代入式(1), 利用最小二乘法分別確定DN100 、DN150 、DN200 、DN300 及DN400 閘閥的待定系數值, 數學表達式見表1
2.3 實測驗證
某城市地形復雜, 地勢高差較大, 地面標高最大差值約100 m , 給水管網中主要通過改變閘閥開啟度來調整流量, 控制管線內部壓力.因此, 對該城市給水管網進行模擬計算時, 需考慮閥門的局部阻力.為驗證閘閥阻力系數模型(式(1))的工程實用性, 以使用2 a 、管徑DN400 閘閥為例進行現場實測.經過3 組平行試驗, 并利用狄克松準則對實驗數據進行篩選, 將測試值ζ與模型計算值ζc比較, 誤差分析結果列于表2 .
對表2 數據進行誤差分析, 其方差s 為0.370 2 , 相關系數為0.998 2 , 計算值與實驗值偏差較小.可見, 閘閥阻力系數模型(式(1))具有一定的工程參考價值.
3 管網模擬計算時閥門阻力的轉換
3 .1 當量長度
閥門阻力系數ζ是相對開度和管徑的函數,當管徑d 一定時, 可通過表1 中相應的關系式獲得閥門在某一開度k 下的阻力系數值.
如果某流量通過直徑為d 的閥門, 假設在相對開度k 時產生的局部阻力hm 等于該流量流經相同管徑d 、沿程阻力系數λ、長度為l′的等徑管路時產生的沿程水頭損失hf , 則稱l′為該閥門在該工況下的當量長度.
由達西公式hf = λl′v 2/(2gd), 而hm =ζv2/(2g), 令hm = hf , 則ζv2/(2g) =λl′v2/(2gd), l′= ζd/ λ.即閥門在某工況下的局部阻力相當于同條件下長度為l′管路上的沿程水頭損失.
3 .2 局部阻力的轉換
當計入閥門局部阻力時, 管路系統的水頭損失為
hl = λ(l +l′)v2/(2gd). (2)
在給水管網水力模擬計算中, 通常采用海曾-威廉公式計算管段的水頭損失[ 4] , 即
當計入閥門阻力時, 式(3)中的長度量值應包含管線本身長度l 及閥門當量長度l′, 即
4 結論
(1)閥門的局部阻力系數不僅與開度有關, 還與管徑密切相關.不同管徑的閥門, 在同一相對開啟度下的阻力系數不同.
(2)閘閥局部阻力系數與相對開度數學模型的建立和閥門在某一工況下“當量長度”概念的引入, 為提高給水管網水力模擬計算準確性提供了可行方法.
(3)當計入閥門局部阻力進行給水管網水力模擬計算時, 海曾-威廉公式中的長度量值應包含閥門的“當量長度