鸭嘴阀喷口射流扩散体的水利分析.pdf

中国土木工程学会水三些坌全垫皇重墨盒垫垡主些堕星三姿兰查奎堕兰全 笙茎塞 鸭嘴阀喷口射流扩散体的水利分析 美国宝荣公司 程显庭 概论： 在最近几年，鸭嘴形橡胶止回阀已经用于许多海底排放系统，以防止海水倒流和沉淀物 生成，与以往固定圆管的出水口不同的是：鸭嘴阀的射流速度与出口流量呈复杂的非线性关 系，试验表明，鸭嘴阀排出的污水达到有效混合所需的流速，远比圆形管道同样的混合所需的 流速小的多，对不同的阀门端口流量特性进行各种试验，同时对这些试验数据进行分析，得出 一个普遍的二维内部动力学计算公式，这些试验结果显示，使用鸭嘴形的阀门，能使扩散更稳 定，同时射流速度大，能量也大，用激光测速技术对鸭嘴阀口喷射流的混合区域附近进行了研 究，结果显示鸭嘴形的排放口比标准圆型喷口有着更好的扩散作用 1 ．简介 大部分处理污水的方法就是排放到河道和海洋中，排放口是各种各样的，但主要的局限于 固定直径的圆管，虽然这种圆管排污口是可行的，但在污水流速小时却受到回流海水的腐蚀， 例如：前几年常发生管道裂隙而导致泄漏或泵损坏，但最近几年，鸭嘴形止回阀广泛应用于各 种排放口，有效防止了海水倒流和沉积物进入管道的问题，( 例如：英国的W e y m o u t h 排放口， 香港的U r m s t o n 的排放口) ，鸭嘴阀是由氯丁橡胶复合加强而成，同时还要用人造的加强筋进 行加固，类似于橡胶轮胎的制造过程，如图1 所示的形状，它的出口类似于鸭嘴，这种阀能很 有效的防止倒流，同时解决了拍门或蝶形止回阀的很多机械故障。

尽管这种鸭嘴阀已经广泛得到应用，但 有关这种阀的动力特性的研究工作很少，为 了预测或监控口流的特性，用通常的方法， 对各种各样端口形状的阀的流量，喷射速度 及出口的研究是很必要的，更深一层，这些 鸭嘴阀的排出的污水与海水混合区域也同样 经过研究，目的是为了修正在工业设计中使 用圆管而做出的理论预测法 在这篇文章里，我们提供了这种鸭嘴阀扩散的试验研究，首先我们在一个小的喷射实验里 用流动显示的方式观察了海水与污物相互扩散的特性，随后，仔细地研究了喷口头部截面的流 动特性，分析和修正各种不同的动力学试验收集到的数据，得到一组从1 0 0 —3 0 5 m m 直径的二维 关系式，这个关系式适用于各种鸭嘴阀的内部动力学计算，最卮对鸭嘴阀的初次混合区进行了 7 4 中国土木工程学会水工业坌全垫皇重星全垫塑主些塑壁三姿堂查銮鎏堡垒 笙奎叁 —_ _ _ ————————_ ——- _ - _ _ _ _ ——————- ●- —- _ _ _ _ _ _ _ —- _ _ —- _ _ _ - - ——_ - _ - _ ——_ —————————一——一—— 初步研究，适用集中在鸭嘴阀射流与海水的混合区域，同时与其他标准的圆形射流所产生的结 果进行对比。

2 ．鸭嘴阀喷射的扩散体与海水的混合特性研究 为了研究鸭嘴阀喷射扩散体在海水稀释的规律，我们进行了一系列的试验，所有的试验在 一个长×宽= l m m Xl m m ，深O ．5 m 的箱子里进行，从箱体安装四个横拟喷口，排污口径D = 2 4 m m ， 喷射口的直径d = 2 l m m ，喷口的高度分别是h = l S O m m ， 2 5 0 m m ，3 5 0 m m ，并对以下各种状况进行 了试验： ( 1 ) 用各种不同比重的介质( a p ／p = 0 ．0 0 5 —0 ．0 3 ) ： ( 2 )各种不同形状的喷口； ( 3 )不同的阀门的组合 试验时的深度译注保持在一个4 5 c m 的水箱里进行，海水是用淡水和盐研制而成并在管道的 淡水中加入发光物以进行流动显示 海水倒灌已经被深入研究进图2 ．1 显示了当管道流速小时，海水倒流的情形，不同密度的 水流区迅速形成，海水倒灌入管道，并在管道的第一排放口处向海里排污，这时由于海水的密 度的不同形成的压力与流速形成的压力达成平衡时的状况，随着管道流速的增加，污水开始从 第一排放口排放，这个过程逐渐持续～直到最后一个排放口也开始排放，同时海水也不再倒灌 入管道。

7 5 中国土木工程学会水工业分会垫皇耋垦全塾垫主些婴旦三姿兰查銮鎏兰全 笙苎墅 —————————_ ——————————_ ————- ——_ —————- ————————_ - ——- ——————_ —————————————————————一 为了使得海水不倒灌，管道流量有一个临界点，我们称之为临 界流量O c ( 当流量大于临界流量O 时，就不会发生海水倒灌 现象，反之就会倒灌) 对于多个支管的排污口，这个临界速度的计算式必须适合多个 支管排水的方式，同时必须找到这个公式为方便整个系统不倒 灌的临界流量 我们对2 和4 个有效的排污口进行了一系列的试验，试验时环 境比重大约在0 ．0 1 5 ，我们研究了三个不同的排污口的性能 对于设计不同的排污口，实验室里观察到不同的截面流量与海 水倒灌状况与理论上的预测有很大的不同 鸭嘴柔性止回阀的动力学研究 我们为了研究鸭嘴形止回阀的端1 2 1 扩散特性，一共进行了二组试验研究，第一组实验室 v t a h 水利试验室1 9 9 4 年进行的，研究了两个直径为d p - - l O O m m 和d p - - 1 5 0 m m 的阀，最近的实 验是新南威尔士大学水利研究实验室进行的，研究了一个直径为d p = 3 0 5 m m ，并已用于香港 v m s t o n 路的排放管道，还有一个直径为d p = 2 0 0 m m 由澳大利亚本土制造的止回阀。

f t 嚏竹l 幻峨譬I 鼻糟X1 3 ∞l ‘ F 璩3 ．1 图3 ．1 是鸭嘴阀试验研究的示意图，把鸭嘴行形止回阀安装到一个直径d p 的管道上，该管 道的截止面积a p - - 3 ．1 4d 2 ／4 实验时，鸭嘴阀是安装在一个水平管道上，而水平管道是安装在 一个与之能相适应的水箱里，一个稳定的流量为O 的水流从管内流过，管道内的流量是有一个 流量测量计来调控，管道内的最大流速v j 是由一台声纳多普勒流速流量计来测量，管道内还安 装了一个叶轮测速计，阀出处口的流速a v ，由出口端的一个流量计测量，管道内还安装了一个叶 轮测速计，发出口处的流速a v ，由出口端的一个流量计测得在阀关闭时，把这个把这个流量 计量零，当这个测量计在端面移动时，每个点的流速就可以读出来，出口端口截面积等于阀关 闭和打开时的平均值的两倍，由数学公式可推导出来，通过阀门的端口损失为△P ／p ，由动力压 力计测得，压力计分别放置在阀的进口端，其差值A p 就是损失值，通过管道流量和出口帅, - 1 1 1 流 速可求得I ：1 6 口端E 1 的有效截面积V = Q ／a p ，也就是a p = Q ／V ，整个阀门的水头损失E ：△ p ／p + V 2 ／2 9 ，但实验观察显示止回阀的有效喷射面a j ，比试验阀门开启面积a v 要小，我们测量 7 6 中旧十小T 程学会水T 业分会机I U 委员会机械专业四扁二次学术交流年会 论文集 了通过阀门喷射出来的水流中央的水平和承直的流速，得到结论是通过阀| 、J 的射流中央处的流 迷相当稳定，并且进入静I E 的流体时速度迅速的卜。

降剑零，川一句形象的话袭达，那就是形成 像帽子形状的喷射流域，假设帽子外面的流速等丁零，而帽子内的有效喷射【孓域速度都是恒定 的，假设喷射中心处的流速为v j ，则定义有效的截面a j = Q ／v j ，川于3 - 2 曲线显示了各种不同的闷 有效喷射面积和喷射速度与端口流量O 的函数关系，说明a j 和v j 随着流量Q 的变化形成的非 线形关系，同时也说明较小的流量也能形成相对较人的v j 3 ．1 维数分析 实验室得到的数据必须通过外推法来确认端口流量特征公式，并且这种公式能适应各种不 同阀| 、J 的扩散特性，通过分析各种数据，得到阀| 、J 的特性可以用二维关系准确地描述： K E = ∑c i ( v 2 ＼2 9 ) b i ( 1 ) ．_ 1 K A j ／a p = ∑c i ( v 2 ／2 9 E ) d i( 2 ) ．_ 1 其中a i ，b i ，c i 利d i 都是与空间维数无关的系数——主要是通过实验测得 F i g ·3 ·3 轧g3 ．4 图3 ．3 是一个直径为305 m m 阀的关系图 7 7 中国土木工程兰金查三些坌全墼皇墨星盒垫堡主些婴塑三姿兰查銮鎏堡垒 笙奎叁 上述的二个独立变量式适用于鸭嘴形止回阀的所有动力学特征，举例说明如下，给顶一个 止回阀和端口流量Q ，那么端口外流速v = Q ／a p 可以计算出来j 端口流量关系式( 方程1 ) 可 以计算E ，随后可计算v 2 ／2 9 E ，方程2 也可以用来确定开口百分比和开口有效面积a j 以及端 口喷射平均速度v j = Q ／a j 。

我们也用鸭嘴阀做了上述同样的试验，观察结果表明装了鸭嘴阀排污口在整个系统流量不 管流量是流速多大，污水都能顺利地排出，具体情况如下2 ．2 显示，当管道内流速小时，开始 从第一个排污口排出污水，但倒灌入的海水并不能回流进入整个排污系统，因为鸭嘴阀能有效 地让海水从其它的排污口进入管，同时由于污水的密度低，需排量的污水与管道内的部分海水 形成的两个局面，污水在上面，随着流速的增加，污水就从其它的排污口排污 3 ．2 内部扩散体的动力学特征 上述的两个相互独立的方程也可用来描述内部的动力学计算式( 例如：F i s c h e rc ta 1 ．19 7 9 ) 目的是为了理解在用鸭嘴阀时端口的污水的扩散规律，图表3 ．5 所示 F i g ．3 ．5 女# 对于一个总流量为Q d 的扩散体，目的是为了确定端口的单个扩散体q i 的流量，因此，首 先要确定能量头，E n 假设端门排污处为在海水里的终端 Q 1 一第一个排污口的端口流量，因此V l = q l ／a p I ，可以计算得来，从而可计算出E 1 ( 从 公式1 得到) ，第1 个与第2 个端口之间的流量为Q l ，则在管子里的扩散体的流速v1 = Q 1 ／ A —A 是管道的截面积，因此，这两个排污E l 之间的摩擦力损失可以确定了。

设F 2 为低二个排污口的能量头，这样靠陆地这个方向最近的那个排污口的能头可以写成如 下方程式 E i = E i ·1 + h n 一1 + ( A p ／P ) △z i ．1 H n 一摩擦力的能头损失 △z i ．1 一一排污口排处的高度差 当I - - - - 2 时，由于知道E 2 ，V 2 就可以通过方程式E q ．1 计算，因而端口2 的流量q 2 = v 2 a p 2 ，总流量Q 2 = q l + q 2 速度( v 2 = Q 2 ／A ) ，h 1 2 △代表第2 与第3 个端口之间的摩擦力损 失，也可以计算出来，用同样的方式不断地计算，在到靠近陆地上的最后一个端口 这样关于鸭嘴阀所有喷射的参数都可以得到，每个排污口的流量q i ，能量损失E i 和相关的 喷射口的有效开口面积，还有喷射流速度， 图3 ．6 显示H a s t i g s 排污E l 的一个计算离子，共有 7 R 中国土木工程学会水工业分会机电委员会机械专业四届二次学术交流年会 论文集 1 5 个排污口相邻比分布在一个倾斜的管 道上，水深有1 3 ．7 m ，排污口的直径为 0 ．1 m △p ／q = 0 ．0 2 5 ，总的流量设计为Q d = O ．5 m ／s 计算出使用鸭嘴阀和不使用时的两种 情况把它制成表3 ．6 可以清楚地看到使用鸭嘴 阀后，管道内流动更平稳，喷射速度更大； 也需要更多的能量。