（动力工程及工程热物理专业论文）高压水除鳞系统水击防护及喷嘴性能研究.pdf

中文摘要 摘要 除鳞是热轧带钢生产过程中不可缺少的一道重要工序，其作用是清除板坯表 面生成的炉生氧化铁皮( 一次氧化铁皮) 和轧制过程中产生的再生氧化铁皮( 二 次氧化铁皮) ，目前国内外多广泛采用的是高压水除鳞技术，不仅是因为它经济， 而且有效。国内设计的高压水除鳞系统，大多照国外同类型的热轧厂采用类比法 进行设计，因此很难再满足轧制工艺变化的要求，无法保证带钢表面质量；并且 由于系统管道内的水压较高以及除鳞阀开闭时序的不确定性，除鳞系统管道内常 会出现不同程度的水击和振动现象，这势必会造成对管道及其支架等附属设备的 破坏，甚至威胁整个生产系统的安全运行。因此，本文在水击计算理论的基础上， 对水击现象进行数值计算和必要的水击试验，进而研究和分析除鳞系统管道内流 体的瞬变工况，并制定出相应的水击防护措施；通过对除鳞设备中的核心元件一 一喷嘴进行研究，从而进一步提高除鳞系统的工艺技术和整体性能。 本文研究的内容包括以下几个方面： ( 1 ) 论述水击的基本微分方程以及水击的特征线计算方法，运用特征线法建 立高压水除鳞系统中常见的边界条件，包括：水泵( 正常运行工况) 、喷射阀( 管 道末端) 、蓄势器以及串并联管路等，从而建立高压水除鳞系统水击计算的通用数 学模型； ( 2 ) 结合水击计算理论，对简单管道中的水击进行数值计算以及试验研究， 并对突然快速关闭阀门、缓慢匀速关闭阀门、按开关时序开闭阀门、连续快节奏 开闭阀门等情况下的试验结果与计算结果进行对比和分析，并验证其数值计算的 正确性； ( 3 ) 对高压水除鳞过程中产生的水击进行数值计算，主要分析和研究蓄势器 对水击的防护特性，包括：蓄势器的安装位置、蓄势器的体积大小、蓄势器的个 数和管道固定支架的设置等对水击防护性能的影响，并针对高压水除鳞系统中的 水击制定出相应的防护措施； ( 4 ) 通过对高压水除鳞喷嘴内部流场的数值模拟，得到喷嘴结构参数( 如收 缩角、出口长径比和v 型切槽角) 对其内部流场的影响，建立喷嘴结构参数和动 力性能之间的关系，进一步提高除鳞喷嘴的性能，使其可在保证出i ：i 射流速度的 同时，适当地减小整个除鳞系统中水头的压力，从而在一定程度上减小水击所带 来的危害。 关键词：高压水除鳞，水击，特征线法，除鳞喷嘴，数值模拟 一 重鏖盔堂堡主堂垡笙銮 i _ - _ _ - _ _ i - i _ - _ - - _ _ _ _ _ - _ - _ - i - _ _ - i - - _ - _ _ - i - - _ - i - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ i - 一 英文摘要 a b s t r a c t i nt h e h o ts t r i pp r o d u c t i o n ，d e s c a l i n gw h i c hi su s e dt oc l e a nt h ef u m a c eo x i d es c a l e ( f i r s to x i d es c a l e ) a n dr e g e n e r a t e do x i d es c a l e ( s e c o n d a r yo x i d es c a l e ) i nt h es u r f a c eo f s l a bh a sb e e na ni n d i s p e n s a b l ei m p o r t a n tp r o c e s s ，t h ec u r r e n tt e c h n o l o g yt h a td o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a lw i d e l yu s e di sh i g h p r e s s u r ew a t e rd e s c a l i n g ，w h i c hn o to n l yb e c a u s e o ft h ee c o n o m y ，a n de f f e c t i v e i nt h ed o m e s t i ch i g h p r e s s u r ew a t e rd e s c a l i n gs y s t e m ， m o s to ft h e mi na c c o r d a n c ew i t ht h eh o tr o l l i n gm i l lo ft h es a m et y p ei nf o r e i g na n d w i t ht h ea n a l o g yt od e s i g n ，i ti sd i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h er o l l i n gp r o c e s s c h a n g e s ，a n di tc a nn o ta l s og u a r a n t e et h a tt h es t r i ps u r f a c eq u a l i t y d u et ow a t e ri nt h e s y s t e mp i p i n gi s a th i g hp r e s s u r e s ，o p e n i n ga n dc l o s i n gt i m es e q u e n c eo fd e s c a l i n g v a l v ei su n c e r t a i n t h e yb o t hr e s u l tt h a tw a t e rh a m m e ra n dv i b r a t e so f t e no c c u r si nt h e p i p e l i n e ，t h i si s a l s ob o u n dt op r o b a b l yd a m a g et h ep i p e l i n ea sw e l la sa t t a c h e d e q u i p m e n t sa n dt h r e a t e nt h eo p e r a t i o no fp r o d u c t i o ns y s t e m si ns e r i o u sc o n d i t i o n s s o ， t h i sp a p e rw o u l dc a r r yo u tn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dn e c e s s a r yt e s tf o rw a t e rh a m m e r p h e n o m e n o no nt h eb a s i so ft h ec o m p u t a t i o n a lt h e o r yo fw a t e rh a m m e r , a n dt h e nt o u n d e r s t a n dt h ef l u i dt r a n s i e n tc o n d i t i o n sw i t h i nh i g h p r e s s u r ew a t e rd e s c a l i n gs y s t e m p i p i n g ，a n dt od e v e l o pa p p r o p r i a t ew a t e rh a m m e rp r o t e c t i o nm e a s u r e s b ys t u d y i n gt h e c o r ec o m p o n e n to fd e s c a l i n ge q u i p m e n t n o z z l e ，s o a st of u r t h e r i m p r o v et h e t e c h n o l o g ya n dt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo f t h ed e s c a l i n gs y s t e m t h i sp a p e rc o n s i s t so ff 0 1 1 0 w i n gp a r t s ： ( 1 ) d i s c u s s e st h eb a s i cd i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fw a t e rh a m m e ra n dw a t e rh a m m e r m e t h o do fc h a r a c t e r i s t i c s t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so fh i g hp r e s s u r ew a t e rd e s c a l i n g s y s t e mi se s t a b l i s h e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i cm e t h o d ，i n c l u d i n g ：p u m p ( n o r m a lo p e r a t i n g c o n d i t i o n s ) ，t h ei n j e c t i o nv a l v e ( p i p ee n d ) ，a c c u m u l a t o r s ，s e r i e sa n dp a r a l l e lp i p e l i n e a n ds oo n i no r d e rt oe s t a b l i s ht h eu n i v e r s a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo fh i g h - p r e s s u r ew a t e r d e s c a l i n gs y s t e mw a t e rh a m m e rc a l c u l a t i o n s ； ( 2 ) c a r r yo u tn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hf o rw a t e rh a m m e r p h e n o m e n o ni ns i m p l ep i p e l i n eo nt h eb a s i so ft h ec o m p u t a t i o n a lt h e o r yo fw a t e r h a m m e r t h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft e s ta n dc a l c u l a t i o nr e s u l t sw h e nt h ev a l v ei s c l o s e ds u d d e n l ya n dq u i c k l y , t h ev a l v ei sc l o s e ds l o w l y , t h ev a l v ei so p e n e da n dc l o s e d b yt h eo r d e r , t h ev a l v ei so p e n e da n dc l o s e di nr a p i da n ds u c c e s s i o n ，s oa st ov e r i f yt h e c o r r e c t n e s so fn u m e f i c a lc a l c u l a t i o n ； i i i 重庆大学硕士学位论文 ( 3 ) 3 a i m e da tw a t e rh a m m e r p h e n o m e n o ni nh i g h p r e s s u r ew a t e rd e s c a l i n gp r o c e s s ， an u m e r i c a lc a l c u l a t i o nw a sc a r r i e do u t t h em a i na n a l y s i sa n dr e s e a r c hp r o t e c t i o n f e a t u r e so fa c c u m u l a t o r st ow a t e r h a m m e r , f o re x a m p l e ：t h ei n f l u e n c eo fw a t e rh a m m e r p r o t e c t i o np e r f o r m a n c eo nt h ei n s t a l l a t i o nl o c a t i o no fa c c u m u l a t o r s t h es i z eo f a c c u m u l a t o r s ，t h eq u a n t i t yo fa c c u m u l a t o r s ，a n dt h es e t t i n go ft h ep i p ef i x e db r a c e s ，a n d d e v e l o pa p p r o p r i a t ep r o t e c t i v em e a s u r e sf o rm ew a t e rh a m m e ri nh i g h p r e s s u r ew a t e r d e s c a l i n gs y s t e m ； ( 4 ) b yt h ei n s i d ef l o wf i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rh i g h - p r e s s u r ew a t e r d e s c a l i n g n o z z l e s ，i tc a nb eo b t a i n e dt ot h ei n f l u e n c eo ft h ei n s i d ef l o wf i e l do nn o z z l es 缸u c t l l r a l p a r a m e t e r s ( s u c ha s ：a s t r i n g e n ta n g l e ，r a t i oo fl e n g t ht od i a m e t e r , v - c u ta n g l e ) ，a n dt h u s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en o z z l es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n d d y n a m i cp e r f 0 衄a n c ea r e e s t a b l i s h e d a st of u r t h e ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f d e s c a l i n gn o z z l e s ，s o l a ti tc 锄t 0 e n s u r et h a tt h ee x p o r tj e tv e l o c i t ya tt h es a l l l et i m e ，r e d u c et h ew a t e r - h e a d p r e s s i l l ei n d e s c a l i n gs y s t e m ，a n df u n d a m e n t a l l yr e d u c et h eh a r mb r o u g h ta b o u tt h ew a t e r h a m m e r k e y w o r d s ：h i g h - p r e s s u r ew a t e rd e s c a l i n g ，w a t e rh a m m e r , m e t h o do fc h a r a c t e r i s t i c s d e s c a l i n gn o z z l e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 主要符号表 主要符号表 彳管道断面积，m 2 彳。阀门开启过流面积，m 2 口 水击波速，m s b计算常数 c +特征线( 斜率为正) c 一特征线( 斜率为负) g阀门孔口流量系数 c 。比热容，j k g k c 。，c ： 经验系数 c 。模型系数 d管道内径，i m e弹性模数，g p a f单位体积流体上的质量力 厂管壁摩擦因子 g 重力加速度，m s 2 日水头高度，m h 。 阻力损失水头，m k体积弹性模量，g p a k湍动能，m 2 s 2 厶，长度，m m p水头压力，p a p 压力，p a 平均静压，p a 流量，m 3 s 计算常数 温度，k 单位时间，s 坐标方向平均速度，m s 誓和x ，坐标方向上的平均速 管道断面平均流速，m s 坐标方向 单位长度，m 相对高度，m 密度，k g m 3 环向应变 管壁应力，p a 阀门无量纲开度系数 阻力系数 管道壁厚，m m 运动粘性系数，m 2 s 湍动能耗散率 流体体积，m 3 一叶 0 ， ， ， ，p 1 p q r 丁 出 五 一反矿w 衄z p 勺 仃 f f 万 y 占州 重庆大学硕士学位论文 一= 一 x 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的目的及意义 1 1 1 研究目的 钢铁工业是实现我国工业化进程的支柱产业，其作为基础原材料工业，不仅 是社会工业发展的物质基础，也与国民经济息息相关。在进入改革开放以来，尤 其是在中国加入世贸组织( w t o ) 以后，我国的钢铁市场已经逐渐融入了国际贸 易的大市场，资本、技术等的流通更加自由，产品之间的贸易也更为频繁和活跃， 充分体现出了我国钢铁市场在国际上的竞争优势【l 2 。近年来，随着“十二五”产 业规划的实施和宏观经济的平稳较快发展以及居民消费结构的加速升级，为工业 行业带来了较为宽松的运行环境，同时也为钢铁行业的增长提供了持续推动力； 机械、汽车、轻工等下游行业的高速发展，使用钢需求仍将保持持续快速地增长【3 。 虽然我国钢铁工业的发展在一定程度上取得了巨大的成就，但从长期看来， 其主要还是依靠能源、资源的大量消耗来支撑整个行业的发展，在规模不断扩张 的同时也使得钢铁行业污染物排放总量的不断攀升。由于长期处于这样的发展模 式，也由此激发了影响钢铁行业发展的一系列更为深层次的矛盾和问题，比如： 由于低水平产能比重过高，而造成的总体产能过剩；能源、资源消耗严重；污染 物的排放使得生态环境日益恶化；生产工艺相对落后等【1 】。因此，提高钢铁行业自 主研发、自主创新的能力，加快钢铁行业的结构转型、产品升级，是保持钢铁行 业的质量和产量稳步增长的基础。 热轧产品的表面因氧化铁皮而引起的产品质量缺陷以及产品质量的下降，势 必会影响到企业的经济效益和社会效益，这也是许多钢铁企业较为关注的问题。 由于在热轧过程中，若表面生成的氧化铁皮不及时清除，经酸洗后在缺陷处会留 下深浅不一的小麻点和凹坑，特别是对于在生产过程中所产生的一、二次氧化铁 皮，会严重影响到后工序冷轧板的表面质量【4 5 】。高压水除鳞系统的主要作用是， 通过管路将高压水输送到各个除鳞点，利用高压水的冲击力清除影响板坯表面质 量的一、二次氧化铁皮，并使轧件表面的氧化皮被剥离冲走，因此在热轧工程中 起着十分重要的作用。但由于高压水除鳞系统的供水压力较高( 一般为1 5 2 0 m p a ) 以及喷射阀按除鳞时序频繁地开启和关闭，导致管内产牛了不同程度的水 击和振动，严重影响到整个生产系统的安全运行。 目前国内对高压水除鳞系统中所产生的水击研究较少，如何更好的防止水击 所造成的影响和解决对系统中所带来的一系列问题；如何提高高压水除鳞系统工 艺技术，并进行优化设计，这也将是本文对其研究的主要目的。 重庆大学硕士学位论文 1 1 2 研究意义 国内设计的高压水除鳞系统，由于相应的设计规程和实践经验大多照国外同 类型的热轧厂采用类比法进行设计，所以一旦钢坯的加热条件变化，轧机的产品 大纲和轧制制度变化，高压水除鳞系统就很难再满足轧制工艺变化的要求，无法 保证带钢表面质量。正是由于系统本身的不完善性，再加上除鳞阀在不断开闭过 程中所产生的不同程度的水击，这势必会造成对管道及其支架等附属设备的破坏， 甚至威胁整个生产系统的安全运行。因此，在水击计算理论的基础上，针对高压 水除鳞系统中的水击现象进行数值计算和必要的水击试验，进而对除鳞系统管道 内流体的瞬变工况，以及对除鳞过程中水击压力波传播的规律和产生的机理进行 研究和分析，由此预测出水击对除鳞系统以及管道等所造成的各种危害及影响， 并制定出一系列相应的防护措施。与此同时，通过对除鳞设备中的核心元件 喷嘴进行研究，分析喷嘴结构参数对其内部流场的影响，建立喷嘴结构参数与动 力性能之间的关系，从而提高除鳞系统的工艺技术和整体性能。通过以上研究， 将会对防止除鳞系统以及管道等设备遭到水击的破坏，并改善除鳞系统整体设计 以及提高钢铁企业产品质量和企业的经济效益，具有极其重要的意义。 1 2 高压水除鳞系统发展现状 1 2 1 除鳞技术发展现状 随着钢铁行业的快速发展以及用钢需求的不断增加，国内外对钢铁产品的质 量要求也越来越严格，尤其是对产品指标中的尺寸精度、力学性能、表面质量等 方面。在加工制造技术和冶炼技术的不断发展和改进过程中，钢铁产品的加工精 度和各项性能已经得到了较大的提升，而如何提高钢铁产品表面质量却成为了现 阶段需要解决的关键问题。 由于除鳞是热轧工程中不可缺少的一道重要工序，也是提高钢铁表面质量的 一项关键技术，除鳞的方法也由此成为了许多国内外学者所关注和研究的问题， 经过不断地实践和研究，除鳞的方法在生产中也逐渐得到了提高和改善。如表1 1 所示，清除氧化铁皮通常所用的有三种方法：一是机械的方法，即利用破鳞机压 碎氧化铁皮；二是爆破的方法，将食盐、竹条、柳条等撒在钢坯表面上，轧制时 使其产生爆破，并使氧化铁皮崩掉；三是利用高压水的冲击，剥离清除氧化铁皮 6 】。 由于利用机械和爆破的除鳞方法在生产过程中不易控制，且操作较困难，生产效 率低，也不利于连续生产，效果并不十分理想，因而在应用中受到了极大地限制【4 】。 然而，高压水除鳞装置设备相对简单，管理方便，投资也较少，除鳞效果在连轧 系统中尤为突出，在众多除鳞技术中具有无可比拟的优越性和经济性，因此高压 水除鳞在板带热轧生产中被给予了非常高度的重视，它已成为现阶段国内外板带 1 绪论 热轧生产中广泛采用的一项新技术 7 ，8 】。 。 除鳞方法 优缺点 1 了 1 2 2 高压水除鳞喷嘴国内外研究现状 国外在上世纪5 0 年代，已经开始了对高压水除鳞技术的在线应用和研究，由 此高压水除鳞喷嘴的研究也同时得到了飞速的发展。历经近6 0 年的发展过程，国 外在高压水除鳞喷嘴的研发、设计、检测等方面的技术已非常成熟，例如：德国 l e c h l e r ( 莱克勒) 公司建立了一套目前在国际上处于领先水平的高压水喷嘴试验 装置，该试验台装有先进的压力测试仪器，不仅能够根据所测试的结果生成直观 的喷射压力分布图，而且能够测试各种喷嘴的射流速度和打击力。美国s p r a y i n g s y s t e m s ( 喷雾系统) 公司，开发了可对除鳞喷嘴进行射流特性测试的试验设备， 并且能够检测和分析雾化喷嘴射流密度的分布，也能够对喷嘴的射流压力及其分 布进行检测。欧洲p n r 公司和德国l e c h l e r 公司均是世界上知名的高压水除鳞喷 嘴供应商，喷嘴的研发技术在同行业中一直处于领先水平，其生产的喷嘴可比其 它公司生产的同类型喷嘴在同等使用条件下寿命长2 0 左右，并且质量可靠、可 重复使用性好，具有效率高、打击力大、性能稳定等优点【9 】。日本共立合金制作所 研发出了许多不同类型的喷嘴，在国内外钢铁领域中使用广泛，其生产的喷嘴可 在同等除鳞条件下( 如压力，流量，喷射距离等条件) 大幅度提升除鳞效率，同 时可以最大削减高达4 0 的高压水量，也可削减1 0 1 5 的除鳞水泵使用电量。 表 坐 览 型 一 喜|施衄麟咝 表 丛 重庆大学硕士学位论文 国内对高压水除鳞喷嘴的研究大多是在基于国外的技术上所进行的，因而不 能跟上除鳞技术的发展。关于对除鳞喷嘴的研究，目前江苏博际喷雾系统有限公 司已经研发了出一套用于喷嘴射流检测的试验系统，该公司的试验台能够检测出 喷嘴的射流打击力以及射流面积，并能自动生成打击力分布图及流量压力等曲线 图，是国内测试功能比较完善的喷嘴射流试验台。清华大学搭建的喷嘴试验中心， 不仅能够对除鳞喷嘴进行射流特性的检测，而且能够对冷却喷嘴和雾化喷嘴的冷 却特性以及雾化特性等进行测试，其各项检测水平均居于国内领先。上海斯普瑞 喷雾系统有限公司生产的喷嘴，在线应用时可自动调宽，且使用寿命长、打击力 大。上海汇思机电有限公司研发的g w 型喷嘴采用硬质金属材料制作内芯，使螺 纹接套与喷嘴的连接更为紧密牢固，且加强的内部构造不仅增强了喷射的冲击力， 也使得喷射水流的分布更加合理和均匀，除鳞效率也得到了较大的提高。尽管经 过多年的发展，国内在喷嘴研究与加工制造等方面的技术已经较为成熟，但是在 喷嘴内部结构的设计和喷嘴射流特性测试软件的开发，以及除鳞成套设备的研发 和生产等方面却还比较薄弱。 1 2 3 高压水除鳞设备的应用现状 国外对高压水除鳞设备的研究起步较早，在线高压水除鳞技术的应用也已经 相当成熟。由于高压水除鳞设备在运行和管理方面具有独特的优越性，且除鳞效 果明显、经济性好、维护成本较低，目前世界上几乎所有的热轧带钢生产厂都采 用了高压水除鳞技术去除氧化铁皮，以大幅提升钢铁产品表面的质量。如英国的 c o r u s ( 科勒斯公司) 、美国的u ss t e e l ( 美国钢铁公司) 、日本的n i p p o ns t e e l ( 新日制铁公司) 、荷兰的m i t t a ls t e e l ( 米塔尔钢铁公司) 等全球著名的钢铁巨 头在除鳞过程中均大量的采用了高压水除鳞设备，且在线应用技术已非常成熟， 说明高压水除鳞设备已在世界各国的钢铁生产中得到了极其广泛的应用。德国 c h r u p p 公司、美国s p r a y i n gs y s t e m s 公司、意大利i n o x i h p 等公司均是世界上较 有名的高压水除鳞设备厂商，全球钢铁企业使用的高压水除鳞成套设备大多由这 几家公司所生产，其生产的成套产品在各国得到了广泛的使用。 近几年来，这项新兴技术在国内也得到了快速地应用和发展。宝钢、包钢、 鞍钢、太钢等国内大型知名钢铁企业也先后安装和使用了高压水除鳞设备，这不 仅极大的提高了除鳞效率，而且也使得板坯表面质量得到了提升。在包钢集团公 司，在线高压水除鳞设备目前己在多个轧钢生产分厂中均得到了广泛的应用，如 薄板坯连铸连轧生产厂、轨梁厂、4 0 0 无缝厂等，并在整个钢铁企业中获得了良好 的经济效益和社会效益一j 。然而，国内在高压水除鳞成套设备方面，还没有专门的 生产企业，基本也都是靠引进国外的先进设备进行改造和组装。鞍山太阳仪表阀 门公司、辽宁营口高中压阀门公司等已经开始对国外的设备进行研究，并着手开 4 1绪论 发和生产自己的产品，目前可根据客户要求向一些钢铁企业提供自己生产的高压 水除鳞成套装置，在成套设备的研发和生产方面均取得了初步的成划10 1 。 1 3 国内外水击研究现状 1 3 1 国内外水击研究进展 历史上关于水力瞬变过程的研究，最初是起源于探讨声波在空气和在浅水中 的传播以及动脉中血液的流动所开始的。但在微积分学、弹性理论以及求解偏微 分方程等方法的建立之前，许多有关这方面的问题都未能获得较好的解决 1 l 】。 1 9 6 5 年j a e g e r e t a l 、1 9 7 3 年m a r t i n 、1 9 7 6 年t h o r l e y 总结了包括水柱分离在内 的水击的大量文献，提供了水击各方面的发展史【1 2 】。法国的工程师门那布勒朗 ( m e n b r e a ) 1 3 , 1 4 j 是最早对水击现象进行观察和研究的学者之一，在18 5 8 年首次发表 了关于水击的文献【l5 1 ，并最早将水击的基本原理用能量理论的方法进行了详尽的 阐述，成为了研究弹性水击理论方面的奠基人。1 8 7 8 年，法国学者米可( m i c h a n d ) 首先对水击进行了试验研究，并针对水击问题设计和使用了空气室和安全阀来防 护水击；同年，柯特威格( k o r t w e g ) 首次在同时考虑了管壁弹性和液体弹性的同 时，推导出了水击波速的公式。儒科夫斯基( j o u k o v s k y ) 【16 】在1 8 9 7 年，分别用不 同管径和管长的管道针对水击做了大量试验，并根据他的试验研究所得到的结果 发表了多篇关于水击理论的经典文献，首次提出了关于管道末端阀门在突然关闭 时引起的水击所计算的基本方程，同时还讨论了阀门关闭速度的不同对产生的水 击所造成的影响。在随后的1 8 9 8 年，美国工程师弗里泽尔( f r i z e l l ) 独立推导出 了由于波速的突然改变而引起的水击压力变化的计算公式，并在所发表的论文管 道中流速变化所产生的压力中首次提出。1 9 0 4 年，阿列维( a l l i e v i ) 【l7 j 在结合 前人研究成果的基础上对水击的理论与计算方法进行了更为系统的研究，至今解 决过许多水击问题的阿列维水击联锁方程式就是由他在1 9 1 3 年所提出的，其方程 比k o r t e w e g 所提出的方程更为准确，在此后的研究中他还提出了末相水击的计算 公式和水击图解曲线法，并沿用至今。在二十世纪初的二十年里，j o u k o w s k i 和 a l l i e v i 为水击的计算和理论研究奠定了坚实的基础，使水击的研究得到了飞速地 发展。1 9 2 3 年，吉普松( g i b s o n ) 1 8 , 1 9 】在经过大量的研究后得到了一种能通过封 闭管道中的水击来测量流体流速的方法，然而这种方法最先是他在研究电站压力 引水管道中水击的影响时所发现的，因此将这种测速法命名为了吉普松法( g i b s o n m e t h o d ) 。19 2 6 年s t r o w g e r 2 0 】针对电站在变负荷运行工况下，由于管道内流体流速 变化而产生的水击过程进行了研究，而后w o o d 对s t r o w g e r 的研究成果进行了再 一次的研究和分析，并证实了s t r o w g e r 研究成果的正确性。从1 9 4 5 年到1 9 5 3 年， r i c h 和格莱( g r a y ) 2 1 埘 先后分别提出了应用l a p l a c e 变换以及特征线法对水击 重庆大学硕士学位论文 一一 压强变化过程进行分析和计算。在1 9 6 7 年，斯特瑞特( s t r e e t e r ) 口4 1 与怀利( w y l i e ) 共同撰写了一本有关研究水力瞬变方面的教科书( ( h y d r a u l i ct r a n s i e n t s ) ) ，同时斯 特瑞特还发表了许多关于水击计算特征线法方面的论文，使水击的数值计算进入 了真正意义上的电算化。在近代，许多学者对水击进行了更为深入的研究，如： m o o d y 2 5 矛nb r y a n 2 6 1 对管道系统中由两相流所产生的水击以及管道中水击能量的 转换等方面进行了研究。a r i m r e 2 7 1 对压力下降过程中，关于超临界水循环中的 水击理论进行了研究。 我国在水力过渡过程方面的研究，大约始于2 0 世纪6 0 年代初期。在上世纪 6 0 年代，龙期泰和王守仁等 2 8 针对水击现象做了大量的试验研究和分析，为我国 在水击计算和防护方面的研究开启了先河。栾鸿儒等【2 9 】对防止泵站水击方面进行 了研究，并做了大量关于爆破膜对泵站水击防护方面的试验，针对水击防护提出 了膜片材料及厚度选择的计算方法。8 0 年代初，国外的两本关于水利瞬态过程方 面的书籍( ( a p p l i e dh y d r a u l i ct r a n s i e n t s ) ) 和( ( h y d r a u l i ct r a n s i e n t s ) ) 被译成中文版， 对我国后期在瞬变流方面的研究起到了极大的推动作用。刘竹溪、刘光临等p u j 首 次将泵站中的水击用计算机进行数值计算，并提出了一种将水泵全特性曲线用计 算机仿真来进行预测的方法。高松竹、王文荣等人【3 13 2 研究了空气罐在水击中的 防护特性，并建立了带有空气罐的水击计算数学模型。蒋劲、杨晓东等 3 3 0 6 对防 护水击方面也进行了研究，尤其对于液控蝶阀、缓闭止回阀的控制对水击防护性 能的影响。索丽生和王学芳等 3 7 , 3 8 在结合水击计算理论的基础上，对水电站压力 引水系统的水力过渡过程方面做了大量的研究，并研究了输水管线中空气进排气 阀对水击的防护特性。随着水击电算化的发展，我国在水击及其防护问题的理论 研究和实际应用这两个方面都获得了相当程度的进展。因而，国内许多高校也开 始了对水击理论方面的研究，并取得了一定的成果，郑州大学的倪吴煜对水击理 论进行了研究，提出了更为完善的水击计算基本方程组；武汉科技大学的唐寅研 究了输水管道中的水击现象，并针对水击的防护提出了自己的见解；华北电力大 学的张蓓利用a f t 和m a t l a b 等软件对复杂管路中的气液两相瞬变流进行了动态仿 真。近年来，国内大量兴建长距离输水工程，为了防止水击事故的发生，保证整 个输水系统的安全运行，对于长距离输水系统水力过渡过程方面的研究也就越来 越重要。因此，全面的分析和预测长距离输水系统的水力过渡过程，研究并制定 出有效的防护措施，在确保工程安全运行的同时，对于社会经济的发展具有极其 重要的理论意义和实际意义。 1 3 2 水击计算方法研究进展 随着水击理论的不断完善，为了满足实际工程中的需要，许多学者在水击的 求解方法上进行了不断地研究，因而产生了众多不同的水击计算方法。 1 绪论 解析法。在1 9 3 0 年以前，工程上大多采用解析法计算关阀水击。解析法的基 本原理是，在阿列维( a l l i e v i ) 联锁方程式的基础上，用已知的初始条件和边界条 件进行逐步计算，进而求得任意断面任意时刻的压力水头，具有物理意义简单、 计算简便等特点，但多适用于不考虑摩阻损失且压力波为全反射的简单管路系统， 而对于长距离且复杂的输水管路系统其计算意义并不大。 图解法。在1 9 3 1 1 9 6 2 年，大多广泛采用的是施耐德( s c h n y d e r ) 和波格龙 ( b e r g e r o n ) 各自独立提出的图解法。该方法是在不考虑管道摩阻的情况下，首先 将水击的基本方程式变换成为对管道内两点的两个共轭方程，再按照作图的方法 对水击进行计算。由于此方法直观、形象，并且简便易行、灵活易懂，计算结果 也具有一定的精度，所以应用较为广泛。但是，图解法在进行管路摩阻损失较大， 且对于水击波反复传播多次的复杂管路系统的计算时过程相当繁琐，而且计算精 度也不高，因此极大地限制了对于实际工程中水击问题的解决和研究。 1 9 6 2 年以后，随着计算机技术的发展以及计算方法的不断创新，简单实用的 图解法逐渐被便于电算的特征线法和有限差分法所取代。 有限差分法。有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c ec a l c u l u s ) 在早期就已经应用于数 值求解中，该方法将求解区域划分为差分网格，用有限个网格点代替连续的求解 域，将待求解的流动变量( 如密度、速度等) 存储在各网络点上，并将偏微分方 程中的微分项用相应的差商代替，从而将偏微分方程转化为代数形式的差分方程， 得到含有离散点上的有限个未知变量的差分方程组，求出该差分方程组的解，也 就得到了网络点上流动变量的数值解。目前，常用的有限差分法有显式和隐式两 种不同的格式，而随着差分法的不断发展，出现了许多不同精度的差分格式，但 在其稳定性、收敛性方面仍有许多问题有待解决。 特征线法。特征线法( c h a r a c t e r i s t i cl i n em e t h o d ) 最早是由格莱( g r a y ) 介 绍和提出的2 4 1 ，并首先使用计算机将水击用特征线法进行计算【3 9 1 。该方法以偏微 分方程的特征理论为基础，是求解双曲型偏微分方程的一种近似计算方法。 其原理是，首先将偏微分方程变换成常微分方程，再沿其特征线积分使其转换为 形式简单的有限差分方程，最后再进行有限差分求其数值解。由于此方法在一定 程度上考虑了管路的摩阻，因而可用于复杂管路系统的计算，再加上特征线法在 边界条件的处理上更为容易，且具有计算精度高、稳定和易于编制电算程序等优 剧3 0 1 ，目前己成为水击数值计算中最为主要的方法之一。 有限元法。有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是一种数值近似求解法，1 8 世 纪，变分方法由欧拉( e u l e r ) 首创，而微分方程的近似解却是由伽辽金( g a l e r k i n ) 和里兹( r i t z ) 利用变分法所求得【钔1 。其基本原理是，将连续的求解区域离散为一 组由有限个单元组成的并按一定方式相互联结在一起的单元组合，从而将一个连 重庆大学硕士学位论文 续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的一种数值分析法。由于 在整体区域上选择试解函数的困难性，且计算量大，所以发展空间受到了一定限 制，但有限元法在理论研究和实际应用上仍有一定的价值。 近年来，随着计算机技术的迅猛发展，相应的计算软件以及编程软件也开始 发展起来。比如，m a t l a b s i m u l i n k 软件的开发，可对输水系统中的水流工况进行可 视化仿真；利用a f t 水击计算软件可进行实际工程计算等。这些新的计算方法极 大地提高了水击数值计算的效率，使得水击计算更为简便，但同时也存在一定的 不完善性，还将有待于更进一步的研究和开发。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要针对高压水除鳞过程中产生的水击现象，在水击计算基本微分方程 的基础上，运用特征线法建立高压水除鳞水击计算的数学模型，并对简单管道的 水击进行数值计算及试验对比和分析，根据高压水除鳞水击所带来的影响制定出 一系列相应的防护措施。针对除鳞设备中的核心元件喷嘴进行内部流场的数 值模拟，建立喷嘴结构参数和动力性能之间的关系，进而提高喷嘴的性能以及整 个除鳞系统的工艺技术。所做具体工作如下： ( 1 ) 论述水击的基本微分方程以及水击的计算方法，运用特征线法建立高压 水除鳞系统中常见的边界条件，包括：水泵( 正常运行工况) 、喷射阀( 管道末端) 、 蓄势器以及串并联管路等； ( 2 ) 结合水击计算理论，对简单管道中的水击进行数值计算以及试验研究， 并对突然快速关闭阀门、缓慢匀速关闭阀门、按开关时序开闭阀门、连续快节奏 开闭阀门等情况下的试验结果与其计算结果进行对比和分析； ( 3 ) 对高压水除鳞系统中的水击进行数值计算，主要分析和研究蓄势器对水 击的防护特性，并针对高压水除鳞系统中的水击制定出各种防护措施； ( 4 ) 通过对高压水除鳞喷嘴内部流场的数值模拟，分析喷嘴结构参数( 如收 缩角、出口长径比和矿型切槽) 以及系统压力对其内部流场的影响，建立喷嘴主 要结构参数与动力性能之间的关系； ( 5 ) 对本文中所做工作的总结，同时对高压水除鳞中水击数值计算以及整个 除鳞系统性能提高等方面的下一步研究做了展望。 2 高压水除鳞水击数值计算模型 2 高压水除鳞水击数值计算模型 目前有关水击的计算方法众多，但最基本的方法主要有：解析法、图解法和 数值解法，而数值解法则包括特征线法和有限差分法。特征线法是目前求解双曲 线型方程组较为有效的方法之一 17 1 ，它将偏微分方程组转化为特定条件下的常微 分方程，然后再沿其特征线积分将其转换为形式简单的有限差分方程，最后求其 近似解。由于其考虑了非线性摩阻的影响，在针对复杂管路的计算时，优越性尤 为突出，且精度也较高，因而在工程计算中得到了广泛的应用。本章主要针对高 压水除鳞过程中产生的水击，运用特征线法建立简单管路系统与复杂管路系统中 常见的边界条件，包括：水泵( 正常运行工况) 、喷射阀( 管道末端) 、蓄势器以 及串并联管路等，从而建立高压水除鳞水击计算的数学模型。 2 1 水击基本微分方程 水击基本微分方程的理论基础源于水流运动的力学规律和连续性原理，其中 包括运动方程和连续性方程。水击的基本方程全面反映了有压管流中非恒定流流 动规律的数学表达式，包含了水头压力和水流流速的变化规律，同时也是研究水 力过渡过程的基础【3 。 2 1 1 运动方程 取一在水击作用下流动状态正在改变中的微小水体，将其长度定为血，断面 积为彳，管道倾斜角为a ，并将水击的发生点设为原点，x 坐标的正方向与管中原 来的水流方向相反，如图2 1 所示。 图2 1 微小水体上的作用力 f i g 2 1f o r c eo nt h et i n yb o d y o fw a t e r 9 重庆大学硕士学位论文 作用在微小水体上的力主要有： 上游侧的压力e = ( h z ) a 下游侧的压力 旦：一( 日一z ) a 一0 ( h - ：z ) - a x a a x 微小水体重量在x 方向的