形变件优化布置试验研究.doc

中国水利水电科学研究院形变件优化布置试验研究一、前言为总结局部阻力系数及其相邻影响研究的成果，探讨循环供水管系优化布置的一些基本原则，本研究以中南电力设计院提供的两个子系统为例，测试其多个形变件组成的管段的综合局阻系数及其变化规律，分析在管路布置中形变件之间不同间距的优劣趋势，总结电厂循环供水系统优化布置的原则。二、子系统简介 中南电力设计院经分析筛选，提出了如下凝汽器进水子系统和循环泵房子系统供试验研究。1、凝汽器进水子系统管路布置示意如示意图1。x23”x13”(Ls/D)4545Q3Q1Q2(0.83D)1.5m2.3m4.5m (1.5D)(0.77D)示意图 1该子系统系从循环水母管上分出两支管送水至凝汽器的两个水室，它由两个异径正三通和两个45弯管组成。从流动特点来说，可以视为以1#（顺流程排序）三通为主体的分流流动，即该三通侧管上接有一弯管、而直通管上接有一流量比为1.0的2#三通(该三通直通支路堵死)和一个45弯管。如此，则可将总流和支流如示意图所标识的定义写出，综合局阻系数也可套用分流三通的定义，即x31” 和x32” 。2、循环水泵房子系统管路布置如示意图2。该子系统系泵房中两台循环泵出口流量合并后从母管送出。它是由一个渐扩管、一个90弯管和一个汇流三通组成。从流动特点来说，可认为此汇流三通是一主体管件，其侧管上接有一90弯管；而另一来流直通管上接有一渐扩管。汇流总管即是送出母管。如此，则可将总流和支流如示意图所示标识的定义写出，其综合局阻系数也可套用汇流三通的定义，即x13” 和x23” 。(Ls/D)5.0mQ2Q1Q3x23x133.0m示意图2三、试验管路系统及仪器设备简介1、试验管路系统及测量仪器设备1）试验管路系统及设备按照以上示意图的管件及相关尺寸布置试验模型管路。所用管件均系单件局阻试验研究中已被测试过的，因而单件局阻系数为己知条件。模型中管件间的距离均按所给实际尺寸相应的管径倍数确定。模型管道为PVC硬塑管，管内径DN153.6及DN117.6两种，可实现异径三通或渐扩管的面积比为0.586。模型供水及排水管路与典型形变件局部阻力系数测试中三通的供、排水管系相似，见示意图3。主要供水设备有：水泵：10HBC-40混流式水泵，标称流量650m3/ h、扬程11.6m。高压稳压箱：直径1.0m，总长2.76m，内设扩散导流器、消能填料室、整流蜂窝体及滤网等。1. 水库 6.电磁流量计2. .水泵 7. 试验管件3.泵出口压力表 8. .尾阀4.调流量阀 9 .测压管排5.高压稳压箱 10 .测压皮管示意图3：试验系统及供排水设施原理图1243865971066842）测量仪器及设备两台电磁流量计：k300GT型，精度1%测量值。测压系统及压头降数据数获取方法：使用传统的测压孔及测压管排采压法，用一百四十万象素的数码相机获取管排测压管水柱高的数字图象，再输入计算机，经图像编辑软件可得到众多测压管同步水头差，即压力损失水头。详见分题报告“典型形变件局部阻力系数的试验研究” 一文。四、试验方案组次1、试验方案及相邻影响系数C的定义：对上述凝汽器进水子系统及循环泵房子系统中形变件间的原始间距（设计院给定）分别测试其综合局阻系数x31” 、x32” 。再调整凝汽器进水子系统中两三通间的距离及循环泵房子系统中直角弯管与三通间的间距数次，分别测试其局阻系数。依据局阻系数便可求出各种间距时各个子系统形变件间局部阻力的相邻影响系数C31”、C32”。为分析并求索供水管道优化布置原则提供示例。子系统相邻影响系数C的定义：对凝汽器进水子系统：h31” = C31”x31-1（V32/2g）+x45（V12/ 2g）式中：h31”- 对应于x31” 的损失水头，h31” = x31” .（V32/2g）； x31-1-主（第一）三通单件时的局阻系数；V3-子系统流量Q3对应的流速；x45-单件45度弯管局阻系数。V1-子系统流量Q1对应的流速。将速度水头统一为V32/2g ，则C31” = x31” /（x31-1+ x45*q2/ a2）式中：q-流量比Q1/ Q3；a-面积比A1/ A3；又： h32” = C32” x32-1（V32/2g）+ x31-2（V22/2g）+x45（V22/ 2g）式中：h32”- 对应于x32” 的损失水头，h32”= x32” .（V32/2g）；x32-1-主（第一）三通单件时的局阻系数；x31-2-第二个三通单件时的局阻系数；V2-子系统Q2流量对应的流速。将速度水头统一为V32/2g ，则C32” = x32” / x32-1+ （x32-2 + x45）*（1-q）2/ a2式中q、a定义同上述。对泵房子系统：h13” = C13”x13（V32/2g）+x90（V12/ 2g）式中：h13”- 对应于x13” 的损失水头，h13” = x13” .（V32/2g）； x13-三通单件时的局阻系数；V3-子系统总流量Q3对应的流速；x90-单件90度弯管局阻系数。V1-子系统Q1流量对应的流速。将速度水头统一为V32/2g ，则C13” = x13” /（x13 + x90 * q2/ a2）式中q、a定义同上述。又： h23” = C23”x23（V32/2g）+ x扩（V22/2g）式中：h23”- 对应于x23” 的损失水头，h23”= x23” .（V32/2g）；x23-三通单件时的局阻系数；x扩-单个渐扩管的局阻系数；V2-子系统Q2流量对应的流速。将速度水头统一为V32/2g ，并注意对本系统有面积A2=A1，则C23” = x23” / x23 + x扩 *（1-q）2/ a2式中q、a定义同上述。注：以上公式计算中使用的单件形变件局阻系数均采用了新推荐值。2、试验组次 试验组次如表1所示。 表 1子系统名称间距Ls/D流量比Q1/Q3完成组次(含重复试验)凝汽器进水系统1.5；5.00.3；0.5；0.718循环水泵房系统5.0；10.0；22.00.3；0.5；0.718五、成果及分析一） 成果1、 两个子系统的试验现场场景见照片1、2。试验求取的局阻系数、相邻影响系数见表2表2子系统名称Ls/DQ1/Q3x31”x32”C31”C32”凝 水汽 小器 系进 统1.50.31.201.771.330.580.51.391.191.260.740.71.610.791.091.155.00.31.011.361.120.450.51.041.100.950.690.71.210.780.821.13循 房环 子水 系泵 统Ls/DQ1/Q3x13”x23”C13”C23”5.00.30.200.621.550.940.50.910.691.000.990.71.730.800.981.0910.00.30.200.611.520.920.50.870.650.950.930.71.590.720.90.9822.00.30.190.611.470.910.50.820.630.890.900.71.450.670.820.92将表2数据绘制成曲线示如附图1、2。对这些数据及曲线图的分析，可获得一些针对此二子系统的有用的信息。（1）设计的Ls/D间距，在流量比q=0.5时，凝汽器进水子系统C31” 为1.26，C32” 为0.74。因此，相应的实测综合局阻系数比按系数叠加法的计算值分别偏大26%和偏小26%； 泵房子系统C13”及C23” 为0.99和1.0，相应的实测综合局阻系数与按系数叠加法的计算值几近相同。说明在计算多形变件组合管段的局阻损失时不能完全依照系数叠加算法。（2）随两子系统中间距Ls/D的增大，局阻系数及相邻影响系数均有减小趋势且多数情况的相邻影响系数小于1.0，最小可达0.45。（3）对泵房子系统而言，随流量比的降低，局阻系数x13” 下降较快；x23” 则下降较慢；与之相应的相邻影响系数C13” 在流量比小于0.5时急剧增长，而C23” 则缓慢下降。（4）对凝汽器进水子系统而言，随流量比的降低，x31” 下降，x32” 上升；与之相应的C31” 有缓慢上升，C32” 则下降。流量比a0.5，两种Ls/D情况的x32” 具有相近值，C32” 也有此特性。说明两三通间距在5倍以上管径时，Q2直通支路上两三通间的相邻影响己很微弱了。（5）以上子系统虽选自电厂循环管系，但模型仍是概化性质的。可提供的普适信息主要系说明多形变件管段综合局阻系数的计算应计及相邻影响；但也可从这两个具体系统的管件布置试验研究中，对管件间距、流量比等做优化选择方面提供倾向性意见。2、多弯管管段综合局阻系数一期研究中曾对此管段综合局阻系数进行过测试，现再引用为事例说明优化布置中应考虑到的某些原则。90904525D1.7D35D1.9D示意图 4该管段系选择凝汽器进水支管中一段为模拟对象，包含两个90四片弯管和一个45三片弯管，R/D均为0.76。试验求取其综合局阻系数及相邻影响系数。表3列举了按以往电力设计水力计算参数和方法对该管段的计算结果；按本研究推荐的单件弯管参数，但不计及相邻影响的计算结果及实测的综合局阻系数。表3：电力设计采用试验参数实测综合局阻系数x9020.7220.422x4510.50.216x=2x90+x451.941.06x”=0.735= x/x”(%)264144100(沿程摩阻系数)0.0180.0180.017由表可知，按“电力设计”用参数及方法计算所得的综合局阻系数是实测值的2倍以上；即使采用本研究所得单件局阻系数，若不考虑形变件间的相邻影响，其综合局阻系数也将超过实测系数值近一半。二) 对电厂循环供水管道布置优化的讨论两期研究的主要内容是：典型形变件局阻系数的试验研究 、局部阻力相邻影响系数研究、管件内壁糙度对形变件局阻系数的影响以及多形变件子系统综合局阻系数研究等。所有这些研究内容都是围绕着如何优化电厂供水管系的水力计算，如何优化管线设计中的管件布置。综合一、二期研究成果，提出如下意见：1、管道水力计算中所用的各种形变件的局部阻力系数应尽可能采纳国内外最新、最切实际的系数。我国现行管道水力计算中所用局阻系数多偏保守、陈旧，如一些90弯管的局阻系数比当前国外数据高出3倍甚至更多；再如本节中介绍的多弯管组合管段一例，说明按原电力设计使用参数的计算值远大于实际值。本研究课题中“典型形变件局部阻力系数的试验研究” ，正是针对我国电厂供水管道系统水力计算中采用的局阻系数较为落后的现状而开展的。所推荐的各种系数或经试验求取、或经实验检验吸取国外相关系列数据，已基本实现了与国外先进技术参数的接轨。2、形变件间局部阻力相邻影响的问题早在上个世纪五十年代就为俄国学者注意，但真正在管系水力设计中加以考虑还是近年来的事。我国电厂供水管系水力计算中现仍沿袭“系数叠加”算法，如电力设计院编辑的计算手册中引用“给排水设计手册(1972年)” 的系数：对两个90弯管的180组合弯段的阻力系数有：x180。=2 x90。而正确计及两弯管相邻影响时的阻力系数应随弯管间距改变，当间距为零时，其系数只相当于一个弯管的数值；对于R/D1.0的所有弯管，只有间距大到两弯管间无相邻影响时，组合段的阻力系数x180才可能升高到两倍单弯管局阻系数值。这己为本课题有关“相邻影响”的研究所揭示，国外学者的研究也有与此相当吻合的结论。因此，在水力计算中应切实注意到形变件间局部阻力相邻影响系数正确取值问题；在管件布置的优化上，如空间条件允许，应参照有关相邻影响系数的资料，尽可能按照最小相邻影响系数所对应的间距来安排管件位置。3、局部水头损失与流速的平方成正比，“低速”自然带来小流速水头，低阻力损耗，因此使局部阻力损失发生在管道系统的低速区，是减小总损失的设计原则之一，对有大局部阻力系数的形变件更应如此统筹安置。4、形变件内表面粗糙度对其局阻系数的影响不容忽视。表面糙度增大将使管件局阻系数迅速增长，其根本原因是粗糙突起将使水流边界层脱离提前，涡流区加大，必然增加对主流动能的损耗。因此，不应单纯地认为局部损失的增大仅是形变件表面糙度引起表面摩阻增加的结果。5、弯管凸壁、尤其是水流折转的起始区内壁上的粗糙高度对局部阻力损失有明显影响。此处壁面上凸峰局部露出，将引起紊流边界层分离点逆流向上流移动，导致因流体附面层脱离所形成的回流区的扩大。为此，设计和制造弯管时对其凸壁的糙度、焊缝等应尽可能标注清楚其工艺要求；加工时要打磨得光滑平顺。对于肘管的弯角边缘倒圆，特别是凸壁处倒圆可大大缓和水流对管壁的脱离，降低阻力。6、“一期”的加糙研究成果表明：弯管本身及其下游管道内壁糙度对该弯管局阻系数有重要影响；而受其上游管道内壁糙度的影响较小。使弯管及其下游管内壁光滑，将有显著的减阻效果。7、弯管是电厂循环供水管系中使用最多的管件。研究表明：当弯管R/D小于1.0时，局阻系数值较大且随R/D的减小其值增长较快。因此，在条件允许时，尽可能使用R/D大的弯管。8、如水流自弯管直排水池或大气时，宜在弯管出流端续接一段（LD）的直管，可大大改善弯管出口的流速分布，有利于减小弯管损失。9、进口条件对于渐扩管的局阻损失有重要意义。其它形变件与渐扩管之间设置一倍直径以上直管段时，渐扩管损失将显著减小。10、圆锥型渐扩管的最佳扩展角是412，在空间不受限制条件下，渐扩管应按最佳扩展角设计。扩展角大于25后，局阻系数会有较大增长。大于4050的渐扩管损失将接近甚至超过突扩管，应采取适当的导流措施以减小阻力损失。六、结语1、本报告详述了“凝汽器进水子系统”与“循环泵房子系统”综合局阻系数及相邻影响系数的测试研究内