水利工程论文-有气阀的长距离输水管道流动特性分析与应用.doc

水利工程论文-有气阀的长距离输水管道流动特性分析与应用摘要：长距离输水管道为了补(排)气需要安装气阀，气阀工作时在阀附近的管道内会形成空穴，并且以气阀为中心，上下游管系、空穴和气阀组成一个局部的小系统，形成管系水流特性、空穴参数和过阀气流特性的连续同步变化，并使管内出现振荡流动。本文通过计算实例对过阀气流参数按等熵流动过程计算，空穴参数按等温过程计算，上、下游管系内的水流特性则按非定常流动计算，其计算结果基本符合实际情况。由此得到的过阀气流的质量流量，可用于选择气阀的过流面积，而管系内水流的振荡流动特性，可供管道系统设计、气阀布设安装时参考。关键词：气阀输水管道特性计算长距离输水管道在开始输水、停止输水和流量调节的不同工况下，需将管内空气排出或将管外空气补进管内，以便保证管道系统能安全正常输水。所以在管道系统的高点、转弯及辅助装置前后等部位，要安装一定数量的气阀，用以排出和补进空气。而气阀作为兼有容性和惯性装置特性1的辅助元件，它的工况受输水管道系统运用特性的制约，反过来它也要影响管道系统的流动特性，结果气阀附近管道内的水流呈现出瞬变流特性，使得阀的边界条件十分复杂。由此给阀的特性参数的计算、选型和布设安装及输水管道系统特性的深入研究等都带来一定困难。正因如此，对装有气阀的输水系统特性全面计算研究实例少见，而又由于这类输水管道内水流的瞬变特性，对气阀流量特性进行试验研究的也不多见。本文在引黄入晋工程南干线联接段模型试验研究成果的基础上，对气阀工作特性、空穴特性和上、下游管段内水流特性进行数值计算，从试验和计算两方面拓展了这类输水系统及气阀特性的研究工作。试验研究结果已表明，气阀工作时，其附近管系内会产生空穴，使得气阀流量特性、空穴特性及阀上、下游管内水流特性彼此互相联系互相制约，具有明显的非定常流特点。为此在研究计算时，把包括这三部分的管段作为整体，从非定常方程组出发，分别确定气阀，空穴和上、下游管系的边界条件，使计算真正符合这类长距离输水管道运用的实际情况，从而为阀的特性参数的确定，气阀选型及安装位置的确定等工程问题的解决提供实验和计算依据，也为安装有气阀的输水管道水流特性的深入研究提供一个范例。选型时气阀的流量特性是重要参数，为此在水工模型试验时实测了气阀在排（补）气时的流量特性，并与计算得到的流量特性比较，二者规律基本吻合，这一结果说明：(1)空气通过气阀可视为等熵流动，其质量流量可用流体力学2中等熵流动公式计算。(2)穴内空气参数变化满足恒温气体定律，可按此定律进行定量计算。(3)气阀工作时，其上游管内水流量是按正弦规律变化的，这也符合振荡流动的一般规律。安装有气阀的输水管段内的流动是具有瞬变特性的两相流动，可以通过边界条件将它们耦合成一体，不但使气阀的计算更加科学合理，也使这类输水管道水流特性研究进一步深化。1有气阀管系的整体特性安装有气阀的输水管系整体特性包括气阀特性、空穴内气体特性和上、下游管系内水流特性。试验测试和计算都已表明，安装有气阀的输水管系，在气阀不工作时管内是正常有压流动，气阀工作时管内存在空穴，一方面空气通过气阀流入或流出，另一方面还有水流入和流出空穴，结果形成过阀的气流量、空穴体积及空气质量和管系内水流量连续同步变化的非定常流动。所以可通过边界条件将它们耦合成一体，作到既体现它们间的内在联系，也反映出各自不同的特性。因为它们都具有非定常流动特性，在计算时使用一组非定常流方程组为控制方程，而以边界和初始条件体现它们间的差异，使计算结果能反映出各自的特性和相互联系的规律。1.1气阀特性本文主要研究通过气阀的瞬时质量流量的变化规律。根据流体力学2理论，安装在长距离输水管道系统中的气阀，其补气和排气过程可视为等熵流动，并可根据气流马赫数的大小，分别按亚声速和临界声速计算质量流量。另外，由于流入和流出时工作参数不同，计算公式也有区别。1.1.1过阀气流的压力特性对于空气这种特定气体，其滞止压力Po，临界压力Pcr都有固定值，但对于一定马赫数的气流，其压力区间也是确定的2，即有Pcr/Po=0.528.另外，对于已建成的输水系统，管外大气压力Pa也是已知的，且当流入气阀时有Po=Pa，则可得到下面关系式：(1)1.1.2气阀的流量特性通过气阀的空气流满足等熵流动的条件，并且对于空气绝热指数K=1.4，再引入P=P/Pa，就得到一组计算气阀质量流量qm的公式：(2)式中：a、Ta大气密度和绝对温度；R、T、P空气的气体常数和绝对温度及绝对压力；C、A阀的流量系数和开启面积，下标“in”和“out”分别代表流入和流出。显然，向管内补气时流量为正，且随管内压力降低补气流量增大，向管外排气时为负，且随管内压力升高排气流量亦增大。1.2空穴特性无论是补气还是排气，气阀附近的管系内都将出现空穴，由于穴内空气质量与管子面积和液体表面积相比相对较小，所以气阀附近管段实际是一个大热容，使气体温度接近液体温度，即穴内空气满足恒温定律：PV=mRT(3)式中：V空穴体积；m空穴内空气质量；式(3)表明，穴内空气参数关系受恒温定律的约束，但其变化还要受到气阀工作特性和管系水流特性的制约，这些将由边界条件来体现。1.3气阀上、下游管系内水流特性由于气阀的工作和空穴内空气参数变化，使气阀附近管内水流具有瞬变流特性。因为瞬变流实质是非定常流动，所以可以用非定常流方程组3来描述气阀附近管内的水流特性。它的差分形式方程组1为：(4)式中：，t=J+1时刻I断面处的压头和流量；HJi-1,QJi-1t=J时刻I-1断面处的压头和流量；HJi+1，QJi+1t=J时刻I+1断面处的压头和流量；D、A管道直径和截面积；a、g波速和重力加速度；x距离步长；沿程阻力系数。研究气阀附近管内水流特性时，I为气阀安装断面，则I-1为上游管断面，I+1为下游管断面。2有气阀输水管系特性计算实例利用上述的分析结果，以引黄入晋工程为实例，计算气阀工作时，通过气阀的流量、空穴内空气参数及气阀上、下游管内水流的压头和流量的变化规律，以及它们之间的关系和相互影响，为气阀特性研究、选型、布设和管系内水流特性研究等提供必要的定量成果。图1系统图2.1计算用系统图计算实例所选用的输水管系统经简化后如图1所示。2.2计算用方程组结合本实例的具体条件，计算时实际采用的方程组如下：(1)气阀流量公式空气以亚声速流过气阀时，由式(2)的第一和第三式可知，qm是P的函数，如果以P为横坐标，qm为纵坐标画曲线，可以得到一条抛物线，且流入为正，压力在0.528P1范围内，流出为负，压力在1P1/0.528范围内，由此可得亚声速流入流出气阀的流量式：(5)式中各系数根据压力范围由式(2)中第一式和第三式算得。空气若以临界声速流过气阀时，由式(2)第二式可见，对于已安装的给定气阀，qm实际是一常量；而把第四式中P用P代换，则得到以临界声速流入流出气阀的流量为：(6)(2)管系内水流的流量和压头为便于计算，将式(4)变成如下形式：(7)(3)空穴体积和空气质量(8)式中：Vo、V时间增量开始和未了空穴体积；Mo、M时间增量开始和未了空穴内空气质量；qmo、qm时间增量开始和未了过阀气流的质量流量；Qi、Qpxi时间增量开始时流出，流入空穴的水流量；Hpi空穴处压头；t时间步长。2.3边界条件(1)气阀上游管系流量和压头(9)式中：QJot=J时刻上游管系内初始水流量；Q流量增量；圆频率；t计算时间；HJi，QJit=J时刻空穴处压头和水流量。(2)气阀下游管系流量和压头(10)式中：HRI+1断面以下的K管段内某截面(或某装置)处的压头；t=J+1时刻在I+1断面以下的K管段内各断面上的流量；,t=J+1时刻I+1断面处压头和流量。(3)空穴处边界条件。气阀工作时，过阀气流，穴内空气和上、下游管系内水流的参数连续同步变化，由此得到边界条件为：PVo+0.5tQi-Qpxi-CP+CM/B+2/B(P/+Z-Ha)=Mo+0.5t(qmo+qm)RT(11)式中：水的重度；Z气阀高出基准线的高度；Ha大气压头。2.4初始条件(1)气阀上游水流量：QJo=10.25m3/s.(2)下游调压井处压头：本文计算系统的I+1断面以下有调压井，所以HR取调压井处水位。HR=8.2m.(3)气体常数和绝对温度：R=287Nm/kgK，T=293K。(4)Z和Ha：Ha=9.45m，z=9.5m.3计算结果及分析3.1管系内水流特性3.1.1流量特性见图2，图中=t/tc,Q=Q/QJo，tc为流量变化周期时间，Q1为气阀上游输水量，Qpx为流入空穴的水流量，Q2为空穴处水流量，Q3为气阀下游水流量。由图可见，Q1按式(9)给定规律变化，Qpx与Q1间只差x距离，所以虽与Q1变化有些差别，但规律是一致的，而Q2和Q3因要满足式(10)和(11)的条件，比初始输水量略有下降，说明气阀选择得当，基本不会影响正常输水。另外，从图中曲线还可看到，在一定时段内，流入空穴的流量比流出空穴的流量小，由此造成管内低压而使气阀工作，向管内补气，这点也可由图4中的空气质量和空穴体积在同一时段增加而得到印证。3.1.2压头特性见图3，图中H=H/HR，H1为气阀上游管系内压头，H2为空穴处压头，H3为下游管系内压头。由图1和式(10)可知，H3实际是受调压井控制的，由于调压井的调蓄阻尼作用，其基本保持不变。H2反映了空穴内压头变化，满足式(11)的条件，与阀的工作同步，气阀向管内补气的中间时段压头较低，并且与流量和空穴参数变化相互对应。H1呈脉动变化，反映了气阀工作时，管系内水流按式(9)的瞬变流动规律变化，总趋势是阀补气时段H1值低，排气时其值高。H1的变化规律说明，气阀的存在改变了输水管系的流动特性，管内出现了具有瞬变特性的振荡流动，在设计