潘越，張凱

(河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

實(shí)際流體循環(huán)輸送系統(tǒng)中有很多管路輔助元件，如接頭、控制閥、換熱器等.流體通過這些元件以及通過后，流體的阻力情況和相應(yīng)流動結(jié)構(gòu)必然會發(fā)生改變.而且在供水循環(huán)系統(tǒng)中，閥門的開度大小會使閥門附近的水流流態(tài)發(fā)生巨大改變，不僅會引起閥門的振動，而且還會隨著流體的流動傳遞到管路當(dāng)中，導(dǎo)致管路流態(tài)失穩(wěn)甚至結(jié)構(gòu)被破壞[1-2].

目前關(guān)于此類研究的論文較少，難以全面認(rèn)識閥門開度對變截面圓管流下游脈動壓力特性的影響.研究突擴(kuò)、突縮等局部管件及其組合對管道的局部壓力和流量產(chǎn)生的影響的準(zhǔn)確評估是設(shè)計含有此類管件流動系統(tǒng)前必須調(diào)研的工作，因?yàn)樗拇笮≈苯佑绊懼麄€流動系統(tǒng)的設(shè)計及管件選型.

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，HUANG等[3]對平板閘門脈動壓力進(jìn)行研究認(rèn)為，隨著水位的上升，脈動壓力頻率減小、閘門底部作用脈動功率減小.李利榮等[4]針對自動滾筒閘門啟閉過程中水流邊界條件情況，發(fā)現(xiàn)自動滾筒閘門水流脈動壓力過程具有呈正態(tài)分布的隨機(jī)平穩(wěn)特性.沈春穎等[5]利用Morlet小波變換對淹沒式閘孔出流試驗(yàn)測得的脈動壓力信號進(jìn)行時頻特征分析，發(fā)現(xiàn)脈動壓力第一主周期較小的點(diǎn)位于閘后淹沒水躍段,不同工況第一主周期最小點(diǎn)與脈動壓力能量最強(qiáng)點(diǎn)基本吻合;當(dāng)淹沒系數(shù)較小時,相鄰測點(diǎn)間存在主周期一致現(xiàn)象增多.劉月樓等[6]利用壓力脈動傳感器通過試驗(yàn)方法對閘下水流脈動壓力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)閘下水流脈動壓力概率密度屬于正態(tài)分布,閘門有槽條件下閘門底部測點(diǎn)水流脈動壓力大于閘門無槽條件下閘門底部測點(diǎn)水流脈動壓力等結(jié)論.

閥門的開度會影響管路的穩(wěn)定性，所以有必要對其受力特性、脈動壓力等進(jìn)行系統(tǒng)研究，文中通過搭建小尺度變通流截面管流的阻力及流場測試平臺，探討閥門小開度對變截面圓管流脈動壓力特性的影響.

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用循環(huán)式，如圖1所示.它由2個儲液箱、多個輕微立式多級離心泵CDLF-2、整流箱、通氣管道、突擴(kuò)組件、回水管路等組成，形成管徑比約為1∶1.5 的突擴(kuò).整流箱由一個擴(kuò)展段和一個收縮段通過一個圓筒光滑連接而成，而在圓筒中部內(nèi)置由單根長100 mm、內(nèi)徑為5 mm塑料管扎堆而成的流動準(zhǔn)直細(xì)管組，以便盡可能消除來流中較大尺度旋渦及脈動，盡可能使突擴(kuò)上游細(xì)管為速度均勻分布流.圓管打孔處采用O型圈密封[7]，保證不漏水；通氣管道采用加厚銅球閥進(jìn)行軟管連接或密封，具有很好的強(qiáng)度.

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意圖

在同一變量下進(jìn)行多組試驗(yàn)，檢查裝置特性是否發(fā)生變化，連續(xù)測量多組流量，在流量穩(wěn)定的情況下進(jìn)行試驗(yàn).通過預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)流量的控制閥對管路水流流動過程中的脈動影響很大，為準(zhǔn)確探究閥門開度對變截面圓管流下游脈動壓力的影響，選用CN-8300AC變頻水泵通過變頻器來實(shí)現(xiàn)與閥門調(diào)節(jié)獲得的流量相同的流動，以便比較.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)測量靜壓孔位于距突擴(kuò)不同距離的位置，由于直接測量距離突擴(kuò)不同距離點(diǎn)的脈動壓力不僅需要打很多孔，而且進(jìn)行連續(xù)測量時需要頻繁地轉(zhuǎn)移傳感器和靜壓環(huán)，突擴(kuò)連接容易松動，極易產(chǎn)生誤差.為此在突擴(kuò)下游的管子中段打一個約1 mm左右的小孔，通過鋁環(huán)將上游細(xì)管與下游粗管連接形成突擴(kuò)，然后再以抽拉的方式將孔移到距離突擴(kuò)不同的位置的點(diǎn)，用傳感器進(jìn)行測量[8].

為了充分研究閥門小開度對變截面管流的脈動壓力特性的影響，選擇緊靠突擴(kuò)界面的D10管孔位作為壓力基礎(chǔ)點(diǎn)便于計算分析，各點(diǎn)壓力為量綱一值[9]，大小為測試點(diǎn)相對上游逼近突擴(kuò)界面處的壓力除以下游管平均流速對應(yīng)的動壓.因?yàn)樵囼?yàn)所采用的閥門沒有刻度標(biāo)記，所以只能采用別的方式來標(biāo)記閥門開度.閥門開度直接影響流體流速，閥門開度越大，流體流速越大，流體雷諾數(shù)也就越大，若雷諾數(shù)不變，閥門開度也就不變，故而文中采用雷諾數(shù)的大小來代表閥門開度的大小[10].選取雷諾數(shù)分別為20 000，24 000，28 000來代表閥門開度為30%，40%，50%的3個開度；采用抽拉的方式使下游的孔距離突擴(kuò)分別為0D，2D，4D，10D，25D(D為對應(yīng)管的直徑)幾個不同的距離，流體介質(zhì)為清水.

1.2.1 流速測試

系統(tǒng)流量通過重量法進(jìn)行測量，流速通過調(diào)節(jié)閥門或調(diào)節(jié)變頻器頻率改變轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，通過一定時間內(nèi)水桶接入水的重量來測試水管流量，水的重量由電子稱重儀來稱量，在系統(tǒng)回水箱處用秒表計時，然后根據(jù)公式計算.為減小誤差所帶來的影響，同一工況流量均測2次，取其均值，計算公式為

(1)

式中：Q為系統(tǒng)流量，m3/s；G為毛重，kg；M為皮重，kg；ρ為水的密度，kg/m3，文中取1 000 kg/m3；t為時間，s.

純水的動力黏度隨溫度的變化關(guān)系為

(2)

式中：T為試驗(yàn)流體的溫度，℃.

雷諾數(shù)Re計算式為

(3)

式中：U為管內(nèi)平均流速，可根據(jù)測試的系統(tǒng)流量來獲得，m/s；d為管徑，m；υ為純水的動力黏度，N·s/m2.

標(biāo)準(zhǔn)差σ計算式為

(4)

1.2.2 脈動壓力測試

在閥門啟閉過程中，流體在管路上產(chǎn)生的作用力并不均勻，在局部位置產(chǎn)生短時間較大或較集中且有一定周期性的作用力，即脈動壓力，當(dāng)脈動壓力主頻與自振主頻相同時，可能發(fā)生危害較嚴(yán)重的共振[11].用統(tǒng)計分析方法對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過傅立葉變換計算各測點(diǎn)脈動壓力頻域值.脈動壓力幅值 Δp用瞬時壓力與時均壓力差表示[12].

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 脈動壓力特性

在閥門開度不變的情況下，變截面管流的流速為2 m/s，雷諾數(shù)為23 000，這時0D，2D，4D，10D和25D的水流脈動壓力幅值時域過程線與同一流速與雷諾數(shù)下不用閥門而用水泵控制水流流速的情況下水流在各點(diǎn)脈動壓力幅值時域過程線，如圖2所示.

圖2 脈動壓力時域過程線

Fig.2 Time-history curves of pulsating pressure

文中主要測試Re=20 000，23 000和28 000這3種流動工況下突變截面下游各點(diǎn)的脈動壓力，因?yàn)樵谶@3種工況下脈動壓力時域過程線的趨勢相同，所以文中只以閥門開度為40%，Re=23 000為例，給出具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù).測量脈動壓力時一般會測量2～3 min，但采用Matlab分析時，由于時間過長，大量數(shù)據(jù)擠壓在一起無法清晰辨別，故文中只截取其中最具有代表性的一段.

由圖2可以看出，使用閥門來調(diào)節(jié)流速的變截面管流下游各點(diǎn)脈動壓力的流動周期要比使用泵調(diào)節(jié)的要長.使用泵調(diào)節(jié)流速的變截面管流下游各測點(diǎn)的時域過程線較之使用閥門調(diào)節(jié)的時域過程線密集，說明使用泵調(diào)節(jié)的高頻幅值成分多，閥門的影響主要體現(xiàn)在低頻上.而且經(jīng)過兩幅圖對比，可以明顯看出使用閥門調(diào)節(jié)流速的流體脈動壓力幅度較高，這說明使用閥門的流體的紊動強(qiáng)度比較大.變截面管流下游不同位置的脈動壓力幅值不同，且變化較大.流體在變截面管流下游的脈動壓力紊動強(qiáng)度隨著距突擴(kuò)距離的增加先增加后減小.

分別使用閥門與泵調(diào)節(jié)流量時，不同雷諾數(shù)下變截面管流下游各點(diǎn)的壓力標(biāo)準(zhǔn)差值如表1，2所示.

表1 閥門調(diào)速各點(diǎn)壓力標(biāo)準(zhǔn)差值表

Tab.1 Pressure standard deviation at three valve openings

Re0D2D4D10D25D20 0002.013 44.209 66.375 91.526 71.161 623 0002.832 66.171 69.257 11.810 21.506 628 0003.989 89.193 713.651 92.090 31.510 4

表2 泵調(diào)速各點(diǎn)壓力標(biāo)準(zhǔn)差值表

Tab.2 Pressure standard deviation at three pump rotating speeds

Re0D2D4D10D25D20 0001.824 34.265 24.030 71.807 61.307 723 0002.372 35.111 24.910 22.058 01.375 728 0002.700 58.629 48.434 02.734 31.652 8

根據(jù)表1，2的參數(shù)，對雷諾數(shù)為20 000，23 000，28 000的閥門與泵調(diào)節(jié)的變截面管流下游各點(diǎn)的壓力標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行分析，如圖3,4所示.

圖3 閥門調(diào)節(jié)不同雷諾數(shù)下壓力標(biāo)準(zhǔn)差率沿程分布

Fig.3 Pressure standard deviation along pipe at different valve openings

圖4 泵調(diào)節(jié)不同雷諾數(shù)下壓力標(biāo)準(zhǔn)差率沿程分布

Fig.4 Pressure standard deviation along pipe at different pump rotating speeds

從圖3，4的對比中可以看出，使用閥門控制的變截面管流下游各點(diǎn)的壓力標(biāo)準(zhǔn)差在點(diǎn)4D時達(dá)到最大，而使用泵調(diào)節(jié)的在點(diǎn)2D達(dá)到最大，從Re=20 000到28 000使用閥門調(diào)節(jié)的比使用泵調(diào)節(jié)的各測點(diǎn)的脈動壓力標(biāo)準(zhǔn)差分別提高了49%，81%，58%.這就說明閥門的開度不僅會使流體的紊動強(qiáng)度增大，而且會延長突變截面下游管流的脈動壓力恢復(fù)長度.

2.2 不同閥門開度對脈動壓力特性的影響

水流脈動壓力是流速脈動和時均剪切力共同作用的結(jié)果，流體流速(雷諾數(shù))的大小會對閥產(chǎn)生不同的壓力，直接影響突擴(kuò)下游管流的脈動壓力.以點(diǎn)2D，雷諾數(shù)Re=20 000,23 000,28 000 為例，進(jìn)行不同雷諾數(shù)即不同閥門開度下和閥門全開以水泵調(diào)節(jié)流速的2種情況下管流脈動壓力特性試驗(yàn)研究.2種情況下的脈動壓力頻域曲線如圖5所示.

由圖5可知，泵本身的工作特性會對管路造成影響，體現(xiàn)在300 Hz附近；閥門所造成的影響體現(xiàn)在50 Hz附近，與文中的閥門影響主要在低頻相符，因?yàn)槭褂瞄y門的試驗(yàn)過程中未用市電，所以此頻率與電源頻率無關(guān)；而在使用變頻器調(diào)節(jié)水泵流速時，變頻器頻率分別為8,10,15 Hz左右，相對于泵本身的工作特性對管路造成的影響可以忽略不計；而且無論是否采用變頻器調(diào)節(jié)水泵，脈動壓力的主頻都一直在50 Hz附近，所以變頻器的頻率與脈動壓力的主頻并無關(guān)聯(lián).使用閥門調(diào)節(jié)流速時，從Re=20 000到28 000脈動壓力能量分布頻域，普遍比使用泵調(diào)節(jié)的要寬.比如，點(diǎn)2D的脈動壓力能量分布頻域從0～800 Hz拓展到0～880 Hz，普遍高于泵調(diào)節(jié)流體的脈動壓力能量分布頻域，證明使用閥門調(diào)節(jié)流體流速會使流體的脈動壓力能量分布頻域變寬，同時可以由圖4發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)流體的脈動壓力能量分布頻域與閥門開度正相關(guān)，當(dāng)閥門開度越大，流體的脈動壓力能量分布頻域越寬.即在閥門開度較小的工況下流體紊動強(qiáng)度隨閥門開度增加而逐漸變大.在試驗(yàn)所測范圍內(nèi)，隨著閥門開度的增加，點(diǎn)2D的主頻幅值從0.82 Pa上升到了1.40 Pa，提高了70%.證明在閥門開度小于50%時，流體的脈動壓力幅值隨閥門開度的增加而逐漸加大，這主要是因?yàn)殚y門開度增大導(dǎo)致水流紊動強(qiáng)度增大，故流體的脈動壓力幅值增大.

圖5 不同開度的脈動壓力頻域曲線

3 結(jié) 論

1) 閥門開度較小時變截面管流下游流體的脈動壓力表現(xiàn)為隨機(jī)平穩(wěn)時域過程，使用閥門調(diào)節(jié)會使各點(diǎn)脈動壓力周期變長，閥門對脈動壓力所造成的影響主要體現(xiàn)在50 Hz左右，脈動壓力幅值與距突擴(kuò)的距離相關(guān).

2) 在試驗(yàn)范圍內(nèi)流體的壓力標(biāo)準(zhǔn)差與閥門開度正相關(guān)，隨著流速的增高，各點(diǎn)壓力標(biāo)準(zhǔn)差都會提高，這是因?yàn)楫?dāng)閥門開度增大時，管流的流速增加，對突擴(kuò)下游管路產(chǎn)生較大壓力，流體紊動強(qiáng)度增大，要流經(jīng)較長距離才能恢復(fù)穩(wěn)定，即閥門開度增大會使流體流過突擴(kuò)后的脈動壓力恢復(fù)長度變長.

3) 在試驗(yàn)所測范圍內(nèi)，使用閥門調(diào)節(jié)流體流速會使脈動壓力能量分布頻域變寬，在同一雷諾數(shù)下，使用閥門調(diào)節(jié)流速所得出的脈動壓力能量分布頻域要比使用泵調(diào)節(jié)的要寬.隨著閥門開度的增加測點(diǎn)的脈動壓力能量分布頻域會變寬，同時脈動壓力幅值也會隨閥門開度的增加而提高.