给水管网中阀门阻力实验研究

伍悦滨1 , 2 , 曲世琳1 , 张维佳3 , 赵洪宾1

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院, 黑龙江哈尔滨 150090, E-mail:Wuyuebin@163.net;

2.同济大学环境科学与工程学院, 上海 200019;

3.苏州科技学院环保系, 江苏苏州 215011)

摘要:为解决给水管网模拟计算中忽略阀门阻力产生的误差, 通过实验研究建立了给水管网中常见阀门——— 闸阀局部阻力系数与相对开度的数学模型, 基于阀门“ 当量长度” 概念, 提出计入阀门阻力时给水管网的模拟计算方法.指出阀门的局部阻力系数不仅与开度有关, 还与管径密切相关;不同管径的阀门, 在同一相对开启度下的阻力系数不同.

关键词:给水管网;阀门;局部阻力系数;相对开度;当量长度

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

在给水管网模拟计算中, 通常只考虑沿管线长度的沿程水头损失, 而包括阀门在内的配件和附件所引起的局部水头损失, 因为与沿程水头损失相比很小而忽略不计[ 1] .在一般情况下, 不计局部水头损失产生的误差较小, 计算结果与实际情况基本吻合.然而, 在城市地形复杂等特殊情况下, 给水管网需要借助阀门调节压力和流量, 一些阀门经常处于非全开状态, 而非全开阀门的阻力系数是阀门全开时的几十倍, 甚至上百倍, 如果管网模拟计算仍然忽略阀门水头损失, 其结果可能与实际情况相差甚远.

本文对阀门的阻力特性进行了研究, 通过实验模拟获得了给水管网中常见阀门—闸阀阻力系数随相对开度变化的数学模型, 并提出了计入局部阻力时给水管网水力模拟计算方法.

1 阀门相对开度

若要改变给水管网系统的运行工况, 最直接的方法就是调节阀门的开启度.以闸阀为例, 阀门的开启度是指通过手动顺时针旋转, 丝杆带动阀瓣向下运动, 直到旋紧关闭流通管道出口为止, 并可通过开度指示表示位置.而当逆时针旋转时, 阀瓣向上运动, 打开全部通道.在阀瓣上下运动时,可同时实现对管道流量的调节作用.从水力工况方面讲, 启闭件的动作直接影响过阀流体的压力变化情况;从几何形状方面讲, 启闭件的动作大小是相对于全开时总行程来描述的.因此, 将阀门的开启度分为“水力开度”与“ 几何开度”[ 2] .本文利用阀门的几何开度研究阀门的阻力系数.

阀门的“几何开度” 又称“相对开度” , 指阀门的阀瓣随丝杆运动时, 丝杆行程占丝杆从全开启到全关闭行程的比值.给水管网中常见阀门为闸阀.

2 实验研究

2.1 实验系统

给水管网中水体流动属于粘性流体的受迫运动, 对流动状态起决定作用的是雷诺准则.在紊流状态范围内, 随着雷诺数的增加, 最初流体紊乱程度及流速分布变化较大, 以后的影响渐渐变小.当雷诺数大于“临界数”时, 这种影响几乎不存在, 流动进入自模状态.当流体处于自模状态时, 流动状态及流速分布不再变化, 皆彼此相似, 与雷诺数不再相关[ 3] .

由于黏性流体具有“稳定性”与“自模性” , 当模型与原型流动均处于自模区时, 不必保证雷诺数相等, 二者只要达到几何相似即满足流动相似.管网中介质流经阀门部件时, 其阻力系数可通过模型实验进行模化.实验在如图1 所示的系统中完成.

1 —循环水泵;2 —节流阀;3—测试阀门;4 ～ 9 —测压点;

10 —测试阀门;11 ～ 14 —压差传感器表头;15 —超声波流量计;16 —循环水箱

图1  实验系统

Fig .1 Experimental system

通过压力传感器与超声波流量计分别测出阀门在每一开度下的过阀压差与流量, 再由hm =ζv2/2g 计算待测阀门在每一个开度下的局部阻力系数ζ.

2.2  数学模型

对管径为DN100 、DN150 、DN200 、DN300 及DN400 的闸阀分别进行实验, 每组均在同样条件下重复3 次以上, 利用狄克松准则对测得的大量数据进行筛选(图2), 并绘制阀门阻力系数随开启度的变化曲线(图3) 

图2  狄克松准则流程图

Fig .2  Flow chart on Dixon rule

图3  闸阀实验曲线

Fig .3 Experimental curves of gate valves

利用CXPTW 软件对上述曲线分别进行数据拟和, 通过对各种回归模式进行误差分析后, 获得闸阀阻力系数随相对开度变化的最佳数学模型为

ζ= ab1/ kkc . (1)

式中:ζ为闸阀阻力系数;k 为闸阀的相对开度;

a 、b 、c 为待定系数.拟和结果表明, 待定系数与管径密切相关, 具体数值需通过实验确定.

将实测数据代入式(1), 利用最小二乘法分别确定DN100 、DN150 、DN200 、DN300 及DN400 闸阀的待定系数值, 数学表达式见表1