典型形变件局部阻力系数的试验研究第一章、前言一、电厂供水系统的特点火核电厂需要大量循环冷却水以保障凝汽式机组的正常运行。

该冷却水的供给系统既是电厂的重要组成部分，也是厂用电的消耗大户。

供水系统管道水力损失计算结果关系到循环冷却水泵、泵房、供水管道系统的设计、投资，也关系到电厂运行的安全与经济。

随着汽轮发电机组容量的增长，水泵功率及供水管道尺寸相应增大，供水系统水力计算如果过于偏离实际，必定会造成投资浪费和影响电厂的安全经济运行。

电厂循环供水管路系统的特点是：（1）主管口径大，一般为1600~4000mm。

（2）通流量大。

（3）形变件种类、数量均多。

（4）弯管转弯半径较小。

（5）各形变件之间的安装相对距离短。

以上特点决定了供水管系的水力学特色：（1）水流雷诺数Re高，一般Re>1³106,水流流态多属过渡区及阻力平方区。

（2）局部阻力损失远大于沿程阻力损失，是管系损失的主体，约占70%。

（3）形变件中以弯管数量最多，弯管局部阻力损失占系统局部阻力损失总量的40~60%。

（4）形变件之间的水流相互影响较大，引起较强的各局部阻力间的相邻影响。

基于上述特点，供水管道水力计算中，各形变件局部阻力系数选取恰当与否，成为管系安全、经济运行的关键。

要求提出更符合实际的局部阻力系数。

二、电厂供水管系水力计算现状迄今我国火核电厂供水管道系统水力设计中一直缺少以国内自己的科研成果为依托的水力计算参数及计算方法，而仍在沿用早期各种来源的技术参数，其中不少是沿袭前苏联五、六十年代的设计数据；大部分系数取值过大，更未形成统一的局阻系数手册(规范)。

随着近年引进机组增多，带来英、美、日等发达国家的相应设计规范，无疑给本来就不健全的国内供水管系设计现状带来了巨大的冲击。

以中南电力设计院承接的岳阳电厂为例[1] 。

该院与英国GEC公司合作完成设计，英方使用BHRA(英国水力研究中心)资料，我方使用中南院计算手册(CCSEPDI)，计算结果表明：我方计算总阻力损失比英方计算值高4.24m，为英方计算值的124%。

投产后实际运行的效果表明，英方的计算值还有点偏高。

这鲜明地说明我国水力计算参数取值过大。

这种现状不仅影响电厂供水管系设计水平及运行的安全与经济，而且有碍于我国电力发展与国际接轨。

设计要贴近实际，要规范化、标准化，已成为电力设计者们的共识。

本课题意义重大，势在必行。

三、电厂供水管系形变件局部摩阻系数研究进展简述本题研究始自1990年已开展两期。

一期研究(1990~1994) 属国家电力公司八五重点科技项目。

参研单位有中国水利水电科学院冷却水所、安徽省水利科学研究院、中南电力设计院、华北电力设计院等研究与设计单位。

研究成果于1996年通过国电公司部级鉴定。

二期研究，于1997年12月开始，为国电公司九五重点科技项目。

参研单位有中国水利水电科学院冷却水所及中南电力设计院。

所研究的形变件均由中南电力设计院对全国六大行政区电力设计院收资调研后筛选得出，系电厂使用的较典型的管件。

它包括弯管、渐变管(大小头) 、三通等，其中每种管件又分为多种规格。

通过对各形变件局部阻力系数的试验测试及合理地吸取国外相关研究数据，本期研究进一步丰富了管件局阻系数数据库，并对各管件不同规格局阻系数曲线做回归分析，最终提出了局阻系数的经验公式，以适应现今计算机设计中获取系数数据的需要。

第二章研究设想及试验装置规划一、研究规划管道沿程摩阻损失是指由管内壁糙率引起的能量消耗，阻力公式为Δh l = l·(L/D)·( V2/2g) （1）式中Δh l为内径D，管长L的压头降，V为断面平均流速，l为沿程阻力系数，则l=[Δh l/( V2/2g) ]·(D/L) （2）管道中的形变件将导致管内水流流速再分布，引起额外的水流阻力，即产生了局部阻力压头降Δhξ。

定义局部阻力系数x为：x = Δhξ/(V2/2g)(3) 由形变件引起的流速调整不限于形变件本身，其上、下游一定长度管段内的水流都受其影响。

因此，准确的形变件局部损失，须由整个形变件影响范围的阻力损失减去该范围的沿程摩阻损失获取，即hξ=Δh∑-Δh l。

Δh∑为形变件上、下游受其影响管段的总能头降，见附图1。

x与形变件几何参数ψ、表面相对糙率∆/D、水流雷诺数Re有关，即x=φ’(ψ,∆/D ,Re) （4）按Π定理，由（4）式可知，如几何相似（ψ相等）；又∆/D 、Re试验值与原体值一致，则试验中取得的x即为原体x，而与流体的种类、流体的速度以及管件的绝对尺寸、材料性质无关。

1、形变件上下游直管段长度的要求按上文所述局阻损失系数的测量定义，形变件引起的阻力损失应包含该件上下游影响段上的损失，因此要求形变件上下游试验管路上有一个完整的影响段。

换言之，应保证上下游受影响的流动有一个恢复到直管道流动状态的完整流程。

对不同的流动特性(如水流分离、平均流速分布、压坡、脉动特性…) ，其恢复的长度并不相同。

本研究以总水头线斜率恢复到直管特性为准则。

前人研究曾提出过影响长度的估计值,ESDU(1997)[2] 对弯管的总影响长度最低值(Le/D)min和下游影响长度L d/D有如下表的经验数。

本项研究即照此经验值设计试验管系。

2、有关电厂循环供水管道水流流动状态的分析文献[3]、[4] 中引用了不均匀粗糙度管的沿程摩阻系数λ与Re、相对糙度∆’=∆/D的关系图(附图3)，按此分析工业用管(不均匀糙度管)进入完全紊流区的雷诺判数Re2:Re2=2090(1/∆’)0.0635(5) 脱离紊流光滑区的雷诺数Re’：Re’≈15/ ∆’ (6)进入紊流阻力平方区的起始雷诺数Re”:Re” ≈560/∆’ (7)如管内壁糙度0.25mm(轻度锈蚀) ，对于电厂常用的各种管径，以上各雷诺判数如表2。

注：(1) 设内壁糙度为∆’=0.25mm(2)λ波=0.25/[lg(Δ/3.7D+5.74/Re0.9 )]2(波坦布哈塔公式)(3)λ普-尼=[2 lg(3.7D/Δ)]-2 (普兰特—尼古拉兹公式)电厂实际运行时，各种管径管内流动的雷诺数均远超过Re’，接近或超过Re”。

因此，可以认为原型的管内流动处于过渡区与阻力平方区界面附近，且很多流动已完全进入阻力平方区。

现列举我国六座电厂管道设计数据来说明，如附图2所示。

流动进入阻力平方区后，局部摩阻系数将不再随雷诺数变化。

因此，要求试验管内流动雷诺数尽量提高，使之接近或进入阻力平方区。

二、试验装置、仪器及试验方案1、试验研究管件及用材电厂供水管系中的形变件有弯管、渐变管、三通、阀门、滤网…，限于时间、财力等条件，这两期研究，重点选择重要且多用的管件，如弯管、渐变管(俗称大、小头)、三通等，进行系统试验，完成的形变件的种类、规格及受试管材内径等参数列表如下表：表3：续表3：2、试验装置及仪器设备上述试验管件，是由电力设计院经收资调研后筛选出的典形管件，按设计院提供的标准管件图正比例缩小。

所用材料为PVC 硬塑管，试验介质为清水。

试验管系及供水设施布置见示意图1。

1.水库2.水泵3.泵出口压力表4.调流量阀5.高压稳压箱6.电磁流量计7.试验管件 8.尾阀 9.测压管排 10.测压皮管示意图1：试验系统及供水设施原理图主要设备及仪器简介：一期试验研究分别在中国水利水电科学研究院冷却水所和安徽省水利科学研究院进行。

两单位各自建立了大型试验装置和量测系统。

中国水科院冷却水所的试验工作在室内试验室完成；安徽省水科院则利用其设于梅山水库的高水头水力学试验基地完成试验工作；详见文献[5]、[6]。

二期研究试验工作由中国水科院冷却水所独自承担完成。

主要设备如下：（1）水泵：10HBC-40型混流泵，标称流量650m3/h，扬程11.6m。

（2）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，可使水泵出口压力水流的冲击大幅度衰减，稳定试验管内水压，保证测压精度。

（3）电磁流量计：K300/GT型，精度±1%测量值。

（4）测压系统及压头降数据获取方法：压头降的测取是本研究中至关重要的环节。

一期研究己对此作过专门的探索，并得到了行之有效的测取方法。

本期研究对该方法进一步改进，即：使用数码相机代替普通相机；压降数据获取的后处理完全在计算机上完成。

测量流动中的静压仍采用测压孔和玻璃测压管排的传统办法，因本研究仅需获得压差值，为顾及测压管的长度及便于观测的管排放置高度，管排通大气端全部连通并保持正压。

采用摄影法获取管排水柱影像，得到同步的管排压差值。

拍摄中使用一百四十万象素的数码相机（奥林巴斯C—1400L型），将水柱影像图数值化后输入计算机，应用图像处理软件较精确地得到相关水柱高差，即相关断面的压力降落。

用计算机处理数据图像时考虑了相机镜头的场曲及畸变，即在图像的各个不同部位按当地己知的长度标志确定水柱高差的长度~象素比例，以此推出水柱压差值，可大大减小镜头引起的测量误差。

一般而言，用数码摄像法测量水柱高差的相对误差不大于3%。

3、试验方案及试验组次按水流相似要求，尽量提高试验管内流动的雷诺数。

在现有供水泵扬程已确定的前提下尽可能减少供水管线上弯管及其他局部损失，以期充分利用泵扬程提高受试管段中水流的雷诺数Re。

一般而言，试验最高雷诺数不低于8×105。

每种形变件的测试，起始雷诺数都尽可能在105量级，其后在更高雷诺数下历经3~4个不同的流量，以求取局阻系数随雷诺数的变化规律，取用最高几个雷诺数时的系数值或其平均值作为该形变件的局阻系数，此时的系数值己基本不随雷诺数改变。

4、试验管系结构简介二期试验研究的受试形变件及试验段供排水管道均采用PVC硬塑管制造。

按中南电力设计院提供的有关异径三通与渐变管的两种面积比0.56、0.67，选用三种内径的塑管：154mm、134mm、118mm，尽可能实现接近中南院提出的面积比，即与所用塑管匹配的面积比为0.586、0.766。

试验段管系的布置原则是：形变件上、下游直管段长度均不短于55倍管内径，测压段长度不短于45倍管内径。

尽可能沿管路均布测压断面，均布间距为300mm。

每个测压断面至少在水平直径两端壁设置测压孔，形变件及其上、下游20倍管径内的测压断面则在水平及垂直直径两端分别设孔，断面上的多个测压孔以均压环相互连通，均压后送至管排上的测压管。

第三章、试验成果及分析一、组合弯管本试验的弯管种类为电厂循环供水管系上所用的多片弯管(含肘管)。

弯管种类及无量纲外形尺寸见表4。

表4：1、90o度五片弯管局部阻力系数的测试五片90o弯管的试件外形见照片1。

试验现场场景见照片2。

试验组次如表5。

表5：局部阻力系数x随雷诺数Re的变化规律见附图4。