（化工过程机械专业论文）变频流量控制所致水击产生机理研究.pdfVIP

摘要 摘要 高效节能变频流量控制技术其应用日趋广泛，而变频流量控制所致水击现 象成为该技术应用的关键技术问题。目前国际上仍缺乏变频调速所致水击现象 的产生机理及其水击压力先进智能控制策略的研究成果报道，其水击产生机理 仍未弄清。为此，如何准确预测复杂过程工业的变频流量控制输送系统的水击 压力，以及水击压力精确控制仍是过程工业中的一项技术挑战。因此，研究建 立变频流量控制所致水击压力理论预测方法和水击压力精确控制的先进智能控 制策略对于确保过程装备系统的安全运行具有十分重要的理论研究价值和工程 应用价值。本文针对变频流量控制所致水击过程的特点，建立了描述其产生过 程的全三维瞬态等温黏弹性的理论模型和与其相适应的高效稳态有限元数值算 法，通过数值模拟，研究了过程参数、数流变性能参数和系统结构对变频流量 控制所致水击过程的影响规律，揭示了其产生机理，研究建立了避免变频流量 控制所致水击的过程参数和流变性能参数关联控制模型，为水击压力精确控制 奠定了科学的理论基础。主要取得如下成果： ( 1 ) 基于流变学和流体动力学理论，针对黏弹性和纯黏性流体变频流量控制 所致水击过程的特点，经合理假设，建立了描述其水击产生过程的全三维非稳 态等温黏弹性理论模型和与之相适应的高效稳态有限元数值算法； ( 2 ) 变频调速所致水击强度因子主要取决于流体密度、黏度和松弛时间，变 频调速水击强度因子随着流体密度和松弛时间增加而增大，而随着流体黏度增 加而减小，增加黏度或减小流体密度、松弛时间有利于水击的控制； ( 3 ) 增加流体黏度会导致黏性耗散阻尼作用增强，故能有效减小压力波的传播， 从而减弱水击程度；增加松弛时间会导致流体弹性增强，对压力波传播的放大 作用效果越大，从而增强水击程度； ( 4 ) 变频调速所致水击强度因子主要取决于系统流量、变频调速时间和变频 调速范围，变频调速水击强度因子随着系统流量和变频调速范围的增加或变频 调速时间的减小而增加，减小流量和变频调速范围或延长变频调速时间有利于 水击的控制： 摘要 ( 5 ) 通过数值模拟，研究建立了避免变频流量控制所致水击的过程参数和流 体流变性能参数关联控制数学模型，为变频流量控制所致水击压力的控制奠定 了科学的理论基础。 关键词：黏弹性；水击；数值模拟；变频调速；机理研究 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fh i g h l y e f f i c i e n te n e r g ys a v i n gv a r i a b l ef r e q u e n c yf l o w r e g u l a t i o nt e c h n i q u ei sb e c o m i n gm o r e a n dm o r ew i d e s p r e a d ，a n dt h ep h e n o m e n o no f w a t e rh 锄m e rc a u s e db yv a r i a b l ef r e q u e n c yf l o wr e g u l a t i o nh a sb e c o m et h ek e y t e c h n i c a ip r o b l e mo fi t sa p p l i c a t i o n i n t e r n a t i o n a l l y ，a tp r e s e n t ，t h e r ei ss t i l la l a c ko f r e p o r t so nr e s e a r c hf i n d i n g s o ft h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo fw a t e rh a m m e rc a u s e db y v a r i a b l ef r e q u e n c yf l o wr e g u l a t i o na n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fa d v a n c e di n t e l l i g e n t c o n t r o lo nw a t e rh a m m e rp r e s s u r e ，t h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo f w a t e rh a m m e ri ss t i l l u n c l e a ls oh o wt oa c c u r a t e l yp r e d i c tt h e w a t e rh a m m e rp r e s s u r eo fv a r i a b l e f r e q u e n c yf l o wr e g u l m i o nd e l i v e r ys y s t e mo fc o m p l e xp r o c e s si n d u s t r y , a sw e l l a s p r e c i s ec o n t r o lo fw a t e rh a m m e rp r e s s u r e ，i ss t i l la t e c h n i c a lc h a l l e n g eo ft h ep r o c e s s i n d u s t r y t h e r e f o r e ，i th a sv e r y i m p o r t a n tt h e o r e t i c a l r e s e a r c ha n de n g m e e n n g a p p l i c a t i o nv a l u e i ne n s u r i n gt h es a f eo p e r a t i o no fp r o c e s se q u i p m e r i ts y s t e mt os t u d y t h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i n gm e t h o do ft h ew a t e rh a m m e rc a u s e db ye s t a b l i s h i n g v a r i a b l ef r e q u e n c yf l o wr e g u l a t i o na n dt h ea d v a n c e di n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g yo f p r e c i s ec o n t r o lo nw a t e rh a m m e rp r e s s u r e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fw a t e r h 锄m e rc a u s e db yv a r i a b l ef r e q u e n c yf l o wr e g u l a t i o n ，t h e f u l l3 - dt r a n s i e n t i s o t h e n n a lv i s c o e l a s t i ct h e o r e t i c a lm o d e la n di t sc o r r e s p o n d i n gh i g he f f i c i e n ts t e a d y 丘n i t ee l e m e n tn u m e r i c a la l g o r i t h mw a se s t a b l i s h e dt od e s c r i b ei t sg e n e r a t i n gp r o c e s s i nt h i sa n i c l e w i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h er e g u l a t i o no ft h ei n f l u e n c eo fp r o c e s s p a r a m e t e r s ，r h e o l o g i c a lp r o p e r t i e sp a r a m e t e r sa n ds y s t e m s t r u c t u r eo nw a t e rh a m m e r p r o c e s sc a u s e db yv a r i a b l ef r e q u e n c yf l o wr e g u l a t i o nw a ss t u d i e d ，t h eg e n e r a t i o n m e c h a n i s mw a sr e v e a l e d ，t h ec o r r e l a t i n gc o n t r o lm o d e lo f t h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa n d r h e o l o g i c a lp r o p e r t i e sp a r a m e t e r sw h i c ha v o i dw a t e rh a m m e rc a u s e db y v a r i a b l e f r e q u e n c yf l o wr e g u l a t i o nw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h es c i e n t i f i ct h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n o f p r e c i s ec o n t r o lo nw a t e rh a m m e rp r e s s u r ew a sl a i d m a i na c h i e v e m e n t s a r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do n t h er h e o l o g ya n df l u i dd y n a m i c st h e o r y ，i na c c o r d a n c ew i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rh a m m e rc a u s e db yv a r i a b l ef r e q u e n c yf l o wr e g u l a t i o no f i i i a b s t r a c t v i s c o e l a s t i c i t ya n dp u r ev i s c o s i t yf u i d ，w i t hr e a s o n a b l eh y p o t h e s i s ，t h ef u l l 3 一d t r a n s i e n ti s o t h e r m a lv i s c o e l a s t i ct h e o r e t i c a lm o d e la n di t s c o r r e s p o n d i n gh i g h e f f i c i e n ts t e a d yf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a la l g o r i t h mw a se s t a b l i s h e dt od e s c r i b ei t s g e n e r a t i n gp r o c e s so f w a t e rh a m m e r ( 2 ) t h ew a t e rh a m m e ri n t e n s i t yf a c t o rc a u s e db yv a r i a b l ef r e q u e n c yf l o w r e g u l a t i o ni sm a i n l yd e c i d e db yt h ed e n s i t y , v i s c o s i t ya n dr e l a x a t i o nt i m eo ff l u i d t h e w a t e rh a m m e ri n t e n s i t yf a c t o rc a u s e db yv a r i a b l ef r e q u e n c yf l o wr e g u l a t i o ni n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s i n gd e n s i t ya n dr e l a x a t i o nt i m eo ff l u i d ，a n dd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n gv i s c o s i t y i n c r e a s i n gv i s c o s i t yo rd e c r e a s i n gt h ed e n s i t ya n dr e l a x a t i o n t i m eo ff l u i di sb e n e f i c i a lt oc o n t r o lw a t e rh a m m e r ( 3 ) i n c r e a s i n gt h ev a l u eo fv i s c o s i t yw i l ll e a dt oe n h a n c et h ee f f e c t so fv i s c o u s d i s s i p a t i o nd a m p i n g s oi tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ep r o p a g a t i o no fp r e s s u r ew a v e ， w h i c hc a nw e a k e nt h ed e g r e eo fw a t e rh a m m e r i n c r e a s i n gt h ev a l u eo fr e l a x a t i o n t i m ew i l ll e a dt oe n h a n c et h ee l a s t i c i t yo ff l u i d ，w h i c hc a ni n c r e a s et h ep r o p a g a t i o no f p r e s s u r ew a v e ，a n ds t r e n g t h e nt h ed e g r e eo fw a t e rh a m m e r ( 4 ) t h ew a t e rh a m m e ri n t e n s i t yf a c t o rc a u s e db yv a r i a b l ef r e q u e n c yf l o w r e g u l a t i o ni sm a i n l yd e c i d e db ys y s t e m f l o wr a t e ，f r e q u e n c yc o n t r o lt i m ea n d f r e q u e n c yr a n g e t h ew a t e rh a m m e ri n t e n s i t yf a c t o rc a u s e db yv a r i a b l ef r e q u e n c y f l o wr e g u l a t i o ni n c r e a s e sw i t hs y s t e mf l o wr a t ea n df r e q u e n c yr a n g e ，b u td e c r e a s e s w i t hi n c r e a s i n gf r e q u e n c yc o n t r o lt i m e d e c r e a s i n gf l o wr a t ea n df r e q u e n c yr a n g eo r i n c r e a s i n gf r e q u e n c yc o n t r o lt i m ei sb e n e f i c i a lt oc o n t r o lw a t e rh a m m e r ( 5 ) w i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ec o r r e l a t i n gc o n t r o lm o d e lo ft h ep r o c e s s p a r a m e t e r sa n dr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e sp a r a m e t e r sw h i c ha v o i dw a t e rh a m m e rc a u s e d b yv a r i a b l ef r e q u e n c yf l o wr e g u l a t i o nw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h es c i e n t i f i ct h e o r e t i c a l f o u n d a t i o no fp r e c i s ec o n t r o lo nw a t e rh a m m e rp r e s s u r ew a sl a i d k e yw o r d s ：v i s c o e l a s t i c i t y ；w a t e rh a m m e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；v a r i a b l e f r e q u e n c yf l o wr e g u l a t i o n ； m e c h a n i s m i v 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 变频调速在工业中的应用现状2 1 2 变频调速所致水击的分析意义4 1 3 水击研究现状6 1 3 1 水击研究的分析方法6 1 3 2 水击的成因及分类8 1 3 3 水击的预防9 1 4c a e 在变频调速所致水击中的应用10 1 4 1 有限元模拟软件p o l y f l o w 简介。1 1 1 4 2 黏弹性流体与纯黏性流体模型的选用1 3 1 5 本论文的主要研究内容1 3 第2 章水击的理论模型和有限元离散模型。1 5 2 1 水击理论模型1 5 2 1 1 水击过程的基本方程1 5 2 1 2 水击过程的控制方程1 7 2 2 本构方程l7 2 2 1 纯黏性流体模型及本构方程1 7 2 2 2 黏弹性流体模型及本构方程1 9 2 3 流体边界条件2 l 2 4 稳态有限元求解技术2 2 2 5 各变量场的有限元离散模型2 6 2 5 1 压力场的有限元离散2 6 2 5 2 速度场的有限元离散2 6 2 5 3 黏弹性本构模型的分解与离散2 8 2 5 4 应变速率张量的有限元离散3 2 v 目录 2 6 单元有限元方程组装成整体有限方程3 6 2 7 本章小结3 7 第3 章变频调速所致水击的数值模拟3 9 3 1 黏弹性流体发生水击的数值模拟条件3 9 3 2 黏弹性流体的流变性能参数对水击的影响4 1 3 2 1 黏弹性流体松弛时间与水击的关系4 2 3 2 2 黏弹性流体黏度与水击的关系4 3 3 2 3 黏弹性流体密度与水击的关系4 4 3 2 4 黏弹性流体黏度比与水击的关系4 5 3 2 5 黏弹性流体的其他材料参数与水击的关系4 6 3 3 过程参数对水击的影响4 7 3 - 3 1 系统流量与水击的关系4 7 3 3 2 变频调速时间与水击的关系4 9 3 4 设备结构对水击的影响5 3 3 4 1 模型的长度与水击关系5 3 3 4 2 模型的截面大小与水击的关系5 4 3 4 3 模型的截面形状与水击的关系5 5 3 5 纯黏性流体的流变性能参数对水击的影响5 6 3 6 本章小结5 7 第4 章避免水击的控制关联模型研究5 9 4 1 黏弹性流体避免水击的控制模型5 9 4 1 1 黏弹性流体避免水击的黏度与松弛时间的控制条件5 9 4 1 2 黏弹性流体避免水击的过程参数控制关联模型6 0 4 2 纯黏性流体避免水击的控制条件6 1 4 3 本章小节6 2 第5 章总结与展望6 3 5 1 主要结论6 3 5 2 展望6 4 目录 一一一： 致谢6 6 参考文献6 7 攻读学位期间的研究成果7 3 i 部分符号说明 部分符号说明 a 、b ：方形截面直管的边长，m r ：圆形截面直管半径，r r l l ：圆形截面直管长度，m p ：系统的管道压力，p a p m 双：发生水击非稳态时的最大管道压力，p a p 髓：稳态流动时的管道压力，p a 万：水击压力强度因子，无因次 a t ：变频调速时间( 图上记为艿t ) ，s g v ：管道进口流量，m 3 s g ，：管道初始进1 ：2 1 流量，m 3 s q v 2 ：变频调速后管道进口流量，m 3 s 咖：流量增量吼= 缈g ，m 3 s p ：流体密度，k g m 3 旯：黏弹性流体的松弛时间，s 卵：黏弹性流体的黏度，p a s ， 占：流体材料参数，无因次 ：流体材料参数，无因次 仉：黏度比，无因次 矿：纯弹性流体时间常数，s r ：纯弹性流体黏度，p a s n ：纯弹性流体的幂律指数，无因次 i i 第1 章绪论 第1 章绪论 流量控制是实现过程工业正常生产和生产过程自动控制的重要操作之一， 传统过程工业的流量控制一般采用调节阀，通过控制调节阀门的阀瓣开启高度 实现过程流量的精确控制。其控制过程为：水泵在固定转速的电动机驱动下运 行，系统将检测到的过程装备流量( 或压力) 反馈信号直接送入控制器，控制器通 过比较输入和输出流量( 或压力) 信号，产生控制信号并作用至调节阀机构，从而 改变阀瓣开启高度和开启速度，最终达到改变和控制系统流量与水击压力。这 种通过调节阀门开启高度达到流量控制的机构称为阀控动力机构，在流量控制 过程中，当需要大的流量时，水泵工作在额定条件下，效率最高；当需要的流 量较小时，系统只能通过调整阀门开度来使出口流量减小，从而达到控制流量 的目的，但此时水泵却仍然在固定转速的电机带动下工作，泵的能量输出比实 际系统需要多很多，多余能量只能白白耗在阀门和管路系统上，主要表现为水 击和热量损耗，这给工业管道系统带来极大的安全隐患【1 1 。 “水击 是由于压力管道的阀门突然关闭或开启时，或者水泵突然停止或 启动时，因瞬时流速发生急剧变化，引起液体动量迅速改变，因管内液体的惯 性作用引起管内压力的突然大幅度上升或下降所造成对管道和过程装备的冲击 现象1 2 j 。冲击现象产生的问题足以造成系统性能或结构上的破坏等严重后剿3 一。 目前现有国内外水击理论的研究均基于阀控动力机构所致的水击现象( 以下 简称“阀致水击现象或“阀致水击 ) 这种工程背景，研究的流体介质主要属 简单的牛顿流体，及其气液混合流体。随着过程工业流体输送向着大型化、连 续化、复杂化及输送介质多样化和节省能源的方向发展，以及化工过程工业输 送介质趋向于更加复杂的高度非线性的非牛顿纯黏性和黏弹性流体介质【5 l ，因 此，相对传统的简单牛顿流体介质所造成的水击现象就不再适用现在的非牛顿 流体的研究。与此同时，传统过程工业基于阀控动力机构的流量控制属于大功 率系统，能源消耗较大，这一传统过程工业的高能耗流量控制方法也日益受到 高效、节能流量控制技术的挑战，即变频调速技术 6 - 8 1 。 变频调速流量控制技术的运用可以使得过程装备系统能够保证高效率运行 前提下节约能源，这一高效节能的先进流量控制技术在现代过程工业日益受到 广泛应用。然而，实际生产表明变频调速流量控制过程同样会产生水击现象， 第1 章绪论 常常会导致过程装备破坏事故的发生，严重的将会影响到过程装备系统安全运 行，如何采取有效的措施，来预防变频调速所致水击现象的发生，是确保过程 装备安全可靠运行的理论前提。 1 1 变频调速在工业中的应用现状 传统过程工业流量控制是通过控制调节阀阀瓣开启高度的方法来对管道中 的流量进行控制。在我国，由传统过程工业的阀致水击现象各地均有发生p 1 1 j ， 如“大庆一秦皇岛输油管道 采用密闭输油工艺，曾发生过严重水击事故，造 成原油大量泄漏。不仅影响到油厂的正常生产，而且对泄漏地的生态环境造成 了极其严重的破坏。哈尔滨市某工厂蒸汽锅炉在并联运行期间突然发生水击， 供热系统因水击而产生的增压波和减压波交替作用所造成的危害十分严重。湖 南华能岳阳电厂高、低压给水系统多次发生水击现象，造成多次停机，给电厂 带来巨大经济损失。水击事故造成的后果轻则水管破裂，设备损坏，重则酿成 人员伤亡等重大灾害。图1 1 所示为电动调节阀产品图。 图1 i电动调节阀产品图 由此可见，使用调节阀来控制流量，不仅能量损失相当大、效率低下、而 且给生产所带来安全隐患是不容忽视的。我国是能耗大国，能源利用率很低， 能源储备不足，国家正在倡导节能减排，故采用调节阀来对流量进行控制，就 越来越难适应国家提出的高效节能、安全生产的要求，而另外一种新型的节能 2 第1 章绪论 传动技术就可以很好的解决这个问题，这就是变频调速技术的使用，变频调速 技术是通过改变水泵的转速达到控制流量的目的【1 2 】，图1 2 为变频水泵产品图。 图1 2 变频水泵产品图 变频调速技术的应用已相当广泛，该技术通过改变供电电源的频率实现对 执行机构的速度调节，使电机始终处在高效率的工作状态，是一种全新、高效 节能的先进过程流量控制技术，可以解决调节阀流量控制系统能耗大的问题 1 3 , 1 4 1 。变频调速技术的应用不仅节约能源，还使电机启动变为软启动，减小了对 电网的冲击；使系统的设备设施处于最佳工况，进而提高了系统的工作效率， 延长了设施、设备的使用寿命，增加了设施、设备的机械运转能力，节约了 定的设备维修经费；采用变频调速技术后，由于水泵出口阀全开，消除了阀门 因节流而产生的噪音，改善了工人的工作环境；同时，变频调速过程中最理想 的调速方案可根据工艺要求自动调节，其控制精度高，能保证生产工艺稳定， 提高了产品的质量和产量；并且变频调速具有十分灵敏的数字显示功能，故提 高了电机水泵运行的可靠性。综上所述，变频调速技术用于流量控制系统，具 有调速性能好、节能效果显著、运行工艺安全可靠等优点。 变频调速技术是一项利国利民、有广泛应用前景的高新技术，推广使用这 种集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高科技节能技术，对于提高 劳动生产率、降低能耗具有重大的现实意义。国家科委也十分重视这一技术的 推广工作，早在1 9 9 5 年就将其列入国家级重点推广的科技成果项目。在大力提 倡低碳经济的今天，各个国家都关心能源问题，这也使得变频的节能应用大为 3 第1 章绪论 普及，并推动了变频调速技术的发展。随着工业的发展以及相关自动化产品越 来越丰富，变频调速技术在节能应用、工艺控制等方面扮演着越来越重要的角 色，变频调速技术的使用，给实现生产自动化带来了许多方便和好处。可以说， 只要有三相交流异步电动机传动的地方都可使用变频调速技术。 变频调速一般是针对交流供电系统和交流用电设备来说的，通过改变交流 电源频率来改变电动转速从而达到调速的目的。变频调速方法有交流交流直接 变频以及交流直流交流变频两种。 1 2 变频调速所致水击的分析意义 在实际过程装备流体输送中，化工过程工业输送介质不仅仅局限于简单的 牛顿流体，而是趋向于越来越复杂的非牛顿流体，对非牛顿流体采用变频调速 技术来进行流量控制，虽然有着调速性能好、节能效果显著、运行工艺安全可 靠等优点，但仍然存在水击现象。而在过程工业中，管道与过程装备密闭输送 的关键之一就是要解决“水击 问题。 随着过程工业流体输送向着大型化、连续化、复杂化及输送介质多样化的 方向发展，输送过程变得日益复杂，这使得水击产生的机理也变得极为复杂， 目前国内外开展了相关水击理论研究均是基于传统的阀致水击【l 孓18 1 ，虽取得一 定的进展，但相关理论尚未成熟，机理至今尚未完全弄清。如何准确预测复杂 过程工业的管道与过程装备密闭输送系统的水击压力，以及水击压力精确控制 仍是过程工业中的一项技术挑战。为此探索复杂过程工业系统的水击现象的物 理过程和机理，依次提出其水击压力理论预测方法和水击压力精确控制的先进 智能控制策略对于确保过程装备系统的安全运行具有十分重要的理论研究价值 和工程应用价值。 对于传统的“阀致水击 研究，根本不能适用于变频调速流量控制所致过 程装备流体输送系统的水击现象( 以下简称“变频调速所致水击现象 或“变频 调速所致水击”) 。图1 3 所示为变频器取代调节阀示意图。为切实解决化工生产 过程中复杂流体存在的变频调速所致水击现象，本文从另外角度出发，考虑系 统的过程条件、流体的流变性能参数和装备构型等因素对水击产生过程的影响， 分析变频调速所致水击现象的产生机理，并提出有效的水击压力控制方案。 4 第1 章绪论 电动调节阀参与控制的回路变频水泵参与控制的回路 流 r 固一 6 泵 一倒 量 ： |l 调 节 压 r 固。：- - 0 固一 力 调 6 泵啮 节 注：v s d 代表变频器( v a r i a b l es p e e dd e v i c e ) 图1 3 用变频器取代调节阀示意图 “f 由于上述本质区别，使得现有的国内外的有关水击理论和水击压力控制方 法不能适用于变频调速所致水击的压力设计和控制，由此可见，变频调速所致 水击的产生机理及其水击压力控制策略的研究显得非常迫切。但迄今为止，尚 无有关变频调速所致水击现象产生机理的理论及其水击压力控制策略研究的文 献报道。为此，本研究将以数值模拟为主要手段，从流体性质、流变性能参数、 过程参数以及过程装备构型等多方面着手，对水击现象进行定量的分析研究。 以揭示变频调速所致水击现象的产生机理，并建立合理有效的变频调速所致水 击现象产生过程多因素的机理模型和数值算法，提出变频调速流量控制所致过 程装备流体输送系统和水击压力控制优化设计理论和原则。本文的变频调速所 致水击现象是基于工业输送介质多样化的前提下，以及在全三维高度非线性、 非稳态、非牛顿纯黏性和黏弹性流体流动的条件下，提出的机理模型。 综上所述，目前国际上缺乏变频调速所致水击现象的产生机理及其水击压 力先进智能控制控制策略的研究成果报道，面对变频调速这一先进高效的控制 技术巨大发展潜力与其系统水击压力产生机理、水击压力控制方法与控制理论 研究的严重缺乏这一突出问题，本文研究变频调速所致水击现象的产生机理及 5 第1 章绪论 其水击压力先进智能控制控制策略的内容，可使我国在变频调速所致水击现象 的产生机理及其水击压力先进智能控制策略研究领域占有一席之地，这正是我 们立题的出发点。 1 3 水击研究现状 国内外水击的理论研究，多是基于阀致水击这种工程背景【2 2 ，2 3 1 ，其研究的流 体介质主要属简单的牛顿流体，及其气液混合流体【2 4 , 2 5 】。早在十九世纪，俄国学 者茹科夫斯基【2 6 l ( n i e o l a ij o u k o w s k y ) 首次提出压力上升与流速变化、波速、流体 密度有关，并推导了波速和压力跃升的方程；1 9 0 2 年意大利学者阿列维( l o r e a z o a l l i e v i ) 1 2 7 数学计算方法建立了不稳定流动的基本微分方程，奠定了水击分析 的理论基础。1 9 1 3 年阿列维【2 8 】创造了图解法，并成为这一领域其后5 0 年研究的 基础。但数学计算方法、图解法只能求解一些比较简单的水击问题，对于一些 复杂的水击问题由于受到当时计算手段的限制，对如何精确求解出水击问题是 一件非常困难的事情。直到2 0 世纪6 0 年代，随着计算机技术的飞速发展，一些 复杂的水击计算问题也迎刃而解，研究人员借助软件( 女h m a t l a b 、f l o t r a n 、 n a s t r a n 、f l u s t r i n 等) 编程计算，不仅可以计算出阿维列方程，求解微分方 程等问题；并且具有计算结果准确、计算过程快捷、方便等优点，因此利用计 算机来进行复杂条件下的水击模拟研究，越来越受到研究人员的重视【2 ”2 1 。 1 3 1 水击研究的分析方法 概括起来，水击研究的分析方法主要经历了算术法、图解法、简易计算法、 代数法和数值计算法五个过程。 算术法又称解析法，他是利用阿列维联锁方程式进行逐段计算，此法适用 于压力波为全反射且不考虑摩阻损失的简单管路情况。1 9 3 0 年以前，大多是采 用解析法【2 8 】进行计算，解析法只能针对简化的基本方程组求解【3 3 】。解析法的优 点在于形象、直观，可以直接写出瞬变过程解的表达式，缺点就是误差比较大。 图解法是由阿列维首先提出，最终由施奈德贝格隆【3 4 l ( s c h n y d e r - b e r g e r o n ) 完善并确定下来。图解法是将不考虑管道摩阻损失情况下的水击基本方程变换 为对管道内两点的两个代数方程( 共轭方程) ，经作图进行计算，其过程比较复杂、 繁琐。上世纪三十年代到六十年代初，该法是解决瞬变问题的重要方法。图解 法的优点是能够解决大量复杂问题，如分叉、串联管问题，能简便直观地表示 6 第1 章绪论 出水击进展的全过程。缺点是计算精度不高，并且很费时，对于复杂管网中许 多可以用数学方法进行模拟的边界条件，常常需要引进简化假设。目前，较复 杂和精度要求高的水击计算已经很少使用。 简易计算法是利用精确方法事先算出大量结果，绘制成各种可以直接查阅 的图表供生产上使用。如水泵全性能曲线图、停泵水击计算曲线图等 3 5 , 3 6 。该法 简单易学，能够很快直接求出所需要的数据，但误差较大，一般只适用于简单 管道、小型工程和重要工程在可行性研究阶段的水击初步估算。 代数法的基本方程仍基于特征线方程，只是在标号上有所不同，显著特征 是时间成为一个标号，可以在同一时间增量下计算多个管段瞬变参量；在时间 上最先几步很容易解出，提供了瞬变流综合的基础。具有跨段计算无需计算相 交截面处的瞬变、无需计算内截面而使计算比较经济、时步很小可以保持较详 细的边界条件、可以逆时间计算等优点。代数法【3 7 】在求解复杂管网( 系) 瞬态水力 问题，具有概念清楚、计算经济的特点，只要索引得当，可以处理具有任何边 界条件的复杂管网系统，故特别适用于管系和管网的瞬变计算。其缺点是：多 管段时摩擦相计算不精确，摩擦相第二项中的二阶精度不便计算，需要调整波 速以便每根管子具有整数管段。 数值计算法口s 】是在2 0 世纪6 0 年代后随着计算机的普及和计算方法的发展 而出现的。数值计算法实际上是利用计算机模拟计算代替实际的物理模型试验， 将计算结果采用清晰、明了的图形显示出来，使得对问题的分析研究更加方便、 直观。 目前，数值计算法主要包括隐式法、特征线法、l w 两步格式法、有限元 法等几种【3 2 1 。 隐式法是一种有限差分法，特别适用于惯性力和槽容或流容效应比起来并 不重要的场合，像天然渠道或长距离明渠( 包括无压隧道) 输水系统的非恒定流。 隐式法的主要优点是能够采用较长的时间步长，并能保证计算结果的精度和稳 定性，这就相应地减少了计算次数，但不足之处在于当分析的管道系统较大时， 由于每一步要求解大型的非线性方程组，因此需要较多的计算机内存和花费较 长的计算时间。 特征线法是将考虑管路摩阻的水击偏微分方程，沿其特征线，变换为常微 分方程，然后近似地变换成差分方程，再进行数值计算。特征线法具有许多优 点：稳定性准则可以建立；边界条件很容易编成程序；较小项可以保留；可以 7 第1 章绪论 处理非常复杂的系统，各种管道水力瞬变分析，包括气液两相瞬变流：在所有 有限差分法中具有最好的精度；是一个很详尽的方法，可以印出全部表格化结 果。目前，特征线法是求解管路系统水力瞬变最常用的数值计算方法。 l w 两步格式法适合于变波速的激波问题，在气液两相瞬变流过程中，由 于边界条件突然改变，使压缩波波形因瞬态压力急剧增加而变得陡峻，这种变 陡的压力波称为激波。在瞬态气液两相流中，激波的形成与压力、空隙比及压 缩波的初始波形等因素有关。该法弥补了特征线法的不足，具有便于模拟激波 的传播、反射等优点，并且引入虚拟摩阻项的方法，可较好地处理激波问题。 但当管内压力下降到接近蒸汽气压时，该法的计算结果会有某些震荡。 有限元法己经广泛地使用在许多流体流动问题中，其对管系的缓慢瞬变流 求解精度相当高，且计算时间短，其缺点是对于压力变化急剧的瞬变流，计算 结果容易发散。即便如此，这种方法仍有很大的应用前景，因为对于处理具有 不同特性的变尺寸元件，他具有很大的灵活性。本文采用了有限元数值模拟来 分析变频调速所致水击，借助p o l y f l o w 软件在计算流体动力学的使用，在变 频调速所致水击过程中，建立了稳态有限元数值离散模型【4 3 1 。 水击问题在我国的水电、水力和石油化工等方面早有研究【4 4 , 4 5 】，并且取得了 一些成果，清华大学的王树人【2 】早在8 0 年左右采用b a s i c 电算法对水击进行计 算，国防科学技术大学的程谋森、刘昆h 6 对于水击问题有过深入的研究，且处 于较为领先的位置，还有倪勤武、张为华【4 7 】也做过类似的工作，哈尔滨工业大 学的苏尔皇【4 8 】对管路的动态特性和液流的数值进行了详细的计算和分析。 上述主要对水击研究的分析方法作了简单介绍，还有许多学者在水击的成 因、水击的分类、水击的预防上进行了大量的工作，取得不少研究成果，为该 领域的研究奠定了基础，也为今后的水击研究机构提供了有益的参考【4 9 。5 3 】。以 下就针对水击成因、水击分类和水击预防进行概述。 1 3 2 水击的成因及分类 在有压管道中，由于某种外界原因( 如阀门突然关闭、水泵机组突然停车等) 使得流体的流速突然发生变化，从而在管道中产生一系列急骤的压力交替变化 的水力撞击现象，这种水力现象称为水击或水锤】。 发生阀致水击的物理原因主要是液体具有惯性和压缩性，液体惯性企图维 持原有的运动状态，由于阀门突然关闭会导致液体压缩，从而使得压力发生急 8 第1 章绪论 剧变化弹j 。从能量方面考虑，水击现象实际上是流体在短时间里的一种能量转 换；在流体突然减速的情况下，流体所具有的动能转化为流体被压缩时所具有 的弹性势能。一般来说，管道发生阀致水击的直接原因大体有：阀门的瞬间关 闭，开泵和停泵，机组负荷变化或运行不稳定，机组因动力原因而自行停机， 调节输送量或改变运行参数，空气进入泵或管道，安全阀门开启和关闭等【5 5 】。 水击产生与许多因素有关，从不同角度进行划分，可将水击大体归纳为以 下几种。 根据水击发生的程度可以简单地将水击分为一般性水击和破坏性水击。 根据关阀历时和水击相位的关系，水击分为直接水击和间接水击冈。 根据外部成因，水击可分为启动水击、关阀水击和停泵水击三种。 。 根据分析理论，水击分为刚性水击和弹性水击。 根据水击波动的现象，水击分为水柱连续水击和伴有水柱分离水击。 根据流量控制设备不同，水击可分为阀致水击和变频调速所致水击。 誊 1 3 3 水击的预防 水击发生具有非常大的破坏性，因此水击的预防措施是防止水击危害的有 力手段。国外的研究机构对水击的产生及如何预防水击的研究起步较早，对水 击的预防措施有深入的分析和研究【5 7 。6 1 】。如美国密歇根州