（市政工程专业论文）小型供水管网突然停泵水力过渡计算程序研究.pdf

摘要 随着我国城市化进程的加快，作为城市化基础设施之一的供水管网工程在 城市人民生活、工业生产和城市发展中的作用日益重要，同时对供水管网工程 也提出了更高要求，而城市给水管网由于水锤原因而爆管的问题依然屡见不鲜。 对于城市供水管网，停泵水锤的危害仍然巨大，造成管道破裂、设备( 水泵、 止回阀) 损坏，大量漏水乃至断水，严重威胁着城市的核心命脉，影响人民的 正常生活。所以，研究供水管网突然停泵的水锤防护措施是近年来城市给水供 水研究的重要课题之一，是势在必行的。 为了进一步探讨供水管网突然停泵水力过渡问题，本文在前人研究的水锤 研究成果基础上，系统阐述了管网管线上水力流态及演化即气液两相流的特点 和管道气囊升压机理，水锤计算基本方程及其特征线方程计算，在分析过程中 必须从设备性能的实际情况出发来编制边界条件，进而进行水锤防护研究的探 讨。 本文详细地阐述了水锤计算数值模拟数的基本原理与具体电算方法，通过 对管网管道爆管的水力条件进行了系统分析，建立多个边界条件下的水锤数学 模型，并给出了供水管网管道中常用的水锤防护边界条件。 本文结合实例对小型供水管网突然停泵进行v c + + 语言程序编写、模拟运 行，对其停泵水锤进行了多种工况的研究，以调控水泵出口处的缓闭止回阀两 阶段关闭时间和快关度数进行供水管网水锤计算研究，并最后提出防护措施。 为小型供水管网水力过渡程序研究提供了参考价值和借鉴意义。 关键词：小型供水管网、有压输水、边界条件、爆管、水锤防护； a b s t r a c t a l o n gw i t ho u rc o u n t r yu r b a n i z a t i o na d v a n c e m e n t sq u i c k e n i n g , t a k e so faw a t e rs u p p l y p i p en e t w o r kp r o j e c tu r b a n i z a t i o ni n f r a s t r u c t u r e si nt h ec i t yl i v e so ft h ep e o p l e ，t h ei n d u s t r i a l p r o d u c t i o na n dt h eu r b a nd e v e l o p m e n tf u n c t i o ni sd a yb yd a yi m p o r t a n t , s i m u l t a n e o u s l ya l s os e t ah i g h e rr e q u e s tt ot h ew a t e rs u p p l yp i p en e t w o r kp r o j e c t , b u tu r b a ns e r v i c ep i p en e ta sar e s u l to f i m p i n g e m e n tr e a s o nb u tc a r t r i d g ei g n i t e r sq u e s t i o ni ss t i l lc o m m o n r e g a r d i n gt h eu r b a nw a t e r s u p p l yp i p en e t w o r k , s t o p p e dt h ep u m pi m p i n g e m e n t 。sh a r mt ob es t i l lh u g e ，c a u s e st h ep i p e l i n e t ob u r s t , t h ee q u i p m e n t ( w a t e rp u m p ，c h e c kv a l v e ) t od a m a g e ，t h em a s s i v ew a t e rl e a k a g e sa n d e v e nc u to f f t h ew a t e rs u p p l y , t h et h r e a t e ns e r i o u s l yc i t y sc o r el i f e , w a sa f f e c t i n gp e o p l e sn o r m a l l i f e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c hw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r ks t o p p e dp u m p si m p i n g e m e n tp r o t e c t i v e m e a s u r ei ss u d d e n l yt h er e c e n ty e a r sc i t yg i v e so n eo fw a t e rs u p p l yr e s e a r c hi m p o r t a n tt o p i c s ， w a si m p e r a t i v e t of u r t h e rd i s c u s st h ew a t e rs u p p l yp i p en e t w o r kt os t o pt h ep u m pw a t e rp o w e rt r a n s i t i o n q u e s t i o ns u d d e n l y , t h i sa r t i c l es t u d i e si nt h ep r e d e c e s s o ri nt h ei m p i n g e m e n tr e s e a r c hr e s u l t s f o u n d a t i o n ，t h es y s t e me l a b o r a t e do nt h ep i p en e t w o r kp i p e l i n et h ew a t e rp o w e rf l u i ds t a t ea n d t h ee v o l u t i o nn a m e l yw e r em a dt h ef l u i dt w op h a s ec u r r e n t st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep i p e l i n e a e r o c y s tp r e s s u r e r i s em e c h a n i s m ，a n dt ot h ei m p i n g e m e n tc o m p u t a t i o nf u n d a m e n t a le q u a t i o n a n dt h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v ee q u a t i o nc o m p u t a t i o n , m u s te m b a r ki nt h ep a r s i n gp r o c e s sf r o mt h e e q u i p m e n tp e r f o r m a n c ea c t u a ls i t u a t i o ne s t a b l i s h e st h eb o u n d a r yc o n d i t i o n , t h e nc o n d u c t st h e i m p i n g e m e n tp r o t e c t i o nr e s e a r c ht h ed i s c u s s i o n t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e di nd e t a i lt h ei m p i n g e m e n te v a l u a t i o ns i m u l a t i o nn u m b e r sb a s i c p r i n c i p l ea n dt h ec o n c r e t ee l e c t r i c i t yc a l c u l a t et h em e t h o d ，t h r o u g hh a sc a r r i e do nt h es y s t e m a n a l y s i st ot h ep i p en e t w o r kp i p e l i n ec a r t r i d g ei g n i t e r sw a t e rp o w e rc o n d i t i o n , e s t a b l i s h e su n d e r m a n yb o u n d a r yc o n d i t i o n st h ei m p i n g e m e n tm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n dg a v ei nt h ew a t e rs u p p l y p i p en e t w o r kp i p e l i n et h ec o m m o n l yu s e di m p i n g e m e n tt op r o t e c tt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n t h i sa r t i c l eu n i f i e st h ee x a m p l et os t o pt h ep u m pt ot h es m a l lw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r kt o c a r r yo nt h ev c + + l a n g u a g ep r o g r a m m i n g , t h es i m u l a t i o nr u ns u d d e n l y , s t o p p e dt h ep u m p i m p i n g e m e n tt oc o n d u c tm a n yk i n d so fo p e r a t i n gm o d er e s e a r c l - hr e g u l a t e dt h ew a t e rp u m pe x i t t h ec u s h i o nd i s c h a r g ev a l v et w os t a g ec l o s i n gh o u ra n dt h eq u i c kp a s sn u m b e ro fd e g r e e c o n d u c t st h ew a t e rs u p p l yp i p en e t w o r ki m p i n g e m e n tc o m p u t a t i o nr e s e a r c h ，a n dp r o p o s e dt h e p r o t e c t i v em e a s u r ef i n a l l y h a sp r o v i d e dt h er e f e r e n c ev a l u ef o rt h es m a l lw a t e rs u p p l yp i p e n e t w o r kw a t e rp o w e rt r a n s i t i o np r o c e d u r er e s e a r c ha n dp r o f i t sf r o mt h es i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：t h es m a l lw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r k ：t h ew a t e rd i s t r i b u t i o nw i t hp r e s s s u r e ：p i p e b u r s t ；t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n ：t h ei m p i n g e m e n tp r o t e c t i o n ； 长安大学硕士学位论文 1 1 本课题研究的背景及意义 第一章绪论 城市是政治、经济、文化的主要载体，是社会进步的里程碑，近年来，我国城市化 进程发展迅速，已成为世界城市化进程最快的国家之一。给水管网系统是城镇进步和可 持续发展的重要基础设施。 半个世纪以来，给水管网的技术进步反映了我国给水事业的壮大与发展。然而，随 之发展，问题也逐渐显现。供水系统管网老化、管道维护不力，加上管理水平落后、缺 乏预防爆管事故的能力和事故发生后快速反应及处理的能力，导致管网漏损和爆管事故 发生率增加、事故规模扩大、危害程度加剧。供水管道爆管不仅造成大量水资源浪费， 还导致供水经济效益下降，严重威胁了供水安全，影响了人们的正常生活。据统计，大型 城市给水管网每年爆管2 0 0 0 次左右，而省会城市大约每年爆管1 0 0 0 次。这是很让人揪 心的数字，所以，应该弄清爆管原因，并且对症下药。对于成因，大致有以下几点：管 材问题；接口问题；以及由于城市建设、拓宽道路或者违章占压引起的水管各种径向位 移，内部应力增大而且持续得不到释放；还有本文将要着重论述的，水锤作用导致的爆 管。 对于前几种爆管成因及其对策，业已发展很成熟，然而目前对于最后一点，即，由 于水汽相间引起的断流水锤导致的城市给水管网爆管研究比较欠缺。现阶段，对于单管 的断流水锤计算犹不成熟，对于管网发生水锤的计算研究更是少之又少。城市管网输水 系统由泵提供动力，管道又长又复杂，节点和支路又多，一旦出现断电、停泵、关阀事 故和正常的流量调节时，都会产生水锤而且传至全系统。正水锤威胁设备和管的强度， 负水锤在关中极易产生空腔而出现空腔溃灭的极大的爆管压力。因此目前城市供水系统 需要进行水锤分析。而由于大型城市管网复杂多变，枝状环状管错综复杂，所以本文将 对小型供水环状管网进行停泵水力过渡计算程序研究。 1 2 水锤( 水力过渡过程) 基本概念 水在管道输送中，经常会出现水锤。水锤是管道瞬变流动中的一种压力波，它的产 生是由于管道中某一截面流速发生了改变。这种改变可能是正常的流量调节，或者是事 故而使流量堵截，从而使该处压力产生一个突然的跃升或下跌。这个压力的瞬变波称为 第一章绪论 水锤。在由泵站输送液体的压力管道中，把这种水锤现象又叫为泵站管路系统水力过渡 过程。通常是在水泵停泵或者阀门关闭时，后续水流动自如，在光滑的管内壁由于惯性 作用，水力迅速达到最大，产生一种严重水击称为正水锤。反之，当水泵启动或者关闭 的阀门突然打开时产生的水锤效应称为负水锤，通常没有前者大【2 1 。 水锤发生的物理原因主要是由于液体具有惯性和压缩性。液体惯性维持原有运动状 态，而流速突然改变，导致液体压缩或膨胀从而使得压强急剧变化；反之，液体两侧受 力的变化也可导致流速的改变。离心泵本身均匀供水，正常运行时在水泵和管路系统中 不产生水锤危害。一般操作规程规定，在停泵前需将压水阀门关闭，因而正常停泵也不 引起水锤。一般来说，输水管道系统中水力过渡过程的起因大体有：启泵和停泵、机组 转速发生变化或着运行不稳定及动力故障、空气进入泵或管道系统、泵内发生回流、阀 门启闭、线路分流和集流等。其中以事故停泵引起的水锤尤为严重。 从不同的角度划分，水锤可分为以下四种： ( 1 ) 按关阀历时疋与水锤相j l l 的关系，分为直接水锤和间接水锤。 2 三 阀门全关闭的历时乃只要小于a ，则阀门处的最大水锤升压值就不会受到第一个 返回的降压波的部分抵消，而且和瞬时全关闭阀门的效果相同，阀门处压力的升高只取 决于直接波的压力值而不受反射波的影响，是为直接水锤；反之，关阀动作较慢，即 2 三 t s a ，则关阀引起的水锤升压受到从压水池返回的降压波的部分抵消。因此，阀门处 的最大水锤升压值必小于直接水锤升压值，称为间接水锤。直接水锤是最简单的水锤过 程，阀门处所产生的最大升压值与管线长度及阀门关闭时间无直接关系；间接水锤过程 情况就变得十分复杂。在水泵站中所发生的水锤通常是间接水锤，或者先是间接水锤， 随后发生直接水锤。 ( 2 ) 按水锤成因的外部条件，可分为启泵水锤、关阀水锤和停泵水锤三种 启动水锤常在压水管没充满水而压水阀门开启过快的启动情况下发生，由于在管路 中存有充空气的管段( 或因水柱分离所产生的蒸汽空腔) ，加之水泵扬程和转速又都是 变值，启动时在泵管系统中必然发生非常剧烈的流速变化和惊人的流体撞击；关阀水锤 是关闭阀门过程中发生的水锤现象。正常情况下，如果阀门能够按照规定的阀门操作规 程进行启闭，是不会发生关阀水锤：但是由于其他的外在因素，导致阀门不能或者没有 2 长安大学硕士学位论文 能够按照操作规程进行关闭，就会引起严重的关阀水锤；停泵水锤是由于泵站工作人员 违反操作规程、自然灾害、电网跳闸等因素造成水泵机组突然断电，泵站及管路系统中 所发生的水锤现象。根据已知的调查实例，大部分水锤事故属于停泵水锤，对停泵水锤 的防护也是水锤防护的重中之重。 小型城市管网中，因事故断电或其他原因而突然停泵时，引起的水力过渡过程通常 是最严重的。 ( 3 ) 按水锤水力特性，分为刚性水锤和弹性水锤理论 刚性水锤不考虑水流阻力及水和管材的弹性，计算比较简单，但计算结果偏大。弹 性水柱理论则考虑水的可压缩性和管材的弹性，导出的水锤基本方程式虽然比较复杂， 但也比较符合实际，在实际工程应用中具有实用性。对高水头、长管路系统进行水锤计 算时，应当采用弹性水柱理论，这样才能得到更能准确代表工程实际的结果。 ( 4 ) 按水锤波动的现象，分为水柱连续的水锤现象( 无水柱分离) 和伴有水柱分 离的水锤现象( 断流空腔再弥合水锤) ，即有压管流中出现大空腔的一种水锤现象。 在进行停泵水锤分析及危害预测时，必须首先判别能否发生水柱分离现象，这在发 达国家中已成为本领域中必须首先遵守的惯例。 当水锤压力降堕小于管路内所能提供的压力值时，就不会发生水柱分离现象；反 g 之，当水锤压力降坐大于或等于管路内所能提供的压力值时，就将发生水柱分离现象。 g 对于城市供水管网，一旦发生停泵水锤，通常是伴有水柱分离的水锤现象，即断流 弥合水锤，致使管网水锤升压巨大，对管网系统的安全造成了很大威胁，直接影响到人 们的生活，与工厂的生产。 在实际生产中，往往由于水锤方面知识的缺乏而盲目地提高设计标准，从而增加投 资成本造成无谓的浪费。或者因设计时对水锤危害的预计不足，水锤防护措施不当，导 致管道爆裂等事故的发生。因此，了解水锤的基本理论和研究水锤的计算方法，可以更 好地为水锤防护措施的研究提供理论依据。 1 3 突然停泵水力过渡过程研究综述 在具体的技术条件下，如何进行停泵水锤分析，如何判断停泵水锤的危害，采取何 第一章绪论 种防护措施来消除其危害，以及如何评估防护措施的技术经济效果等，都要以相应的停 泵水锤计算为基础。例如，在设计水泵站及输水管路时，必须根据各种可能的荷载来进 行校核。在各种荷载中内水压力是最主要的。在计算内水压力值时，必须包括停泵水锤 最大升压值的计算。又如，在不设普通止回阀的水泵站及输水管路中，停泵水锤的最大 升压，一般并不引起灾害。但往往因机组的最大反转数超过额定转速太多，或因机轴 震动等而引起技术事故，因此，比较准确的计算上述诸值，也就十份重要。再如，为了 判断突然停泵后能否发生水柱分离现象以及确定断流弥合水锤发生的时间及地点，进行 大量的计算与分析工作是必不可少的。 因此对于本文主题，进行停泵水力过渡计算是为了求得： a 在发生停泵水力过渡过程中，泵站及管路中各管段处流量q 、水头h 在不同时 间的所呈现的不同数值，得出最高最低水头包络线。以及泵站机组转数1 1 及轴上转矩m 等基本参数随时间t 而变化的规律和它们的极值。换句话说，就是求出各主要地点( 泵 站和水柱分离处) 的停泵水力过渡暂态过程线。 b 停泵水力过渡分析时所需要的其他资料与数据，如水泵的全性能曲线、水锤波 传播和反射等规律以及水泵机组的惯性效应等。 c 在管网输水管路中开始产生水柱分离的地点和时刻、断流空腔的大小、两分离 水柱相互碰撞的时刻以及断流弥合水锤的升压值。 d 对处于停泵水力过渡暂态条件下的水泵机组及管路等主要设备的机械强度进行 校核与评价。 e 对城市管网中，可能采用的停泵水锤防护措施的经济效果。 f 通过大量的计算，确定经济合理的水锤防护措施，以保证泵站及管网管道运行 的安全。 综上所述，进行停泵水力过渡计算并不仅仅是为了取得数据，而是要求得到为正确 进行停泵水锤分析与防护所需的资料、规律与数据。 1 4 水锤研究发展动态 随着我国国民经济的发展，液体管道输送越来越多，保证管道输送的安全是首要任 务，因此水锤安全分析越来越被人们所认识和重视，以水锤分析作为线性，为设计及购 置设备提供依据，为指定运行规程准则提供依据。而从上个世纪六十年代开始，计算机 4 长安大学硕士学位论文 的飞速发展，结合了现代动态测量的技术，水锤分析进入了一个用计算机模拟计算的新 纪元。 目前的水力过渡计算，其主要过程就是分析工程具体情况，在管段中所发生的水柱 分离和断流弥合水锤的计算理论进行综合研究的基础上，深入研究各种水锤防护措施的 各种边界条件，并将工程中所需的边界条件加入计算机模拟程序中进行动态模拟，最终 得出最佳的水锤防护方案，并给出最佳的阀门、管线及泵站安全操作规程。 ( 1 ) 对水锤计算各种边界条件的深入研究 现阶段，随着对管道水锤分析的重视程度上升，在分析的基础上，涌现了多种多样 的水锤防护设备。在实际工程的应用中，由于其原始条件不同，在水锤分析过程中所要 求的防护措施便不同。随着水锤研究的蓬勃发展，新近出现的水锤防护设备提高了输水 的安全性，而复杂多变的输水工程又对水锤防护设备不断提出新的性能要求，促进了新 的水锤防护设备的研究与开发。近几年来，随着水锤防护专业的不断发展，各种性能良 好的设备逐渐被开发出来，例如：液控蝶阀、减压恒压阀、箱式调压塔、超压泄压阀， 以及各种新型的排气阀气缸式排气阀等等。 当然，这些防护设备也都有其自身的缺点，但不影响其主要性能的发挥，只要按照 规程运行，就不会发生危害事故。随着水锤研究理论的不断发展，将会陆续出现更新的 水锤防护设备，从而更好地维护管道及泵站的安全运行。 ( 2 ) 计算机动态模拟计算 水锤是一种瞬变流动，它的发生和发展都以几块的速度进行，许多年来，研究人员 试图研究和解决水锤的分析和预估，但是过去没有计算机，测试仪器落后，所以水锤的 研究进展缓慢，从二十世纪七十年代开始，随着计算机和动态量测仪器的迅猛发展，水 锤分析研究进入了一个崭新的时代。 计算机的快速发展为水锤的动态模拟提供了较好的发展平台。其运算的快速性克服 以前主要采用的数解或者图解耗费大量人力、对各专业知识要求太高的缺点，具有较高 的实用性。目前国外已经有相关的计算机水锤模拟软件问世，但大部分都没有对断流弥 合水锤进行计算，计算结果与实际工程有一定差距，严重的还会使水锤防护设备引起更 大的水锤升压。国内还没出现相关软件，因此研究水锤模拟软件已经成为国内各水锤的 主要方向之一。 计算机模拟软件主要有三个方面的作用： 5 第一章绪论 a 通过一些软件，进行动画模拟或者绘制e x c e l 图表，能够直观的看到水力暂态过 程中水的压力波动状况。 b 通过对各种防护措施的边界条件的准确研究，使水锤动态模拟更能代表工程的实 际情况，以此提高了水锤计算的准确度。 c 计算机软件的开发，可以为水锤防护计算人员提供通用性很强的计算软件，通过 一些简洁的操作，可以方便的输入各项数据，如波速、管长以及泵站的各个参数等等。 这样，水锤计算便能得以推广，只需简单的操作即可运行出可供参考的水锤防护方案， 针对本文的研究课题，目前城市爆管屡屡发生，往往是因为城市管网管道中排气不 畅，而引起的爆管，据专家分析，所以选择优良的排气阀可以减少爆管的频率。关于管 网突然停泵的水力过渡计算程序研究尚属国内先遣研究。 1 5 本文研究的主要内容 本文针对小型环状供水管网管路的水力特点，对管网突然停泵时的水力过渡作计 算程序研究，主要完成以下任务： ( 1 ) 在学习、总结前人研究成果的基础上，根据气体在输水管道中的运行规律，对 气、液两相流的流态产生以及转化过程进行总结，并根据气、液两相流的特点，简要阐 述输水管道中气囊的运动规律及升压机理。 ( 2 ) 系统阐述了特征线法计算水锤的方法和原理，提出在以特征线法计算水锤升压 时，必须充分考虑到设备的性能，应该根据设备的具体性能来设计合适的边界条件 ( 3 ) 结合小型供水管网实例，运用水锤计算常用的特征线法，结合各类边界条件进 行水锤计算的计算机模拟，用v c + + 程序语言编写水锤计算程序，并进行大量的水锤计 算、分析，通过对水泵出口处的缓冲排气阀的不同调控方式，来进行管网突然停泵水力 过渡研究。 6 长安大学硕士学位论文 第二章有压输水管道中气液两相流的研究 2 1 有压输水管道中气、水两相流的六种流态 在小型供水管网的有压输配水管道中，通常是单水源管网，由水泵供水于城市管网。 属于有压输水管道。而一般城市管网敷设都尚属平坦管道，气体则以众多相互独立的大 气囊形式分散存在。小型供水管网中设计流速一般比较小，管道中的气体多数以气囊形 式存在于管子的上部。据研究，较平坦的供水管路一般呈现六种气液两相流状态【3 2 】。 见下图2 1 e 三三三三三三三三三三三3 充水前期 层状流 波状流 段塞流 气团流 泡沫流 环状流 图2 1 六种气液两相流状态示意图 值得注意的是，上述六种状态中，泡沫流和环状流都是瞬间出现的，泡沫流是液相 在强烈的扰动下与液相在强烈的扰动下与气相混合或气相从液相迅速析出，瞬间便转化 为其他流态；环状流的形成条件复杂，气相流速很大，液相被气相吹铺成为沿管壁周边 的环状液膜，气相在环膜中间高速运动，容易在重力作用下迅速破坏，转成波状流或段 7 第二章有压输水管道中气液两相流的研究 赛流。 2 2 六种流态的产生阶段及互相转化 仨三三三三三三三三三三3 层状流 环状流 一 波状流 刁 三二三三三婴专钲三二三二二卫夕 泡沫流 气团流 图2 2 六种气液两相流状态转换总示意图 演变分解如下图： ( 1 ) 层状流一波状流一段塞流 ( 2 ) 环状流一波状流 段塞流 图2 3 层状流一波状流一段塞流示意图 图2 4 环状流一波状流状态示意图 8 长安大学硕士学位论文 ( 3 ) 泡沫流一气团流 盛翌婴 ( 4 ) 气团流一段塞流 匪三三量 图2 5 泡沫流一气团流状态示意图 图2 6 气团流一段塞流状态示意图 由以上六种流态的转化f 5 0 】分析可得出，在输水管路中，段塞流是气液两相流转换的 终态。也就是说气体以不连续的多个或独立气囊存在于管项。而管道气囊长度和占过水 断面面积取决于气体含量、管径大小以及管道纵断面条件等等因素。由于管网中水流速 度和方向性具有很大的随机性，气囊运动引起的压力升高将在很大程度上取决于水流速 度变化率的大小。值得一提的是，对于供水管网，长期在管网中运动的气囊，如果它一 直排不出去，其体积的大小便随着所处管段处的压力大小而变化，加剧了含气水流的压 力波动，造成爆管事故发生频繁。所以说管道含气危害给供水管网造成了不可预计的危 害。因此在水锤计算过程中，选择管网管路上的某些水锤防护设备时必须考虑到输水管 路中水的流态形式。 2 3 有压管道气囊运动规律 有压管道内气囊运动产生的压力升高往往类似于断流弥合水锤，其升压值与气囊所 占管道过水断面的大小及气囊运动与水流的速差有关。理论计算表明，气囊两端的压差 如果达到o o l m 水柱，气囊运动的速度即可达到每秒十几米，水流随之波动的速度与管 路的复杂程度和气囊占过水断面的比例有关，故气囊运动引起的升压也大小不同，可能 9 第二章有压输水管道中气液两相流的研究 d , n 仅几米水柱，达到数百米水柱，国内外实测到较大的断流水锤升压为2 0 0 - 4 0 0 m 水 柱。特别值得注意的是，气囊引起的断流弥合水锤升压极快，往往在不到一秒( 停泵水 锤升压过程一般为十几秒) 就迅速升压到最大值，因而较一般的停泵水锤更难防护。 因此，在进行水锤计算分析时，考虑气液两相流和气囊运动规律对水锤发生、传播 的影响，能够使计算结果更接近于管道内水力过渡过程发生时的真实情况。 i 0 长安大学硕士学位论文 第三章供水管网停泵水锤防护计算方法 3 1 水锤波的波速 本文第一章介绍过，当泵突然停车，或者管路中的阀门因为某种原因突然关闭时， 阀门近前方流体的压力会骤然上升，这种压力突跃会以波的形式向上游传播，这就是水 锤波，传播速度称为水锤波速，表示符号为口。 压力波的传播速度是水力暂态过程中的一个重要参数。在无液柱分离发生的水力瞬 变过程中水锤波速一般取为常数，但在断流水锤暂态过程中，由于水中气核的存在，当 压力降低到一定的真空度时，气核即膨胀生成微小气泡，液体中溶解的气体也向气泡中 扩散、释放，使液体的压缩性发生显著地变化，从而降低了压力波的传播速度。如果在 压力瞬变分析中不考虑波速变化，这在某些情况下会使实验结果与理论分析产生较大误 差。因而，人们在对液柱分离研究过程中，结合气液两相流的研究成果，总结得出以下 方程来计算水锤波速。 水锤波速从水锤动量方程并根据水的连续性及质量守恒定律导出： r 或者： 矿2 邗锄 式中：口水锤波速；m s p 流体的密度；n - s 2 m 4 k 流体的体积弹性模量；n m 2 d 管径；m e 管壁材料的弹性模量；n m 2 p 管壁厚度；m 从管道截面面积变化量； 凹压强的变化量。 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 第三章供水管网停泵水锤防护计算方法 上式适用于管内流动的一般净化水( 不考虑水中含气的问题) 。 对于供水管网中，把管网中每段管段的水锤波速按上式计算出来后，其管网的水锤 波速可以取值为综合波速，其计算公式如下： 扣骞 3 ) 式中： a j 管网中计算管段的水锤波速；m s 厶计算管段的管长；m 3 2 水锤计算方法 目前水锤分析计算方法有很多，但全部都是从运动方程、连续方程出发，加上状态 方程和其它的物理特性关系。从这些基本理论出发，再做一些限制性的假设，衍生出六 种不同的计算方法。主要有：算术法、分析法、图解法、隐式法、有限单元法、特征线 法。现在主要应用特征线法进行水锤计算。 特征线法是把运动方程和连续性方程进行线性组合，联立方程组解得四个全微分方 程两组特征方程。 应用特征线法的优点可以概括为四点：a 建立起微分方程求解的稳定性准则；b 容易把边界条件编为程序进行计算；c 对于复杂系统，也可以简而化之；d 在所有有限 差分法中具有最好的精度； 本文水锤分析主要依据特征法编程进行计算，下一小节还将对