杨卫权 (南汇县自来水公司，上海201312)
唐朝春(华东交通 大学土木工程系，江西南昌330013)
陈蓉(株洲铁路水电段，湖南株洲412000) 摘 要：针对滤池配水原理中存在着将多孔管孔口作用水头看作压强水头和认为孔口流量系数沿程不变的观点，运用水力学原理，对多孔配水管中的作用水头和孔口流量系数的变化规律进行了探讨，并通过试验进行了验证。结果表明，多孔管孔口出流的作用水头应为总水头，其值沿水流方向逐渐减小，而孔口流量系数沿程逐渐增大；多孔管孔口沿程出流量的变化与进口总水头的大小有关，在进口总水头较小时，多孔管孔口沿程出流量逐渐减小，而在进口总水头较大时，孔口沿程出流量逐渐增大。?
关键词：多孔配水管；作用水头；孔口流量系数
中图分类号：TU991.24
文献标识码：B
文章编号：1000-4602(1999)10-0026-03 配水系统是滤池的主要组成部分，其主要作用是保证进入滤池的冲洗水能够均匀分布在整个滤池面积上，并在过滤时均匀集水。有关文献对其配水原理作了详细的论述[1～3]，但存在着两个错误看法：①将多孔管孔口出流的作用水头看作是压强水头；②将沿程孔口流量系数看作是保持不变的常数。本文运用水力学原理，对多孔配水管中的作用水头和孔口流量系数的变化进行了探讨，并通过试验进行了验证。 1 多孔配水管中作用水头的变化 对于直径和长度比符合式(1)的短管，如大阻力配水系统的干管和支管，其水头变化可用图1表示。  ?
从图1可见，沿水流方向压头逐渐增大，而总水头逐渐下降，两者的变化规律是相反的，因此，孔口作用水头采用压头还是总水头对其变化规律至关重要，有必要研究多孔管在 配水中能量的有效利用。 D＞(0.006L)1/1.33?(1)
式中?D——多孔管的直径
?L——多孔管的长度 参照文献[1]的图8—5，可得到多孔配水管的能量分配(见图2)。  ?
设孔口作用水头为压头，则用于孔口出流的有效利用能量E1可用BCDE所包围的面积S1表示；用于克服管道沿程水头损失所消耗的能量E2可用AEF所包围的面积S2表示；而进口总能量E0=QH0γ=γQ[H1+α(v20/2g)]可用长方形ACDF的面积S0表示。
显然S1+S2＜S0，即用于孔口出流的有效利用能量E1与用于克服管道沿程水头损失所消耗的能量E2之和小于进口总能量E0。从能量守恒的角度看是不可能的，显然，这里忽视了ABE包围的面积S3所代表的能量E3［多孔管各段流速水头之和，其值
E3=∑γqi(v2i/2g)］。若按照作用水头为压强水头的假设，则E3既没有被沿程阻力消耗掉，也没有被消耗在孔口阻力上。显然，对其去向的合理解释是，E3被消耗在孔口阻力上，也只能消耗在孔口阻力上，即作用在孔口上用于克服孔口局部阻力的水头除了压头之外还有流速水头，即总水头。事实上，文献[1]第95页第8行早就指出了图8—5中的“剩余的水头消耗在用户给水龙头的局部水头损失上”，其中的“剩余水头”即指流速水头。
因此对短管来说，尽管沿水流方向其压头逐渐增大，但其总水头总是逐渐下降的。因此在进行孔口出流量的计算时，必须考虑流速水头，以总水头作为计算依据，否则就会得到末端作用水头大于起点作用水头的错误结论。 2 多孔管沿程孔口流量系数的变化 孔口出流量除与作用水头有关外，尚与孔口流量系数μ有关。而μ与ε、ζ有关[4]，如式(2)所示： μ＝εΦ＝ε(1/(1+ζ))0.5 (2)
式中?Φ——流速系数?
? ε——压缩系数?
?ζ——孔口局部阻力系数? 对于一般的孔口出流，μ可看成一个常数。但对多孔管来说，μ并不是一个常数，原因是从起端至末端，其流量、流速变化较大，水流的流态必然也有很大变化，因此沿程孔口的ε、ζ发生较大变化，结果使μ也发生较大变化。表1中ε和ζ、μ的变化说明了这一点。 表1 多孔管均匀分配流量时的ε、ξ和μ[5]| ω０／ω | 自管道末端起的孔眼顺序 | | 1.0 | 5 | 10 | 20 | 30 | 50 | | ε | ξ | μ | ε | ξ | μ | ε | ξ | μ | ε | ξ | μ | ε | ξ | μ | ε | ξ | μ | | 0.02 | 0.61 | 0.41 | 0.514 | 0.61 | 0.42 | 0.512 | 0.60 | 0.43 | 0.502 | 0.57 | 0.49 | 0.467 | 0.54 | 0.58 | 0.430 | 0.46 | 0.83 | 0.340 | | 0.04 | 0.61 | 0.41 | 0.514 | 0.60 | 0.43 | 0.502 | 0.58 | 0.48 | 0.477 | 0.56 | 0.59 | 0.444 | 0.43 | 1.02 | 0.303 | 0.33 | 1.51 | 0.208 | | 0.08 | 0.61 | 0.41 | 0.514 | 0.58 | 0.44 | 0.483 | 0.51 | 0.56 | 0.408 | 0.38 | 1.30 | 0.251 | 0.30 | 1.88 | 0.177 | 0.21 | 3.35 | 0.101 | | 0.12 | 0.61 | 0.41 | 0.514 | 0.55 | 0.47 | 0.454 | 0.44 | 0.67 | 0.340 | 0.30 | 1.88 | 0.177 | 0.22 | 2.82 | 0.113 | 0.15 | 5.29 | 0.060 | 注 1 表中μ值是根据文献[5]所列ε和ξ用式（2）计算而得。
2 ω——多孔管过水断面；ω０——开孔面积。 | 从表1中可见：?
①多孔管沿程孔口的μ是变化的。从管道起端至末端，ε逐渐增大同时ζ逐渐减小，结果使μ逐渐增大；?
②μ的变化情况与开孔数、开孔比有关。开孔数越多，其始、末端μ相差越大；开孔比越大，μ相差越大。? 3 孔口沿程出流量的变化? 综合上述讨论，可以得知作用水头和流量系数的变化规律为：?
①沿水流方向，孔口作用水头逐渐减小；?
②沿水流方向，孔口流量系数逐渐增大。?
因此，对等直径等距离多孔管来说，根据总水头和孔口流量系数两者的变化规律，沿程孔口出流量的变化必然出现以下两种情况：?
①当总水头在配水过程中起主要作用时，多孔管沿程孔口出流量逐渐减小；?
②当流量系数μ沿程的变化在配水过程中起主要作用时，多孔管沿程孔口出流量逐渐增大。 4 实例 4.1 试验材料
DN20mm镀锌钢管，长876mm，开圆孔14个，孔距40mm，开孔段长535mm；设5个取样点（见图3，每个取样点同时集取2个孔口的流量）。 
4.2 试验结果讨论?
表2和图4、5分别为在不同进水总水头时，多孔管始末端总水头、压头及沿程孔口出流量的变化情况。? 表2 多孔管不同开孔孔径下总水头及压头的变化 kPa| 试验号 | 孔径4mm | 孔径3mm | | 起端 | 末端 | 起端 | 末端 | | 总水头 | 压头 | 压头 | 总水头 | 压头 | 压头 | | 1 | 1.20 | 1.03 | 1.05 | 0.720 | 0.715 | 0.715 | | 2 | 1.22 | 1.05 | 1.07 | 0.93 | 0.90 | 0.91 | | 3 | 1.32 | 1.13 | 1.15 | 1.15 | 1.11 | 1.11 | | 4 | 1.81 | 1.53 | 1.57 | 1.46 | 1.39 | 1.40 | | 5 | 2.24 | 1.88 | 1.93 | 1.78 | 1.68 | 1.69 |  
从表2及图4、5中可以看到：?
①多孔管末端压头始终大于始端压头，与进水总水头的大小无关；?
②在进水总水头较小时，其孔口出流量沿流程逐渐下降；?
③在进水总水头较大时，沿程孔口出流量逐渐增大。?
这些结论与前面的分析是一致的，也说明文献[2]中空气试验的试验范围有缺陷。尽管本试验所用多孔管管径与滤池中所用管径相差较大，但其试验结果可以论证前文中提出的问题。 5 结论? ①多孔管孔口作用水头应为总水头，其大小沿水流方向逐渐减小。?
②孔口流量系数是一个变量，在进口水头较小时，沿程变化较小，可看作是常数；而在进口总水头较大时，沿程变化较大，对流量的变化影响很大。?
③在进口水头较小时，多孔管始端孔口出流量大于末端出流量；而在进口水头较大时，多孔管始端孔口出流量小于末端出流量。 参考文献： [1]严煦世，范瑾初?给水工程[Ｍ]?第三版?北京：中国建筑工业出版社，1995?94-99，332-337.
[2]许保玖?给水处理理论与设计[Ｍ]?北京：中国建筑工业出版社，1992?256-260.
[3]钟淳昌?净水厂设计[Ｍ]?北京：中国建筑工业出版社，1986?246-248.
[4]西南交通大学水力学教研室?水力学[Ｍ]?第三版?北京：高教出版社，1983?230-235.?
[5]给水排水系统水力计算手册[Ｍ]?郭连起译?北京：中国建筑工业出版社，1983?99-109.?
电 话：(0791)3800145(O)3800205(H)(唐朝春)?
收稿日期：1999-02-19 | 
