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工程流体力学自助实验 之 自吸式虹吸真空阀及其管道系统的设计与实验

自吸式虹吸管真空阀及其管道系统的设计与模型实验

指导老师： 毛根海

实验成员： 李焕龙 叶柳军 王必刚

班 级: 土木工程0101结构班

实验日期: 2003年12月 7日

自吸式虹吸管真空阀及其管道系统的设计与模型实验

摘要：基于虹吸管在山区水库等地方的水利输送中节省能量、安装简单；结合射流器的结构简单施工方便和不需要外加能量，用实验装置模拟自吸式虹吸管。
关键词：自吸式虹吸管、真空阀、设计

Ⅰ设计任务
设计任务如下：如下图所示，有两个上下高差为3m的水库，用管道沟通，要求按需要随时可以控制水流从上水库流到下水库。

Ⅱ理论分析
我们的设计思路是这样的：如图所示（见工程管道设计图纸），在上下水库之间架设一道自吸式虹吸管。在虹吸管上安上一个真空破坏阀，一个真空泵。在过流的情况下，抽气阀关闭，通气阀打开时，虹吸管顶部负压吸气，使虹吸管断流；在断流的情况下，关闭通气阀，打开抽气阀，虹吸管的空气被抽去，管顶充水，使虹吸管恢复过流。
本设计方案的一个不同之处在于：本设计区别于一般工程中广泛应用的真空泵，所采用的是水力射流真空泵。如图所示（见工程管道设计图纸），在上水库的作用下，射流器产生过流，在A 处，由于截面变小，由连续性方程得，A处的流量增大，即动能增大，由能量方程知，该处压能减小，从而在此处产生负压。这样，在断流的情况下，关闭通气阀，打开抽气阀，打开阀门a，射流器进入工作状态，在A处产生负压，利用一段导管，把负压引导到B处，虹吸管内的水柱由于受到内外压力差的作用而抬高，只要负压足够，水柱就能被外界大气压压上来，导通虹吸管，产生过流。
关于本设计的可行性问题，我们注意了两个问题，⑴射流器负压是不是足够大，能不能使形成的压力差把水柱压到足够的高度；⑵使虹吸管导通的时间是不是足够短，是不是符合要求。一个是可能性问题，一个效率问题。只要解决了这两个问题，我们的方案就可以成功的应用到实际工程了。
先来看问题⑴，射流器产生的负压是不是足够大，能不能使形成的压力差把水柱压到足够的高度。

*模型中射流器产生的负压计算*
忽略能量损失，列能量方程：
H=62.8-13.7=49.1cm
H0 = H1+V2/2g + P1/ρg = H2 + V2/2g
V1A1 = V2 A2 = Q
A1=π×72/4
A2=π×142/4

解得：P1/ρg=-152.3cm
由结果可知，射流器所产生的负压完全能满足设计要求。
解决了第一个问题后，我们再来看第二个问题，把水柱压上来的时间是不是满足实际使用要求。
在此，由于我们没有相关的理论可以运用，因此只能够通过实验来得出所需的时间，然后通过相关的比尺来推算实际工程所需的时间，计算公式如下：
TP=TM*λt
只要它能满足工程要求，那么问题⑵也就解决了。

Ⅲ模型实验及结论
㈠、模型实验有两个目的，一个是确定排空所需的时间，来推算工程中实际所要的时间，看看本设计方案是不是符合工程要求；另一个是，实验所得的真空度能不能达到设计的要求。
㈡、我们先按照一定的比尺制作了实验模型。
模型图纸设计（见附图）
㈢、本模型实验依据工程要求的过流量以及理论分析部分提出的两个问题：⑴射流器负压是不是足够，能不能使形成的压力差把水柱压上来；
⑵水柱被压上来的时间是不是足够短，是不是符合要求。
一个是可能性问题，一个效率问题。
确定需测量的参数：
⑴虹吸管过流量， 通过测量它来确定我们的设计是否满足工程要求。
⑵射流真空泵产生的负压，通过测得的负压的大小来确定效率最高的水力射流真空泵的管道设计。
⑶系统排空时间，通过实验测得的时间推算实际工程排空所需的时间，看能否满足工程要求。

Ⅳ、实验数据记录与存在问题的分析
我们通过十次实验，分别测得了U型管的左右液面高度，和使虹吸管连通时所达到的时间，

实验数据记录表

次数
h1(cm)
h2(cm)
h(cm)
t(s)
1
31.9
8.1
23.8
78
2
32.3
7.1
25.2
106
3
32.2
7.2
25.0
76
4
32.8
6.3
26.5
70
5
33.1
5.9
27.2
75
6
33.2
5.9
27.3
65
7
33.2
5.8
27.4
61
8（舍去）
33.3
5.6
27.7
236
9
32.3
6.6
25.7
64
10
31.0
8.0
23.0
75

h平均=25.88
t平均=74.44

考虑能量损失，此次模型的真空有效利用率为：
25.88cm/152.3cm×100%=17%

*利用率低下的原因：
（1）在理论计算中没有考虑沿层水头损失和局部水头损失
（2）模型的密闭性不好
通过实验在实际应用中的体现：
由于此次模型中用的虹吸管的内径φ=2cm,射流器的吸气管的内径很小，在加上真空度不是很大，故吸气的时间较长，对比模型中的吸气管内径增大后，可以明显的看到吸气时间缩短从吸气开始到吸气结束，由于虹吸管和射流器内压强的不一致，虹吸管中压强由大气压强P0到P1的过程是随着管中气体的被吸出进行的，因此，当虹吸管中的气体剩余量越来越小的时候，其中的压强越来越接近射流器的压强，这也可以从实验中观察到，统计十组数据（真空度和排气时间），剔除其中第8组明显有错误的数据，有：

（P1/ρg）=-25.7cm
t=74s

根据相似原理，利用雷诺相似准则，选取λL=20
即工程实际中的虹吸管内径大约为40cm，
有：
λQ=λL=20
λt=λL=400
也就是工程实际中依据λL=20的比尺，射流器的排气时间

t实际 = t×λt = 74s × 400 = 8.2h

这显然是不合情理的，
*改进措施：
1、我们可以增加射流器的上下液面高差
在实际的工程中，水位差通常不可能只有0.491m，我们可以利用上下游的水位差（2～3m），就能够产生更大的真空度，获得良好的排气时间；
2、增加排气管径，缩短排气管的长度，（通过对比实验可得）
3、完善工程中系统的密闭性，提高真空利用率

Ⅳ设计方案评价
㈠、本设计方案具有如下性能：
⑴节能，本设计利用了上、下水库本身所具有的势能来产生沟通虹吸管的负压。无需电力、柴油机等外部动力。
⑵绿色，由于采用了上、下水库本身所具有的势能来产生负压，所以完全不会对环境造成污染。对于建造在风景区或对排污有较高要求地区的工程有一定的应用价值。
⑶自给性，由于真空泵的动力来自当地的水位条件，无需外部能源的供应。因此，特别适合于对外部能源供应有困难的偏远地区的工程。
㈡、本方案也有一定的适用条件：
⑴工程中的虹吸管从断流到过流的导通时间要求不太高，容许这段时间可以比较长。由于所采用的水利射流真空泵的排空效率，受到上下水库水位和真空泵管道设计的影响，其排空效率不是很高，所需的时间较一般的真空泵要长。针对具体的工程，我们可以利用模型实验测得的时间来获得工程实际所需的时间。
⑵本设计方案对工程中的上下水库的水位有一定的要求。水利射流真空泵产生的负压除了受射流真空泵的管径设计的影响外，还受到上下水位高差的影响。具体的工程可以通过流体能量方程的计算来验证。
⑶虹吸管顶部与上水库液面的高度差受到一定的限制，由于虹吸管中的极限负压为水的汽化压强，所以工程中的虹吸管顶部与上水库液面的高度差一般不能超过8米。

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