现代喷泉水景设计中的流体力学问题

现代喷泉水景设计中的流体力学问题【摘要】本文对现代喷泉水景设计中经常遇到的高速掺气水射流的两相流特性，离心泵的选择和使用等流体力学问题作了初步分析，指出了流体力学理论对于大型音乐喷泉设计和新水型研究开发的重要性，以及在喷泉设计和运行中应当注意的问题。【关键词】喷泉；流体力学；射流；两相流；离心泵；紊流中图分类号：TU986.4文献标识码：A引言近几年来，随着我国经济建设的蓬勃发展和人民生活水平的不断提高，我国的喷泉水景建设也得到了迅速发展，大型音乐喷泉已遍布全国各大城市，随着喷泉水景工程的规模不断扩大，各种科技含量高的新、奇、特水型不断涌现，对喷泉水景的设计也提出了更高的要求。充分应用相关行业的高科技成果，独立自主地研究开发喷泉水景新设备，提高喷泉水景的技术水平和艺术表现能力，是我国喷泉水景发展新阶段的迫切任务。本文对于喷泉水景设计中经常遇到的流体力学问题作一些初步的分析，与国内同行进行切磋，希望能起到抛砖引玉的作用。一、高速掺气水射流喷泉是受压水流经过喷咀射入周围空气中而形成的水景。空气的密度只有水的千分之一，所以喷泉的运动状态与单相淹没射流完全不同，可以达到比较大的喷高和射程。随着水压和射流速度的提高，周围空气被大量卷入水射流之中，形成典型的气—水两相流。所以喷泉的设计不能简单地套用一般只适用于单相水流的水力学基本公式。在喷泉中，水射流四周完全是和空气接触的自由表面，而且由于射流速度较高，掺气现象不可避免，所以其水力计算十分复杂。喷泉的水力参数一般无法完全用理论计算来确定，必须通过大量实验求出有关的经验公式。由于喷泉的两相流特性，水射流的相似理论目前还不成熟，所以在将试验室里进行的缩小比例的试验结果换算到实际规模的水射流上去时遇到了很大困难。由于水流速度对掺气现象有重要影响，所以降压试验的结果也与实际情况相差甚远。在设计超高喷泉和研究开发新水型时，更必须进行大量水工试验和现场测定，才能取得比较满意的结果。给水排水管道中的流速一般为1—3m/s，而喷咀出口的水射流速度则要高得多：当喷咀前供水压头为50ｍ时，喷咀出口速度已接近30ｍ/s；当喷咀出口直径不小于24㎜时，其垂直喷高可达到30ｍ以上。当供水压头小于50ｍ，即水压低于0.5MPａ时，为低压射流。如果喷咀内壁光滑，而且其前有足够长度的直管段，或者装有正确设计的整流器时，喷咀喷出的水射流应该有一段玻璃状的透明水柱；水压越低，或者喷咀直径越大，这段透明水柱就越长。在这段透明水柱之后，水射流外围将出现掺气的边界层，情况与中压射流相似。当供水压力达到0.5—4MPａ时，水射流就进入中压射流，一般喷高超过30ｍ的喷泉都属于这一范畴。这时，喷咀出口处已看不到玻璃状透明水柱，但在射流中心附近仍有一段流速均匀的等速核心，其直径随着到喷咀距离的增大而逐渐减少；由于水射流表面与周围空气的摩擦以及动量交换和质量交换，在水射流的外围出现掺气的紊流边界层，其厚度随着到喷咀距离的增加而不断增大，并使射流直径不断扩张，最后整个射流断面都被边界层所充满，水射流变成乳白色，并逐渐碎裂成水滴。由于重力加速度的作用，垂直向上喷出的水射流将逐渐减速，射流断面也相应增大。如果不考虑喷头的局部阻力损失以及水射流同周围空气的摩擦损失和动量交换，即不考虑压力能→动能→位能的能量转换损失，则水射流的理论喷高应该与喷头前的供水压头相等。但实践证明，在目前国内的设计制造水平下，当喷咀前的供水压头为50ｍ、喷咀出口直径为24—30mm时，水射流的垂直喷高一般只能达到30—35m，也就是说只有理论喷高的60—70％。进一步提高供水压力时，由于流速增加，掺气的影响加剧，实际喷高与理论喷高的差距进一步扩大。因此，为了增加喷高，光靠增加供水压力和水泵功率并不能取得满意的结果；除了适当增加喷咀直径外，还必须改进喷咀结构和整流装置，并对于高速掺气水射流的两相流特性进行深入的研究。超高喷泉的设备投资和功率消耗都比较大，而且国内外也没有多少成功的经验可供借鉴，所以在这方面还需要进行大量的试验研究和理论分析工作。二、供水泵的选择和使用目前我国的喷泉水景中使用的供水泵大都是离心式潜水泵。在某些大流量、低扬程的应用场合，如瀑布和漂流河等，也有使用混流泵和轴流泵的，其特性曲线有所不同，但基本情况与离心泵相似，都属于旋转动力泵或涡轮机械。与往复泵和转子泵等其他类型泵相比，旋转动力泵的主要优点是流量大、尺寸小、重量轻、结构简单、造价低廉，而且安装、使用和维修方便，所以得到广泛应用。而且由于它们可以和潜水电机直接连接，在水下长期可靠地工作，无需使用润滑油等容易污染水体的其他介质，可以节省修建泵房的土建费用，在喷泉水景行业更有其特殊优越性，是其他类型泵所无法取代的。离心泵等旋转动力泵，与往复泵、转子泵等容积式泵不同，它们的工作流量不是固定的，而是随着工作扬程的变化而改变的，它们所消耗的功率也同时随之改变。因此，在选择供水泵时，不能只看它们的设计参数，还必须全面考虑其性能曲线，通过仔细计算来确定其工作点的扬程、流量和轴功率，才能取得比较满意的结果。通常，离心泵的设计点就是其最高效率点，用Q0、H0、N0表示。喷泉所需水压头等于喷咀压头加上管路和阀门的压力损失一般与流量的平方成正比，其特性在Q—H坐标系中可以用一条抛物线H=KQ2来表示，这条曲线与水泵性能曲线的交点（Q1、H1）就是实际工作点。为了安全起见，通常所选供水泵的扬程都要比所需扬程大一些，即HO＞H1；所以实际工作流量都要比设计流量大一些，即Q1＞QO。多数离心泵的轴功率都随着流量的增大而增大，所以实际工作点的轴功率通常要大于设计点的轴功率，即N1＞NO。一般水泵厂选择的配套电机的额定功率都要比水泵的设计点轴功率大10％以上，并且允许水泵的工作流量与设计流量有±20％的偏差。有些离心泵的Q-H曲线比较平坦，即当工作扬程变化不大时，其工作流量就会发生很大改变，导致其轴功率也发生很大改变。这样的水泵使用时必须小心，尤其不应在阻力变化较大或者多台泵并联工作的情况下使用，否则容易发生烧坏电机等事故。有些潜水泵的性能曲线比较安全，当工作流量大于设计流量时，其扬程迅速下降，轴功率也随之减少，因此不会出现因轴功率过大而烧坏电机或引起热继电器跳闸等事故。有些音乐喷泉的中心主喷采用几台潜水泵并联供水。喷泉工作时，往往逐台起动这些供水泵，使主喷的喷高逐渐增大;只有当音乐达到最高潮时，才将这些供水泵全部打开，使主喷达到最大喷高。在设计喷头和选择供水泵时，自然是按全部供水泵并联运行时的运转工况来计算的。但当并联运行的水泵台数较少时，每台泵的工作流量都将大大超过其设计流量，有烧坏电机或引起保护装置跳闸的危险。因此，在这种情况下工作的离心泵应该选用具有上述安全性能曲线的水泵，以保证喷泉表演的正常进行。结束语在现代喷泉水景的设计中还有许多流体力学问题，本文无法一一列举。有一些新技术目前还处于研究开发阶段，今后很可能对我国喷泉水景的发展作出重大贡献。例如，继水泉、旱泉之后的第三代喷泉—“空中喷泉”，将航空航天高科技应用于喷泉水景之中，使喷泉设备实现了“上天”的梦想，并使喷泉技术产生了质的飞跃，开拓了一个全新的发展领域。这充分证明了流体力学理论在喷泉水景技术发展中的重要性。