流速對管網水錘負壓影響的試驗研究

魏闖，李明思，雷成霞，郭銀

(1 山西水利職業技術學院，山西 運城 044004；2 石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003；3 黃河水利委員會水文局，河南 鄭州 450000)

目前，我國的田間節水灌溉技術應用廣泛，但輸水過程中的節水仍是重要環節。管網輸水屬于管道灌溉系統中的一部分，其中首要問題是水錘負壓，因為它不但會使輸水效率降低，而且會使管網運行穩定性變差，甚至破壞相關設備。為了降低負壓水錘風險，提高管網運行安全穩定，運行管理時要控制關閉閥門過程，同時，要求在管網設計和施工階段，除了根據需要在管網特定部位設置水錘防護裝置外，更要科學合理控制管流速度。因此，流速與管網水錘負壓之間關系的研究對減少水錘負壓破壞具有重要的意義。目前，國內外學者主要針對單管水錘問題進行了深入研究[1-7]，部分學者利用特征線法對水錘問題進行了模擬，并提出了相應的防護措施[8-16]。關于水錘問題的研究已經取得了大量有益的成果，其中關于管網中水錘負壓問題的研究成果較少，尤其是關于PVC-U大口徑薄壁管道抗擊水錘負壓破壞問題的研究更少，因此，本文采用水力試驗和數值模擬相結合的方法，分析PVC-U管材樹狀管網中流速和負壓值的相互關系，以期為管網選擇合理的安全流速提供參考和灌區發展PVC-U管網提供工程設計依據。

1 材料和方法

根據水錘試驗方案設計，本文研究試驗選擇在石河子大學現代節水灌溉兵團重點試驗基地進行。試驗管網采用樹狀布置于田間地面上，并修建蓄水池和配套離心水泵，水泵功率較大，電力供應采用發電車現場供電。試驗水流通過水泵加壓進入試驗管網內，經控制閥門后由回水管路進入蓄水池，形成循環供水狀態，利用干管首部的泄壓控制閥門調節管道流速。本文試驗使用超聲波流量計監測流速，分別裝在干管和支管側面；采用18套壓力變送器監測和采集壓力數值。

具體試驗管網布置和設備安裝及參數見圖1和表1。

圖1 試驗管網布置圖

表1 試驗設備及相關參數

進行水錘負壓試驗時，先將干、支管上的閥門A關閉，閥門B、C、D處于全開狀態，啟動水泵，壓力表讀數穩定后緩慢打開閥門A，試驗管網干支管充水，再通過閥門B、C、D接入回水管道，最終返回蓄水池，形成循環供水運行狀態。

整個管網運行穩定后，通過首部泄壓閥門控制干管流速，5個試驗流速處理分別達到0.88、1.48、2.02、2.55、3.05 m/s，當管道水流流速穩定后，在閥門B、C、D處于全開狀態時啟動壓力監測采集系統采集壓力數據，然后手動快速關閉干管首端的閥門A，并保持關閉狀態60 s，壓力變送器數據采集時間1 min，采集頻率20次/s。

為保證試驗的科學、準確、有效，重復上述試驗過程3次;5個流速由低到高依次進行試驗,試驗過程同上。

2 結果與分析

2.1 流速對水錘負壓影響的試驗

根據管網中最大水錘負壓值分析水錘負壓的波動傳遞過程及衰減規律。由閥后管道負壓水錘破壞圖(圖2)可見：管件和管材都有不同程度的破壞，試驗PVC-U管材的公稱壓力為0.63 MPa，管徑為200 mm，壁厚4.9 mm，破壞位置位于干管首端緊挨閥門A后位置，管道試驗監測流速為3.05 m/s。

根據試驗實際工況采用軟件進行數值模擬得出閥后水錘波動曲線。

圖2 閥后管道負壓水錘破壞圖

圖3 負壓破壞管道的節點模擬曲線

由試驗現象和對應節點處的模擬結果(圖3)可以看出：

(1)干管首端閥門快速關閉后，致使閥后出現了負壓水錘波動現象，且強度較大，達到了設定的極限負壓值，并持續作用10 s，隨后呈快速衰減的趨勢。

(2)閥后正壓水頭值達到60 m左右時，管道沒有出現破壞，而是出現了負壓破壞。這是因為管道斷面的破壞狀態是受力變形為扁平狀后破壞的，管道兩側外壁出現兩道明顯的白紋，所以，據此判定管道屬于負壓破壞形式。對變形管道的斷面進行了變形測量，變形量達到20 mm，變形度達到10%。這驗證了試驗管材抗擊負壓能力較弱，破壞相對比較嚴重，長時間作用在管壁上的負壓沖擊會導致管材負壓破壞現象的發生。

(3)該負壓水錘的產生也使其他部位的管道出現一定程度的截面變形，但沒有破壞。由該試驗管材的變形可以直接觀察到，管道外壁沒有出現白色變形，變形較輕微，經測定變形量為5 mm，變形度為2.5%，管道沒有出現破裂現象。從外因而言，說明負壓破壞是負壓沖擊管壁達到一定的變形量才會使管道發生破壞，管道是否負壓破壞主要是由負壓強度及其作用在管壁上的時間而定；從內因來說，抗擊負壓能力與管材的截面形狀有很大關系，試驗說明PVC-U管材的管壁厚度越大，管道抗擊負壓變形的能力就越大，承受負壓破壞的能力就越強。

2.2 流速對水錘負壓影響的模擬分析

對試驗結果和模擬結果分析得到，流速的增大也會一定程度上加大流體自身慣性力，也就增大了負壓生成的風險。數值模擬以試驗的樹狀管網為研究對象，設1干管2支管，2個支管對置布置，設置干管5個流速處理為0.88、1.48、2.02、2.55、3.05 m/s。通過泄壓閥調節流速，流量為333.64 m3/h;模擬控制閥門為干管首端閥門FCV-1，對應試驗干管閥門A，其它閥門保持全開狀態，關閉閥門完成時間為1.8 s，并保持全關狀態60 s。根據模擬結果讀取各測點的壓力時間歷程曲線，分別得到干、支管的最大水錘壓力波動曲線，分別為干管首端瞬態操作閥門FCV-1后(對應試驗管網1號壓力變送器測點)和支管首端節點J-15(對應試驗管網13號壓力變送器測點)處。結果見圖4。

圖4 流速干管負壓曲線

由圖4a、b可以看出：干管流速為0.8、1.48 m/s的水錘負壓波動平緩，作用強度較弱，負壓達到最大值后就進入穩定波動狀態，其波動強度和頻率基本一致，屬于基本無壓能衰減的波動，而且持續時間較長，增大了管道破壞風險。

由圖4c、d、e可知:干管流速大于2 m/s時，負壓水錘的波動劇烈，為高頻大幅度，但衰減也較快，波動時間明顯縮短，負壓極限值為周期性出現，且持續時間為周期性遞減。干管中的負壓值持續時間要大于支管，且水錘波動幅度和頻率都要大于支管，衰減速度也較快。閥門關閉后，干管負壓水錘瞬間就達到極限負壓狀態，并保持時間最長，而支管則先經歷短暫的周期性小幅度波動后再進入快速高頻的大幅度波動。這是由于支管在干管閥門關閉后的短暫時間可以從干管內獲得流量補給，有一個水錘壓力緩沖過程，而干管瞬間就失去了流量補給。

由圖4可知：隨著干管中流速的增大，水錘波動強度越大，頻率越高，波幅也大，作用時間也長。干、支管中的水錘負壓值都是逐漸增大的趨勢，且經過數據擬合符合2次多項式函數分布規律，持續的總時間也是逐漸增長的。這是因為干管閥門的瞬間關閉時閥后管道在瞬間就完全失去流量的補給，高速流體由于慣性作用還會繼續向干管和支管下游流動，致使封閉的管道在閥后形成空管段而產生負壓，液體進一步汽化形成蒸汽壓，這就使空管段達到了極限負壓狀態，然后進入周期性的波動，直至負壓能量衰減釋放結束。因此，干管流速的增大必然會使閥門后流體慣性增大，導致空管段更容易形成負壓并且達到極限值，從而使負壓作用在管壁上的時間和次數增加，管道破壞的風險加大。

圖5為干管不同流速處理下干管和支管中沿程各節點的水錘負壓的模擬結果。

由圖5可以看出：干管的負壓最大值產生在干管首端緊靠閥門后位置，并向干管末端遞減波動，且干管分水口上游段的遞減幅度較大，下游段遞減幅度較小;隨著干管流速的增大，干管中的負壓值都是逐漸增大的，干管中間位置的水錘負壓值分布規律符合指數函數分布：

P負壓=9.1×e-0.70v-8.7，R2=0.973 33，

(1)

其中，P負壓為干管中的水錘負壓值(m H2O)，v為干管的流速(m/s)，R2為相關系數。

圖5 干管(a)、支管(b)沿程最大負壓分布圖

在該試驗條件下，流速2.02 m/s以上時負壓值都達到極限值，對管道沖擊很大，破壞的風險顯著增大，管道有明顯震動和抖動；支管的負壓最大值出現在支管首端與干管連接口處，并向支管末端逐漸遞減傳播，負壓值的衰減速度明顯低于干管；伴隨著流速的增大，支管中的負壓水頭值也是逐漸增大的，流速在2.55 m/s以上時支管中才出現極限負壓值，比干管略低一些，這是因負壓能量衰減引起的。

綜上所述，閥門后和分水口處是負壓極限水頭極易發生的地方，在實踐中應采取必要的負壓防護措施。

3 結論

(1)隨著管道流速增大，水錘負壓值也隨之增大，呈指數函數P負壓=9.1×e-0.70v-8.7分布，且呈現極限負壓值持續時間越長負壓沖擊頻次越高的規律，同時，支管中極限負壓值和極限負壓作用頻次都低于和少于干管中的相應數值，負壓最大值出現在干管首端緊靠閥門后和支管首端分水口處。

(2)干管流速為1.48 m/s時只有干管中產生了極限負壓值，達到2 m/s 以上時極限負壓值在干、支管中均有發生。干管的負壓最大值出現在干管首端緊靠閥門后位置，并向干管末端逐漸衰減傳播，且干管在分水口上游段的衰減速度較快，下游段衰減速度明顯減緩，而支管中負壓最大值出現在支管首端與干管連接的分水口處，并向支管末端逐漸遞減傳播，而且負壓衰減速度明顯低于干管。

(3)在實際工程中負壓破壞最常出現的位置是閥后部位，應做好相應的工程設計和管理的水錘負壓破壞防護措施。