倒虹吸水力特性研究进展.pdf
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1、 年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:作者简介:张帅康(),男,硕士研究生,研究方向为水利水电工程.通讯作者:王正君(),男,教授,研究方向为水工结构、建筑材料及结构检测.倒倒虹虹吸吸水水力力特特性性研研究究进进展展张帅康,韩 雷,王正君,吕春玮(黑龙江大学 水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 ;黑龙江省水利科学研究院,黑龙江 哈尔滨 )摘要:倒虹吸是一种工程量小、施工方便、造价成本低的交叉输水建筑物,在我国输水工程中有广泛的应用.通过查阅国内外倒虹吸水力特性研究资料,介绍了倒虹吸的基
2、本构造和布置形式,同时分析了倒虹吸水力特性的研究意义,并根据倒虹吸水力特性的不同研究方法对国内外学者的研究成果展开了分析.大量研究表明:倒虹吸的基本水流流态和水头损失的计算方法在大型倒虹吸研究中存在部分局限性,复杂条件下倒虹吸的水力特性仍需要深入研究;现有研究中大流量倒虹吸水力特性成果十分有限,未来该方面的研究将会是重点;目前多研究方法互相验证是研究倒虹吸复杂条件下水力特性的主要手段之一;已建成倒虹吸的维护与修缮技术也需要关注.在满足工程实况需求与学科发展需要的前提下,可以认为未来倒虹吸的研究将主要集中于复杂条件下大流量倒虹吸研究和倒虹吸与计算机多学科交叉研究,以期为后续倒虹吸水力特性的研究提
3、供一定的借鉴.关键词:倒虹吸;水力特性;输水工程;数值模拟中图分类号:T V 文献标识码:A文章编号:()R e s e a r c hP r o g r e s so nH y d r a u l i cC h a r a c t e r i s t i c so f I n v e r t e dS i p h o nZ h a n gS h u a i k a n g,H a nL e i,W a n gZ h e n g j u n,L C h u n w e i(S c h o o l o fW a t e rC o n s e r v a n c ya n dE l e c t r
4、 i cP o w e r,H e i l o n g j i a n gU n i v e r s i t y,H a r b i n,H e i l o n g j i a n g ,C h i n a;H e i l o n g j i a n gP r o v i n c eH y d r a u l i cR e s e a r c hI n s t i t u t e,H a r b i n,H e i l o n g j i a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:I n v e r t e ds i p h o n i s a c r o s s w
5、a t e r t r a n s m i s s i o nb u i l d i n gw i t hs m a l l e n g i n e e r i n gv o l u m e,c o n v e n i e n t c o n s t r u c t i o na n d l o wc o s t,w h i c h i sw i d e l yu s e d i nC h i n a sw a t e r t r a n s m i s s i o np r o j e c t s B yr e f e r r i n gt ot h er e s e a r c hd a
6、t ao fh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f i n v e r t e ds i p h o na th o m ea n da b r o a d,t h i sp a p e r i n t r o d u c e s t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dl a y o u to f i n v e r t e ds i p h o n,a n a l y z e st h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo fh y d r a u l i
7、 cc h a r a c t e r i s t i c so f i n v e r t e ds i p h o n,a n dd e s c r i b e st h er e s e a r c hr e s u l t so fs c h o l a r sa th o m ea n da b r o a da c c o r d i n gt od i f f e r e n t r e s e a r c hm e t h o d so fh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f i n v e r t e ds i p
8、 h o n Al a r g en u m b e ro fs t u d i e ss h o wt h a t t h e c a l c u l a t i o nm e t h o do fb a s i c f l o wp a t t e r n s a n dh e a d l o s so f i n v e r t e ds i p h o nh a s s o m el i m i t a t i o n s i nt h es t u d yo f l a r g e s c a l e i n v e r t e ds i p h o n s,a n dt h eh
9、y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f i n v e r t e ds i p h o n su n d e r c o m p l e xc o n d i t i o n s s t i l l n e e dt ob es t u d i e d i nd e p t h T h ee x i s t i n gr e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f l a r g e f l o wi n v e r t e ds i p h o nh y d r o d
10、y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s i sv e r yl i m i t e d,a n df u t u r er e s e a r c hi nt h i sa r e aw i l lb et h ef o c u s A tp r e s e n t,m u t u a lv e r i f i c a t i o no fm u l t i p l er e s e a r c hm e t h o d si so n eo ft h em a i nm e a n s t os t u d y t h eh y d r a u l
11、i c c h a r a c t e r i s t i c so f i n v e r t e ds i p h o nu n d e r c o m p l e xc o n d i t i o n s T h em a i n t e n a n c ea n d r e p a i r t e c h n o l o g yo f t h e c o m p l e t e d i n v e r t e ds i p h o na l s on e e d s a t t e n t i o n U n d e r t h ep r e m i s eo fm e e t i n
12、 gt h e a c t u a l n e e d so f e n g i n e e r i n ga n d t h ed e v e l o p m e n t n e e d so f t h ed i s c i p l i n e,i t i sb e l i e v e d t h a t t h ef u t u r er e s e a r c ho fr e v e r s es i p h o nw i l lm a i n l yf o c u so nt h er e s e a r c ho fl a r g ef l o wr e v e r s es i
13、p h o nu n d e rc o m p l e xc o n d i t i o n sa n dt h e i n t e r d i s c i p l i n a r yr e s e a r c ho f r e v e r s es i p h o na n dc o m p u t e r,i no r d e r t op r o v i d e 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期s o m er e f e r e n c e f o r t h es
14、 u b s e q u e n t r e s e a r c ho fh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f r e v e r s es i p h o n K e yw o r d s:i n v e r t e ds i p h o n;h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s;w a t e r t r a n s m i s s i o np r o j e c t s;N u m e r i c a l s i m u l a t i o n 引言我国水资源总量有
15、万亿m,但人均淡水资源量仅有 m,占世界人均淡水资源的/,是世界上最缺水的 个国家之一.我国水资源在空间上分布表现为南方水资源多,北方水资源少的特点.为了实现水资源的合理分配,跨区域引水调水工程是重要的解决手段.当调水工程遇到山谷、河流或道路时,为保证渠道正常输水,需要建设渡槽、倒虹吸或者涵洞等交叉建筑物.与渡槽和涵洞相比,倒虹吸输水过程较复杂,主要是将水流从上游经过渐变段输入管道,在充水过程中,水流逐渐充满管道,形成压力水流,经出口渐变段流向下游.研究倒虹吸水力特性,发掘水流规律来保证稳定输水.何照青等,利用数值模拟方法得到了倒虹吸的基本水力特性,包括管内水流流速、压强和流态的基本分布规律;
16、周殊凡等借助水工模型试验研究倒虹吸进出口水流,发现进出口水流流态、流速等水力特性的易受结构影响的特点,并指出了 进 出 口 位 置 选 择 的 依 据;谭 新 莉、宋 天 文等 针对长距离、高水头和寒区条件下倒虹吸的水力特性进行研究,得到合理的计算方法,为大型倒虹吸的水力计算提供了理论支撑;范勇锋、路强等 为进一步研究大型倒虹吸的水头损失,对大口径倒虹吸的摩擦系数进行深入研究,推导得到较 准 确 的 摩 擦 系 数;M u q d a d A lJ u b o o r i等 主要针对倒虹吸充水过程、施工过程、冲刷以及结构各部位的优化进行研究,为设计倒虹吸提供指导.伴随着社会技术和需求的发展,倒
17、虹吸水力特性的研究一定存在新的需求,笔者根据倒虹吸水力特性不同的研究方法对国内外研究进展进行系统总结,以期为后续相关研究提供借鉴.倒虹吸水力特性的研究意义倒虹吸凭借工程量小、施工方便、成本低等优点在我国得到广泛的应用,特别是在我国南水北调输水工程中,仅中线工程中就有 多座.由于管道自身结构的特点,局部水头损失较大;大部分倒虹吸管位于地面以下,在不利地形下部通过有压管流来实现输水,难以被观测,这导致倒虹吸维修管理不便.倒虹吸内部水流复杂,尤其是在充水和运行个过程中,水流状态不稳定,经常发生水流紊动,使倒虹吸管道震动,进而对管道薄弱部位产生破坏;在倒虹吸的关闭闸门过程中,产生水锤现象,管内产生极大
18、的水压,严重威胁管道安全.研究倒虹吸的水力特性及发掘引起管内水流非稳定的潜在因素,对保证倒虹吸工程安全及稳定运行有重要意义.倒虹吸基本结构及布置倒虹吸作为压力输水建筑物,它的组成一般包括进口段、管身段和出口段部分,其中较重要的结构包括进出口渐变段、闸门、管道以及必要时设置的拦污栅、消力池等附属建筑物.不同倒虹吸工程的布置需要根据工程所在地的地质条件而改变,主要布置形式有竖井型、斜管式、曲线式和桥式.竖井式构造简单,但管道内水流条件较差;斜管式施工方便,且水流条件好,应用广泛,布置见图;曲线式倒虹吸施工方便,且水流条件好,但受温度及地基不均匀沉陷影响大;桥式适用于窄深式和复式断面河道.图斜管式倒
19、虹吸布置 倒虹吸水力特性国内外研究进展目前国内外学者对倒虹吸水力特性的研究方式大致分为种形式:水力计算、物理模型试验、数值模拟和原型观测.本文基于倒虹吸水力特性不同研究方法对国内外学者研究成果进行总结分析.倒虹吸水力计算研究进展 基本水流流态计算倒虹吸的水力计算是倒虹吸研究的理论基础,在余际可等编著的 倒虹吸管 中,倒虹吸管内水流利用重力产生有压流来实现输水,结合倒虹吸的水流特性和结构特点,指出倒虹吸的水力计算要结合能量方程和有压管流基本公式进行计算.国内外学者对水力计算的研究主要是针对不同结构形式倒虹吸水流的水流流态和水头损失影响.H u iF u和A r m i nH a j i g h
20、a s e mK a s h a n i 研究了寒冷地区不同积冰的厚度条件下倒虹吸水流的流动特点,张帅康,等:倒虹吸水力特性研究进展绿色创新研究:工程与技术并对积冰下的速度分布进行了测量和理论分析,经过水力计算,发现了积冰对倒虹吸水流的影 响.M a oZ h o n g h a o等 将倒虹吸管内压头变化分为低频部分和高频部分,提出了倒虹吸下游压力与流量之间的线性关系模型.齐锐在恒定非均匀流和B o u s s i n e s q假设的前提下,对雷诺方程进行化简整理,结合模型试验,推导出满足试验工况边界条件下的流速分布公式的数学模型,整理简化得到含有待定常数的流速分布公式.由于流量和流速等基
21、本水力特性可直接测定,国内外学者已经形成丰富的成果,对倒虹吸进行更深入的研究,需要针对倒虹吸的主要缺点进行研究,即倒虹吸水头损失的研究.水流水头损失计算王开等 对倒虹吸管局部水头损失进行研究,比较分析不同的局部水头损失系数计算公式,结合相应的水工模型试验,得到不同转弯形式的适用公式;在转角小于 时,折角弯管局部损失小于圆形缓弯管.同时也发现了经验公式的局限性:不同大小和结构的倒虹吸计算需要深入研究.劳沈回等 对不同形式倒虹吸进行分析,得到了流量和流速大的大型或者长距离倒虹吸的结构设计原则,并对倒虹吸渐变段如何减少水头损失提出了计算方法;F r e i r eD i o g oA等 通过对小型倒
22、虹吸管研究,提出了一种基于能量微分方程的稳态两相流模型,为小型倒虹吸管水头损失研究提供理论基础.国内外学者对不同体量倒虹吸的计算方法和理论进行研究,发现倒虹吸结构的不同需要不同的计算公式,特别是大型倒虹吸研究,不能直接照搬经验公式,这些水力计算的成果为未来研究大型倒虹吸水力特性指明了科学的方向.倒虹吸物理模型试验研究进展物理模型试验指根据研究对象和内容,按照相似准则,将原型缩制后进行试验研究.试验时要保证原有条件,测量记录关键的实验变量,按照相似准则反推实验数据后得到原型的水力特性.物理模型试验主要对原设计方案进行验证,提高工程安全性与稳定性.倒虹吸模型试验设计石俊营等 借助几何比尺为 的倒虹
23、吸物理模型试验,并结合相关文献,论证分析了倒虹吸工程中各种水力特性相关问题,并获得大量试验结果,为合理设计倒虹吸提供参考资料.张卫东等 利用正态倒虹吸模型研究二维泥沙运动机理和管内水流的水力特性,分别对流态、流量和水头损失进行测量,并对试验成果进行水力计算验算,为后来设计该类倒虹吸提供了较为准确的模型研究方法.模型试验的大量进行极大地推动了倒虹吸水力特性研究的发展,但受限于试验场地大小,大部分的长距离倒虹吸模型试验无法进行,需要对放缩方法进行改进.孟庆义等 结合长倒虹吸的工程特点,通过 的变态水工模型试验,来分析变态模型的水头损失,主要采用等效替代的方法,缩短了模型的长度,同时分析缩尺后对模型
24、的影响,推导出较为实用的比尺关系,为变态模型试验提供了参考.复杂水流水力特性凭借着模型试验研究方法的成熟,复杂条件下倒虹吸的水力特性研究逐渐发展,包括倒虹吸管道内水流脉动、流速压强变化研究;不同倒虹吸管道数量和布置条件下内部水流情况研究;不良水流条件下进出口水流流态及处理手段的研究等.王洪利等 对枢纽倒虹吸进行了模型比尺为 的水工模型试验,探讨了常规水力学的脉动损失等问题.试验结果表明,非阻力平方区管道的糙率很高,可根据较长管段的水力学计算方法加以调整.王斌等 对双管道倒虹吸进行 的正态模型试验研究,分析双管倒虹吸的水头损失及水流流态,结果发现倒虹吸进口竖井长度影响该处的局部水头损失,并指出两
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