【摘 要】
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农用输水管道作为高效输配水体系中的重要组成部分,由于管道均埋于地下,存在抢修较为困难等问题。对于整个自压灌溉系统,虽然不存在水泵运作时带入管道中的空气:如快速停泵引起的真空进气、叶轮区的负压气体释放等,但仍存在其他种空气的进入形式:如溶解在水中气体的析出、管道负压时由于密闭性不好从管道连接处进入管道的气体等。当气体存在且没有及时排出时,会导致管道内气、液流动形态的变化,轻者会减缓输水速度、引起管道
【基金项目】
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国家重点研发计划课题“现代灌区用水调控技术与应用”（2017YFC040320503）—《北方自压灌区高效用水调控技术集成与示范》；
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农用输水管道作为高效输配水体系中的重要组成部分,由于管道均埋于地下,存在抢修较为困难等问题。对于整个自压灌溉系统,虽然不存在水泵运作时带入管道中的空气:如快速停泵引起的真空进气、叶轮区的负压气体释放等,但仍存在其他种空气的进入形式:如溶解在水中气体的析出、管道负压时由于密闭性不好从管道连接处进入管道的气体等。当气体存在且没有及时排出时,会导致管道内气、液流动形态的变化,轻者会减缓输水速度、引起管道震动、增加水阻等;重则会造成管道爆裂,并使供水中断。对自压输水过程中管道内气、液两相运动的研究,可有效减少管道爆管,漏水等事故的发生。本文采用室内管道试验与数值模拟相互结合的方法,结合前人的两相流理论,对工程常见的水平及15°下倾管道中气液两相流动过程进行了研究:（1）搭建水平及15°下倾管道试验平台,构成完整的自压回水系统,调节气量和液量在一定范围内进行变化,通过拍照和传感器采集设备进行两相流动情况图及管道内压力数据的获取,最终得到了40mm、60mm管径管道系统试验段典型的流型图像及压力波动曲线。得出结论为:水平条件下,随着液量的减小,获取到的典型流型依次为泡状流、塞状流及分层流;随着气量的增加,泡状流流型下气泡的数量增加且垂直分布也会更加均匀,塞状流流型下气塞长度增加,由周期性的短气塞变成长气塞;气、液量的增加均会加剧管道内压力波动。倾斜条件下,随着液量的减小,获取到典型流型依次为泡状流、间歇状流及分层流;随着气量的增加,由于气相聚集影响下游液相流速,仍会发生流型的转变;压力波动随液量的增加呈现先增大后减小的趋势,随气量的增大而增大。（2）为进一步得到管径对流型转化关系的影响,建立水平及15°下倾管道的三维数值模型,并导入Fluent中进行两相流流动的模拟过程。保持气相折算速度不变,水平情况完成液相折算速度为5m/s、4m/s、3m/s,管径为160mm、120mm、80mm、60mm、40mm,十五种工况下的模拟过程;下倾管道完成液相折算速度为3m/s、2m/s、1.5m/s、1m/s、0.5m/s,管径为120mm、60mm、40mm,十五种工况下的模拟过程。并进行压力及流速数据获取。得出结论为:水平条件下,随着管道尺寸的增加,气泡流-塞状流过渡的起始点移向更高的液相折算速度;随着管径的减小,压力峰值及最大压差呈现先减小后略微增加的趋势,60mm管径压力波动最小;最大速度的位置保持不变,为管道中心处,在管道上部的高密度气泡区内,平均液体速度向管道上部壁面急剧下降。下倾管道中,随着管径的增大,间歇流-分层流的转化边界向更大的液相折算速度方向偏移,泡状流-间歇流的转化边界趋向更小的液相折算速度方向,间歇状流的区域逐渐减小;压力波动随管径改变影响不大;层状流对管道截面平均流速的影响明显大于泡状流的影响,此时管道最大流速位置向下偏移。以上研究进一步完善了水平及15°下倾管道不同管径条件下的气液两相流流动过程及流型转化边界,对实际输水工程的正常运行有一定的参考价值。
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