具长水平管段的虹吸排水管内气液二相流机理研究

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滑坡的稳定性与地下水作用密切相关,易受强降雨影响。采取边坡排水等方法降低并控制地下水位是治理滑坡的必要技术手段。边坡虹吸排水技术通过巧妙利用大气压力和边坡的地形条件,将深埋的地下水排出坡体。针对长距离虹吸排水过程中由于停流期引起的长期适用性差等问题,通过试验研究、理论分析、工程数据对比等方法,对虹吸管内气液二相流的流体动力学特性进行了分析,得出了适用于具有长水平段的长距离虹吸排水的计算方法,探讨了长距离虹吸排水在工程实践中的灵活应用。通过以上研究,获得了以下主要成果和认识:(1)在具有长水平段的高扬程虹吸排水过程中,由于管内气压随高度增加而逐渐降低,同时由于管长带来的沿程损耗限制了流速,综合引起了管内流型的充分发展,即形成了典型的气液二相段塞流。试验研究发现,段塞流在虹吸排水过程中广泛存在,但由于表现张力和重力的作用效应比例与管径密切相关,毛细效应的不同体现引起了管径差异所带来的排水效率差异。在虹吸管水平段中,较大直径管中的段塞气泡由于重力作用上浮贴壁,而小直径管中气泡与液体间歇排布并占据管的整个横截面。(2)利用基于质量、动量及能量守恒的拉格朗日数学模型对段塞流的形成发展及稳定过程进行了机理分析,根据多相介质理论得到段塞流的相关特征参数解析解,得到气泡流与段塞流之间的过渡状态特性。段塞流是具有间歇特性的周期性流动,其稳定性主要由气泡决定。而气泡的稳定性与气液界面的表面张力、气泡形状及尺寸、液体粘性及动力学特性、管道形状及尺寸和环境条件等多种因素相关。(3)在大直径虹吸管中的气液二相流是在重力作用主导下形成的不完全发展的段塞流——弹状流。利用凯尔文亥姆霍兹不稳定性分析理论得到气液界面波扰动状态方程,进而得到段塞流临界气液速度的关系。小直径虹吸管中的气液二相流动则是在表面张力作用主导下形成的典型段塞流。利用多相介质理论得到压力梯度、动态空隙率以及气泡相对漂移速度等相关参数的解析式。(4)在虹吸排水过程中,段塞流有利于排出管内积存的气体,然而气液固三相接触线的存在引起了压降的大幅增加。试验与工程采用的5mm作为毛细管和大直径管的临界直径,兼具形成稳定段塞流以及保持气泡与管壁间液膜厚度的优势。(5)在工程实践中,单孔涌水量是决定虹吸排水能力需求的主要因素。通过对不同钻孔条件及涌水量需求的对比分析发现,长距离虹吸排水能力随管径增大效率在5.3mm处取得最值。
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