（化学工程专业论文）苯乙烯装置蒸汽凝结水管网水锤原因分析与改进研究.pdf

托：一h 苯乙烯装置蒸汽凝结水管网水锤原因分析与 摘要 针对某石化企业苯乙烯装置蒸汽凝结水管网多处发生水锤现象，通过建立水 力学模型对凝液管网进行模拟，查找管网水锤发生原因并提出改进方案。 首先，基于压头守恒方法建立了管网稳态分析模型，再采用集中蒸汽空化模 型( d v c m ) 建立了蒸汽凝结水管网瞬态分析模型，二者组成了蒸汽凝结水管网 的水力学分析模型。 其次，利用所建模型对整个管网进行模拟分析。在对实际管网中发生水锤现 象具体位置的压力变化进行了详细分析后，找出了水锤现象发生的原因：( 1 ) 管 线内压力过低，凝结水汽化形成汽化空穴，空穴增大并最终导致液柱分离，液柱 分离重新聚合的瞬间产生了水锤；( 2 ) 在管网本身存在严重汽化现象的情况下， 不同压力和温度的蒸汽凝结水在同一管网混合，使得空化更加严重。 结合工厂实际情况，提出了对管网进行改进的方案。总体思路是：降低空化 程度，不同压力凝结水分别进入回收罐，优化管网设计，放慢开关阀门速度，从 而降低了水锤对管网的危害。详细提出了六种改进方案i 方案一、降温方案；方 案二、v 4 0 2 和v 4 0 7 通过新增管线直通v 7 0 3 ；方案三、v 4 0 2 和v 4 0 7 混合后加 压利用原管道直通v 7 0 3 ；方案四、v 4 0 2 通过新增管线直通v 7 0 3 ；方案五、v 7 0 3 北部管线通过新增管线直通v 7 0 3 ；方案六、v 4 0 2 和v 4 0 7 分别通过新增管线直 通v 7 0 3 。 经过详细比较，本着节省投资、经济合理、简便易行的原则，确定选用方案 二。该蒸汽凝结水管网实施改造至今运行正常，未再发生水锤现象。 关键词：水锤空化液柱分离集中蒸汽空穴模型 苯乙烯装置蒸汽凝结水管网水锤原因分析与改进研究 青岛科技大学研究生学位论文 s t 【刀d yo nt h e 0 气t e rh a 心僵e re s t i n gi nc o n d e n s a t e 弘e rp i p e1 、t e t w o r ko fs t y r e 卜p l a 】、兀 a h y d r a u l i cm o d e li sb u i l tt of i n do u tt h er e a s o n so fw a t e rh a m m e tp h e n o m e n a e x i s t i n gi nt h ec o n d e n s a t ep i p en e t w o r ko fs t y r e n ep l a n ta n ds o m ei m p r o v e ds c h e m e s a r ep r o p o s e d f i r s t l y , ah y d r a u l i cm o d e lw h i c hi sc o m p o s e do fs t e a d y - s t a t ea n a l y s i sm o d e la n d w a t e rh a m m e rc o m p u t a t i o nm o d e li sb u i l t t h es t e a d y - s t a t ea n a l y s i sm o d e li sb a s e do n p r e s s u r eb a l a n c ea n dt h ew a t e rh a n l m e rc o m p u t a t i o nm o d e li sb a s e do nd v c m t h e h y d r a u l i cm o d e l i su s e df o rt h es i m u l a t i o no fc o n d e n s a t ep i p en e t w o r k s e c o n d l y , d e t a i l e da n a l y s i so nt h er e a s o n so fw a t e rh a m m e ri na e r i a lp i p e 。 n e t w o r ki sm a d e i d e n t i f yt h em a i nr e a s o n so fw a t e rh a m m e r e x i s t i n gi n t h ec o n d e n s a t e p i p en e t w o r ka r ei d e n t i f i e d ( 1 ) t h ep r e s s u r eo fi n t e r n a lp i p e l i n ei st o ol o w , a n dw a t e r e v a p o r a t i o nh o l e sa r ef o r m i n g ，a n de v e n t u a l l yl e a dt ot h el i q u i dc o l u m ns e p a r a t i o n w h i l et h el i q u i dc o l u m nr e a g g r e g a t i o n , w a t e rh a m m e rw i l la p p e a r ( 2 ) c o n d e n s a t eo f d i f f e r e n tp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ea r em i x t u r e d i tw i l ld e t e r i o r a t et h es i t u a t i o n a c c o r d i n g t ot h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ep i p en e t w o r k , s o m ei m p r o v e m e n t sa r e p r o p o s e d , i n c l u d i n g ：r e d u c i n gt h ed e g r e eo fv a p o r i z a t i o na n dl e a d i n gd i f f e r e n tp r e s s u r e c o n d e n s a t ep i p et ot h er e c o v e r yt a n kr e s p e c t i v e l y s i xd e t a i l e ds c h e m e sa r ep r o v i d e d s c h e m e1 ：c o o l i n gs c h e m e s c h e m e2 ：v 4 0 2a n dv 4 0 7l e a d i n gt ov 7 0 3t h r o u g ht h en e wp i p e l i n e s c h e m e3 ：v 4 0 2a n dv 4 0 7l e a d i n gt ov 7 0 3t h r o u g ht h eo r i g i n a lp i p e l i n eb yp u m p s c h e m e4 ：v 4 0 2l e a d i n gt ov 7 0 3d i r e c t l y s c h e m e5 ：n o r t hp i p el e a d i n gt ov 7 0 3d i r e c t l y s c h e m e6 ：v 4 0 2a n dv 4 0 7l e a d i n gt ov 7 0 3t h r o u g hn e wp i p e l i n er e s p e c t i v e l y t h r o u g had e t a i l e dc o m p a r i s o n , c o m b i n e dw i t ht h ea e r i a lp l a n t , b a s e do nt h e p r i n c i p l eo fs a v i n gi n v e s t m e n t ，e c o n o m i ca n dr e a s o n a b l ea n ds i m p l e ，s c h e m ei i i s c h o s e d k e yw o r d s ：w a t e r h a m m e r ；c a v i t a t i o n ；l i q u i dc o l u m ns e p a r a t i o n ；d v c m 苯乙烯装置蒸汽凝结水管网水锤原因分析与改进研究 青岛科技大学研究生学位论文 目录 符号说明1 前言。3甘百3 l 文献综述5 1 1 水锤的形成与危害。5 1 2 经典水锤理论。8 1 3 水锤空化及建模研究。9 1 3 1 空穴形成。9 1 3 2 空穴溃灭与危害9 1 3 3 空化水锤模型1 0 1 3 3 1 集中蒸汽空化模型( d v c m ) 1 0 1 3 3 2 集中气体空穴模型( d g c m ) 1 0 1 3 3 3s h a l l o w - w a t e rf l o w 模型1 l 1 3 3 4 两相流动模型1 l 1 3 3 5 界面模型。1 2 1 3 3 6 摩擦模型1 3 1 3 3 7 其他建模方法1 3 1 4 水锤模型求解1 4 1 5 水锤实验研究1 6 1 6 水锤防护研究。l8 1 7 本文研究内容2 0 2 蒸汽凝结水管网水锤分析模型及求解2 3 2 1 稳态模型及求解2 3 2 2 水锤基本方程与求解2 5 2 2 1 运动方程2 5 2 2 2 连续性方程2 6 2 2 3 基本方程组2 8 2 2 4 求解方法。3 0 2 2 4 1 特征线方程31 2 2 4 2 特征线方程求解。3 3 2 3 边界条件3 5 2 3 1 蓄水罐3 5 v 苯乙烯装置蒸汽凝结水管网水锤原因分析与改进研究 2 3 2 指定流量模型3 6 2 3 3 分支模型。3 6 2 3 4 阀门3 7 2 3 5 水泵。3 7 2 4 水锤空化模型及求解3 8 2 5 本章小结3 9 3 苯乙烯装置蒸汽凝结水管网水锤原因分析研究4 1 3 1 管网概况4 l 3 2 管网模拟4 2 3 3 管网模拟结果与水锤原因分析4 3 3 3 1 模拟结果4 3 3 3 2 管径核算。4 5 3 3 3 水锤原因分析4 7 3 3 3 1v 4 0 2 和v 4 0 7 处水锤分析。4 7 3 3 3 2 蒸汽凝结水主回收管道后半段水锤产生原因5 0 3 3 3 3 不同压力凝结水管道连接处水锤产生的原因5 0 3 3 3 4 瞬变流分析5 l 3 4 本章小结。5 3 4 苯乙烯装置蒸汽凝结水管网改造研究5 5 4 1 方案l ( 降温) 5 5 4 1 1 方案简述5 5 4 1 2 方案模拟5 6 4 1 3 模拟结果及分析5 6 4 1 - 4 小结5 8 4 2 方案2 ( v 4 0 2 与v 4 0 7 通过新增管线直通v 7 0 3 ) 5 8 4 2 1 方案简述。5 8 4 2 2 方案模拟5 9 4 2 3 模拟结果与分析6 0 4 2 4 爿、结。6 l 7 混合后加压利用原管道直通v 7 0 3 ) 一6 2 6 ：! 6 ：! 6 ：； 青岛科技大学研究生学位论文 4 3 4d 、结一6 5 4 4 方案4 ( v 4 0 2 直通v 7 0 3 ) 。6 5 4 4 1 方案简述6 5 4 4 2 方案模拟6 6 4 4 3 模拟结果及分析。6 6 4 4 4d 、结。6 9 4 5 方案5 ( v 7 0 3 北部管线直通v 7 0 3 ) 6 9 4 5 1 方案简述6 9 4 5 2 方案模拟7 0 4 5 3 模拟结果及分析7 1 4 5 4 小结。7 2 4 6 方案6 ( v 4 0 2 与v 4 0 7 分别直通v 7 0 3 ) 。7 2 4 6 1 方案简述7 2 4 6 2 方案模拟7 3 4 6 3 模拟结果与分析7 4 4 6 4d 、2 右7 6 4 7 方案比较7 6 4 8 方案实施效果7 7 4 9 本章小结7 7 结论7 9 参考文献8 0 致谢8 2 攻读硕士学位期间的主要研究成果8 5 独创性声明8 6 l 青岛科技大学研究生学位论文 符号说明 苯乙烯装置蒸汽凝结水管网水锤原因分析与改进研究 2 青岛科技大学研究生学位论文 上- 一 刖罱 输液管网中各种瞬变流都可能产生快速、巨大的水锤，并以声速在系统中传 播【l 】。水锤会对管线产生破坏性的影响，尤其是蒸汽凝结水收集管线温度较高， 空泡的形成和溃灭通常是不可避免的，由此带来的问题也比一般的输液系统严 重。j g e r 【2 j 回顾了压力管道的众多严重的水锤事故。在一起案例中，由于阀门突 然开启产生了强烈的低压波，引发液柱分离，当液柱重新弥合后，急剧升高的压 力导致压力水管的混凝土截面破裂，从而给工厂造成了巨大的损失。另外，就核 电厂而言，水锤事故更为普遍，如1 9 8 5 年1 1 月美国s a no n o f r e 发生的水锤事故 就造成了严重后果：中国国家核安全局把“水锤安全分析”列入了“七五、“八五” 计划并作长期研究。因此，对管线中瞬变流产生的巨大水锤进行分析计算并寻找 解决的方案是非常重要的【3 1 。 1 9 6 0 年之前，由于计算技术不成熟，对管网系统中液柱分离和空化进行全面 研究是不可能的1 4 。此后，随着高速大内存电子计算机和现代动态测量技术的发 展，开辟了水锤分析的新纪元，数字计算方法得到了充分的发展。管网水锤分析 的重点完全集中到了计算机的应用上。在第一个液柱分离计算模型出现后，又出 现了很多不同的数学模型。其中最重要的几个模型包括w 弭i e 和s 仃e e t e r 垆j 的集中蒸 汽空穴模型( d v c m ) ，w y l i e t 6 】的集中气体空穴模型( d g c m ) 和b e 蟛m t 和s i i i l p s o n l 7 j 的通用界面处蒸汽空穴模型( g c m ) 等。b e r g a n t 【8 9 】等在比较了几个离散数学模型 后认为d v c m 模型适用于各种水力瞬变现象的计算。两相水力瞬变流模型的求解 方法通常分为解析法、图解法、简易计算法和数值计算方法等4 类。现在较为常 用的是w y l i e 和s n e e t e r l 5 】提出的数值计算方法中的特征线法( m o c ) ，将水锤偏微 分方程沿其特征线变换为常微分方程进行数值计算，在处理含气两相瞬变流现象 时，把空穴的发展、增大和溃灭作为一个内部边界条件。 针对某石化企业苯乙烯装置蒸汽凝结水管网多处发生水锤现象，建立了基于 压头守恒方法和d v c m 的蒸汽凝结水回收管网水锤分析模型，并利用所建模型对 其进行了模拟分析，找出了凝液管网发生水锤的主要原因。在此基础上，结合工 厂实际情况，提出六种改造方案。本着节省投资、经济合理、简便易行的原则， 对方案进行了比选优化。 3 苯乙烯装置蒸汽凝结水管网水锤原因分析与改进研究 4 青岛科技大学研究生学位论文 1 文献综述 1 1 水锤的形成与危害 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。蒸汽冷凝液回收系统运行过程中，当遇到事故、突然断电、阀门突 然关闭等异常现象或调节阀动作过快，都有可能引起水锤现象。另外，管网中各 种瞬变流都可能产生快速、巨大的水锤，并以声速在系统中传播。较之其他介质 的管网，蒸汽凝结水管网由于空化现象的普遍存在，情况更加复杂，发生水锤的 几率大为增加。 下面以稳态流动过程中阀门突然关闭为例来说明管道中水锤发生的过程。上 游储水罐和下流阀门通过管道相连，流体处于稳态流动中，在f = 0 的时候，阀门 瞬间关闭，系统中将发生一系列瞬变反应，主要分为四个阶段： ( 1 ) 第一阶段：0 f l a 阀门快速关闭后形成的波以速度a 从阀门到储水罐传播移动，波经过的管道 中流体能够识别阀门关闭的信号，停止流动，动能转化为势能，压力增大；而波 未经过的管道部分流体继续以稳态速度v 向右移动。 p 只劬 一口 图1 - 1 水锤第一阶段示意图 f i g 1 - 1 t h ef i r s tp h a s eo f w a t e rh a m m c r ( 2 ) 第二阶段：l a r 2 l a 第一阶段结束后管道内流体压力超过了管道流体稳态压力。在第二阶段，波 5 苯乙烯装置蒸汽凝结水管网水锤原因分析与改进研究 以速度a 从储水罐向阀门移动。波经过后的流体( 在左边) 得到储水罐可以用来 减轻压力的信号，流体流向储水罐；而波没经过的流体不能识别储水罐可利用来 减轻压力，因此继续保持高压力，并且速度仍为零。 p 匕岫 - - 卜口 图1 - 2 水锤第二阶段示意图 f i g 1 2 t h es e c o n dp h a s eo f w a t e rh a m m e r ( 3 ) 第三阶段：2 肠 r 3 l a 第二阶段结束后管道内压力恢复正常，但流体由于惯性依然向储水罐流动。 在第三阶段，波由阀门向储水罐移动，波经过后的流体接到压力达到稳态的信号， 停止流动，而波没有经过的地方流体继续向储水罐流动。 p 己嘞 一口 图1 - 3 水锤第三阶段示意图 f i g 1 - 3 t h et h i r dp h a s eo f w a t e rh a m m e r ( 4 ) 第四阶段：3 l a f 4 l a 第三阶段压力降到低于稳态值，在第四阶段波由储水罐向阀门传播，波经过 6 青岛科技大学研究生学位论文 的管道知道储水罐可以用来增加压力，液体由储水罐流向阀门；而波未到达的管 段，流速仍为零，压力低于稳定值。 p 巴嘞， y 比劬 _ l ，口 图1 4 水锤第四阶段示意图 f i g 1 - 4 t h ef o u r t hp h a s eo f w a t e rh a m m e r 液体管道输送系统中，除了阀门的快速关闭外，能够引起流速变化而导致水 锤的因素有很多，如： ( 1 ) 阀门的正常启动和调节，阀门事故的开、关和阀瓣的损坏脱落； ( 2 ) 泵的正常或事故启动和停止； ( 3 ) 汽轮机蒸汽透平和水轮机功率负荷调节； ( 4 ) 容器压力的变化及波动； ( 5 ) 泵、透平转轮和叶片的不稳定性振动： ( 6 ) 管道的事故堵塞或泄漏； ( 7 ) 负压波时产生的空泡溃灭。 水锤会产生巨大的危害，尤其是最近几年，随着我国经济的快速发展，人们 的供水需求日益增长，越来越多的城市为了解决日趋尖锐的水资源供需矛盾，不 得不兴建大型输水工程从几十公里甚至更远的地方引水。比如，宏伟的南水北调 工程( 东线) 已经开工，这是一项跨流域、长距离的输水工程。这类长距离输水 工程中常含有泵、阀门和水锤防护装置等，输水管道系统中事故停泵、阀门的快 速关闭等会在管道系统中发生水流冲击截留气团现象，由此产生的压力可能导致 管道爆破或凹瘪；或者水泵停电，阀门快速关闭，在管道的局部位置，如阀门附 近、凸处等压力降低，产生气体释放现象，形成气团，进一步发展形成蒸汽腔， 当压力降低到液体的饱和汽化压力且持续的时间足够长时，则产生水柱分离现 象，当水流倒流，分离的水柱重新弥合，由于空穴崩溃时间极其短暂，导致两股 液体撞击产生非常高的水锤压力，这种含气水锤现象比常规的水锤现象严重得 7 苯乙烯装置蒸汽凝结水管网水锤原因分析与改进研究 多，其结果会大大危及有压管道系统、电站、泵站的安全。因此在设计输水管道 系统时，都应该事先作水锤分析、预测和模拟事故工况下水锤的发生和传播规律， 而且在预测分析中，除了考虑常规水锤以外，还必须考虑在管道的某些部位可能 发生的含气水锤情况。国内外发生过多起水锤引起的严重安全事故。例如，1 9 5 0 年，日本大井川水电站在维护期间由于控制系统泄露而快速关闭阀门，从而产生 了极大的水锤压力波，将水管撕裂，液体喷泻而出使管内产生低压导致液柱分离， 分离的液柱重新聚合造成更严重的水锤波，将管道撕碎，造成三名工人死亡。1 9 8 1 年，某工厂一段蒸汽管道，在同一部位曾发生三次水锤破坏事故，经分析计算， 其水锤压力升值竟是正常运行压力的近3 0 倍。如此大的压力，是由于分离的液柱 重新弥合导致的水锤所引起的。1 9 8 5 年1 1 月2 1 日，美国s a no r i o l e 核电厂由于输 电线路短路，导致蒸汽发生器主给水泵停泵且止回阀关闭失灵，致使蒸汽倒流至 主给水有压输水管道内，在人工操作重新开启泵给水时，产生了蒸汽空泡，并立 即发生了巨大的水锤压力，致使主给水管的鱼嘴形破口长达2 m ，十几根钢架支撑 全部拉断，有压输水管道被强行扭曲，经济损失惨重。1 9 7 3 年，我国株州市第二 水厂取水泵房发生了一起启动水泵水锤破坏事故，由于产生的空泡截留在泵后阀 门管道中，巨大的压力上升造成阀后管道破坏，水淹泵房，造成极大经济损失。 根据我国各地区2 0 0 次以上有记录的水锤事故调查表明，泵站有压输水管道系统 中水锤事故的结果轻则水管破裂，止回阀的上顶盖或壳体被打坏而大量漏水，造 成暂时输水中断；重则酿成泵站被淹毁，设备损坏，人员伤亡等。因此，对管线 中瞬变流产生的巨大水锤进行分析计算并寻找解决的方案是非常重要的。 1 2 经典水锤理论 水锤概念的提出可以追溯到1 9 世纪，j o u k o w s k y 于1 8 9 8 年进行实验时推导 出了著名的经典水锤公式，也就是j o u k o w s k y 方程。由于下端阀门快速 ( 瓦 2 l a ，其中三为管长，互为关阀时间) 关闭而产生的压头上升肼由下式 给出： a h ：i 。t v 0 ( 1 1 ) g 上式中，a 是水锤波速，是初始流动速度，g 为重力加速度。水锤波速由 k o r t e w e 9 1 1 川给出： 厂而厂 弘、百函葫 8 ( 1 - 2 ) 青岛科技大学研究生学位论文 k 是体积模数，p 是质量密度，e 是管壁的剪切模量，d 为管内径，e 是壁厚， 2 l a 是压力波从阀门到反射点( 如储水池) 再返回的时间。 经典方程适用于压力高于蒸汽压力时，它由运动方程和连续性方程组成， 运动方程： i o v + ，i 0 1 , + g 掣+ 型：0 ( 1 - 3 ) 西叙。苏2 d 连续性方程： 塑+ y 塑一1 ，s i n 口+ 一a 2 一? v ：0 ( 1 - 4 ) 魂 a x g 瓠 其中，日为压头，是时间，y 是流速，x 是管线横向位置，口是管线坡度， a 是波速，g 重力加速度，厂为d a r c y - w e i s b a c h 摩擦系数，d 是管内径。对于大多 数工程应用，对流部分v ( a h o x ) ，v ( a v & ) 和v s i n o 与其他部分相比非常小， 因此可以忽略。s t r e e t e r 和w y l i e t l l 】经典教科书给我们带来了特征曲线法( 坳c ) ， 用这种方法可以在计算机上解方程( 1 3 ) 、( 1 - 4 ) 。特征曲线法使用相容性关系式， 它们沿着正和负特征线成立。 1 3 水锤空化及建模研究 有压管道系统中伴有空穴流、液柱分离两相瞬变流现象的研究可以追溯到2 0 世纪3 0 年代，当时，人们对于有压管道系统发生液柱分离已有了初步的认识。 1 3 1 空穴形成 假如局部压力降到汽化压力时，那么周围液体在该压力下将会沸腾，管内形 成蒸汽空穴。如果流体内含有溶解的空气，那么压力下降到一定程度以后，溶解 在液体中的空气就会释放出来，这种现象称作气体逸出。假如压力下降的很快， 蒸汽空穴在前后压差的影响下横向增大形成空穴段，就会产生液柱分离。有资料 认为这一现象是由于两个垂直液面的分开而引起的，当这两个分开的液面重新合 拢时，会引起压力很大的瞬变过程，即空化水锤。 在热水系统中，空泡的形成几率很高，由于供热系统中水温较高，水的汽化 压力也就较高。当负压波引起压力降低，低于水温对应的汽化压力时，管道内就 会更容易产生空泡，液柱分离重新弥合产生的危害也就比普通输液系统更大。 1 3 2 空穴溃灭与危害 在空泡形成以后，其体积一般还会继续扩大，此后上游的水柱会加速，而下 游的水柱会减速，直到空泡前后两个液柱的速度相等。当管道内压力再度升高时， 9 l 苯乙烯装置蒸汽凝结水管网水锤原因分析与改进研究 空泡发生溃灭，溃灭也会产生较强的压力跃升。如果空泡溃灭时其上下游液柱的 瞬速度差是v ，那么压头的跃升值可按下式计算： a h ：a a v ( 1 5 ) 2 9 。 式中，a 为水锤波传播速度；g 为重力加速度。 这个压头增量可以大到足以破坏管道。从以上的介绍可见，空泡溃灭的危害 性是相当严重的，因此对空泡溃灭水锤进行深入研究具有重大意义。 在分析管路系统的空泡溃灭现象时，有很多数据通常是很难准确求得的，例 如：( 1 ) 分布在整个液体中自由气泡的总量；( 2 ) 截留气团的位置和尺寸；( 3 ) 作 为压力和时间函数的空气释出率等等。这些都给水锤问题的研究带来很大的困 难。 1 3 3 空化水锤模型 1 9 6 0 年以后随着第一个液柱分离计算模型的出现，又出现了很多不同的空化 水锤模型。下面开始介绍主要的几种数学模型。 1 3 3 1 集中蒸汽空化模型( d v c m ) 集中蒸汽空化模型( d v c m ) 是当前关于液柱分离和空穴分布应用最为广泛 的模型。它易于编程，而且可以再现液柱分离的很多物理特征。w y l i e 和s t r e e t e r 详细描述了d v c m ，并且提供了f o r t r a n 计算机程序进行d v c m 建模及求解。 b e r g a n t 8 9 】等比较了几个常见离散数学模型后，认为w y l i e 的集中蒸汽空化模型适 用于各种水力瞬变现象的计算分析。它易于与m o c 法结合，实现起来很容易。 1 3 3 2 集中气体空穴模型( d g c m ) 集中气体空穴模型( d g c m ) 类似于d v c m ，在计算节上假定一定量的自由 气体空穴。空穴压力满足理想气体定律，并假定自由气体是恒温的。它与d v c m 唯一的不同在于v p 。曲线，这也说明d v c m 是d g c m 的一种特殊情况。 b r o w n 1 2 】首次尝试对含气两相流体的液柱分离进行描述。假定气体空穴沿着 管线长度平均分布在流体中，空气的存在会降低总体的波速。用理想气体的尸一y 关系来描述浓缩空穴的状态，由于主要流体流动方向的原因，浓缩空穴的位置固 定不变。在一定的压头以上忽略含气的存在，使用经典水锤方程进行建模计算。 在b r o w n 【1 刁之后，d ev r i e s 1 3 1 ，p r o v o o s t 1 4 1 ，p r o v o o s t 和w y l i e t l 5 】以及w y l i e t l 叼对 此模型进行了进一步的改进。 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 1 3 3 3s h a l l o w - w a t e rf l o w 模型 s h a l l o w - w a t e rf l o w 模型首次对空穴流动做出更加真实的描述，它假定形成的 气泡在压力达到蒸汽压时，快速上升并凝聚成一个单个细长空穴。s h a l l o w - w a t e r f l o w 模型使用两个准线性偏微分方程描述了蒸汽液体界面的扩散。研究显示在 计算空穴溃灭产生的压力时可以忽略表面的扩散。液体使用严格的液柱理论，这 就需要假定空穴存在的时间要长于2 l a 。l i l l 7 , 1 8 】以及l i 和w a l s h 1 9 1 对上游关闭 阀处液柱分离后管内流动的机理进行了研究。b a l t z e r t 2 0 ，2 l 】使用s h a l l o w - w a t e rf l o w 模型模拟阀门上游形成蒸汽空穴的形状、运动和溃灭，详细描述了整个过程。 s i e m o n s 2 2 , 2 3 1 假定空穴层的厚度同管长相比非常小，他强调空穴溃灭时压力的 上升很大。k a t k w i j k 和k r a n e n b u r g t 2 4 1 指f 1 5 ，s i e m o n 的结果在空穴边界处质量不守 恒，因此质疑他关于形成高压结论的有效性。正常水锤区域到空穴区域的转变是 s h a l l o w - w a t e rf l o w 模型中存在的一个主要问题。正因如此，k r a n e n b u r g 2 5 j 断定 s h a l l o w - w a t e rf l o w 模型关于空穴流动和液柱分离的描述价值不是很高。这个模型 还存在的问题是重力波的出现以及这个模型从物理上来说对立式管道不正确。 m a r s d e n 和f o x 【2 q 将这个简单的模型应用于空穴，就像b a l t z e r 2 7 2 8 】所做的那 样，但是他们的模型中没有预测到高压，因此作者认为，如果按照普通水锤计算 程序计算空泡溃灭，这就会导致管线不经济的超安全标准设计。f o x 和m e t , a r t y 四1 提出了一个可变的集中空穴模型，假定空穴出现在管的上半部分，以步长缸传递。 包括了热力学影响，但是作者认为如果液体蒸汽压很小，则热力学的影响微乎其 微。 1 3 3 4 两相流动模型 k a l k w i j k 和k r a n e n b u r 9 1 3 0 3 1 】提出了两个“气泡流动”方法来描述水平管道中 的分布式气穴。第一个方法全部基于气泡的动态行为。当气泡半径超过临界值时， 这种方法是不成功的，因为在这种尺寸下，气泡不稳定而且m o c 特征线无法正 常绘出，但是通过增加液体质量的方法可以解决这个问题【3 2 3 4 】。第二个方法是将 系统划分为存在和不存在空化的区域。将不同的方程系统，分别应用于水锤区域 和汽化空穴区域【3 5 1 。因为这种区域的蒸汽压力是固定的，所以与流体质点有关的 空化区域的波速降低为零，并提出了水平汽化区域速度和空隙率的解析公式。当 空穴区域停止增长时，在从水锤区域到汽化区域的转变过程中形成冲击波，并穿 透到空穴区域。 k r a n e n b u r g 3 6 】提出了一个简单一维数学模型，“简单气泡流动”模型。模型中 同时考虑到了管道的坡度和气体释放的影响。k r a n e n b u r g 发现它与使用m o c 法 的模型有显著的不同：由于自由气体的影响，管道中形成的压力与波速密切相关。 苯乙烯装置蒸汽凝结水管网水锤原因分析与改进研究 因此他断定，连续的方法只适用于求解简单的水锤区域和汽化区域的压力。为了 简化建模方法，他假定整个管道甚至水锤区域都为气泡流形式，并使用一个改进 后的表面张力项来达到这个简化的目的。这个模型没有说明水锤区域和汽化区域 之间详细的过渡。另外，尽管有冲击波出现，k r a n e n b u r g 还是使用了l a x w e n d r o f f 两步数值法，使用一个给定的粘度抑制来抑制数值不稳定性，将激振前沿漫过很 多格点，认为网格点上会发生液柱分离，在网格点明确的分析液柱分离。w y l i e 和s t r e e t e r 5 】还提出了一个类似的含有汽化空穴的特定案例的分析模型。 ( 1 ) 分布式蒸汽空穴的两相流动方程 下列连续性方程和运动方程是描述汽化空穴区域的两相方程5 , 3 7 , 3 8 1 ： 孥+ 圪孥一尝：0 ( 1 - 6 ) 警+ 圪百o r v t 百o l v i = 。 ( 1 7 ) 其中，瓯是蒸汽空隙率，圪是混合物速度。假定蒸汽压力固定，那么只有 重力和摩擦力起作用。两相方程只在空隙率较小( 瓯 1 ) 且温度高达3 3 0k 时 有效，所以热力学影响不是很重要。方程( 1 7 ) 使用传统的d a r c y - w e i s b a e h 全液体 流动摩擦因数厂，对于蒸汽空穴较小的情况，摩擦损失在气泡的影响下可以忽略。 方程中圪的求解要与管的坡度以及空穴开始时液体一蒸汽混合物的速度都 是密切相关的，在假定在每一个空化区域圪均为匀速的情况下，对于圪的不同 的积分结果可见b e r g a n t 和s i m p s o n l 3 9 1 。 ( 2 ) 分布式蒸汽空穴的s h o c k 方程 由于低压波的传播，汽化空穴区域膨胀。最终，空化区域停止膨胀，然后开 始弥合。将单相( 液) 和两相( 液气体混合物) 流动分开形成界面的过程可以 用冲击波方程描述。假定宽度无穷小的界面等温，方程m 】如下： “寺( 以一心) + 吼】一( y 一圪) g ( 皿一 0 ) + ( y 一圪) ( y 一圪一g ) = 0 r 1 9 、 其中，g 冲击波速，皿是波前沿液体压头，虬是波前沿空化一侧的压头。 关系式( 1 8 ) ( 1 9 ) f l 了水锤方程( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 和两相流动方程( 1 6 ) ( 1 - 7 ) 推导而来。 1 3 3 5 界面模型 这种模型将集中空穴模型和两相流动模型结合了起来。具有不同特征的流动 区域( 即：水锤区域、离散式气穴区域、最终气穴区域和气穴中间体区域) 分别 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 建模，同时追踪区域界面轨迹。k r a n e n b u r 9 1 4 1 】建立了阀门处液柱分离模型，并使 用他的气泡流动模型描述汽化空穴区域。这个模型还被应用到b a l t z e r 的斜管实 验。s t r e e t e r 4 2 首先对高点处和分布式蒸汽气穴区域的液柱分离模型进行综合分 析，同时详细计算水锤和汽化气穴区域的过渡位置。但是他没有考虑气体释放， 因为要解决这个问题关系到自由气体存在而导致的波速变化。这个模型可以应用 于任何水平的管道，可以对许多离散的气穴区域的形成、溃灭和再生建立模型。 一旦使用水锤m o c 法计算出来的压力低于汽化压力，那么这个计算节点开始汽 化。使用时间序列差值来估计计算节点上汽化的首次发生。s 仃e e 钯r 还考虑了集中 蒸汽气穴的形成，认为集中气穴可能仅在这样的情况下产生：管道的某处形成高 点。如果蒸汽压出现在这样一个节点上，便会产生液柱分离，对于其他条件下， 假定为分布式气穴区域，两种低压波的交互作用，但是这个方法没有考虑到气穴 中间体形成的可能性。 b e r g a n t 和s i m p s o n 4 3 发展了标准d v c m 法，将其用到汽化空穴区域、水锤 区域和不同离散气穴区域，他们所提出来的这个模型，也就是普遍界面汽化空穴 模型( g c m ) 。这个模型考虑了管线坡度，并能适用于水锤区域、汽化空穴区 域、液柱分离过渡段以及边界。从根本上来说，g i v c m 模型保留了d v c m 模型 的基本结构，因此它比早先的界面模型要简单。冲击波在靠近计算节点处加入到 基本d v c m 循环中，加入了集中气穴和分布气穴的组合计算模块。 1 3 3 6 摩擦模型 分布式气穴的水平区域压力恒定，只有摩擦力会产生流动加速度，见方程 ( 1 6 ) 。因此，建立一个精确的摩擦模型是非常重要的。要建立模型，方程( 1 _ 4 ) ( 1 7 ) 中使用的摩擦因数f 可以看作准稳态z 和非稳态z 之和( v a r d y 和b r o w n 4 4 4 6 1 ) 。 使用这种方法，便可以将一些非稳态摩擦项加入到标准集中气穴模型d p ( a x w o r t h y 和c h a b o t 4 7 】) 。 b r u n o n e 和g r e c o 【4 8 】把d v c m 模型与g o l i a 4 9 的非稳态摩擦模型相结合，并 把计算结果同简单水锤和液柱分离测试结果进行对照发现，不管什么情况下，当 使用准稳态摩擦项时，实验和理论之间含有巨大的差异，但使用g o l i a 模型得到 的结果显示计算值和测量值更加一致，尤其是水锤区域的计算，吻合度更高，效 果也更加好。k o j i m a 等【5 0 】应用非稳态管道摩擦项提出了“气体非气泡流动”模型， 研究了非稳态层流摩擦系数的影响，并精确的预测了他们的实验结果。 1 3 3 7 其他建模方法 蒋劲等人提出了一种新的求解气液两相瞬变流的方法一矢通量分裂法，将控 制方程( 质量方程、动量方程) 中的矢通量按照矢量j a c 沁b i a n 矩阵分裂为两个亚 1 3 苯乙烯装置蒸汽凝结水管网水锤原因分析与改进研究 矢通量，然后建立有限差分方程，研究结果表明，该模型能够精确的两相瞬变流 中的水锤冲击波。杨开林等【5 l 】对输水管道气泡动力特性进行了研究，探讨了气泡 对管道水压变化的影响及其数学描述