（模式识别与智能系统专业论文）长距离多起伏输水管道水锤防护研究.pdf

摘要 随着城市建设的快速发展和人民生活水平的日益提高，长距离大型输水工程越来越 多，随之而来的工程爆管问题引起越来越多工程人员的注意。长距离有压输水管道中易 发生水柱分离与断流弥合水锤，并造成严重的水锤危害。因此，长距离多起伏输水管道 系统水锤防护问题，作为输水管道安全运行的重要课题之一，是很有必要进行深入研究 的。 在长距离输水管线中，尤以多起伏管道水锤防护难度最大，发生水锤事故最多。实 际工程更需要这方面的技术，根据输水系统的实际特点，设计合理、有效、经济的水锤 防护措施，本研究专为此进行了探索。 l 、本文在前人研究的基础上，阐述了水锤数值计算理论方法，并给出水泵不同工 况的边界条件，以及长距离输水管道中常用的水锤防护措施的边界条件； 2 、文中对常用的水锤防护措施的结构原理、性能特点及选择的技术要点进行了说 明，并提出了选择水锤防护措施时应注意的问题。 3 、根据水锤计算中常用的特征线法，结合各类边界条件建立了水锤计算的基本数 学模型，应用计算机语言编制水锤防护计算的可视化程序，利用计算机进行模拟计算。 4 、本文最后，分别以阜新供水工程、大连化工和吉林工业园三条长距离多起伏输 水管线为例进行了水锤防护模拟计算。根据水锤计算结果，对各种断流水锤防护措施进 行了比较，验证了不同水锤防护措施在水锤防护过程中的不同效果。提出了多起伏的长 距离输水工程中断流弥合水锤的最佳综合防护措施，如在水泵出口处安装缓闭止回阀； 结合正常排气要求在管线上安装具有恒速缓冲功能的排气阀，预防含气型断流弥合水 锤。望对于类似工程的水锤防护具有参考价值和借鉴意义。 关键词：多起伏输水管道；断流弥合水锤；水锤防护 a b s t r a c t w i t hq u i c kd e v e l o p m e n to fc i t yc o n s t r u c t i o n sa n dt h eg r e a t l yi m p r o v e m e n to fp e o p l e s l i v i n gl e v e l ，m o r ea n dm o r el a r g el o n gd i s t a n c ew a t e rt r a n s f e rp r o je c t sa p p e a r , t h ep r o b l e mo f p r o j e c tt u b ee x p l o s i o na t t r a c t sm o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n w a t e rh a m m e ro fc a v i t i e s c o l l a p s i n gw i t hw a t e rc o l u m ns e p a r a t i o ne a s i l yo c c u r si nl o n gd i s t a n c ep r e s s u r ew a t e r t r a n s m i s s i o np i p e l i n es y s t e m ，a n dl e a d i n gt os e r i o u sh a r mc a u s e db yw a t e rh a m m e r t h e r e f o r e ， t h ew a t e rh a m m e rp r o t e c t i o nr e s e a r c ho fl o n gd i s t a n c ew a t e rt r a n s m i s s i o np i p e l i n ew i m m u l t i f l u c t u a t i o ni so n eo fi m p o r t a n tp r o b l e mi ns a f eo p e r a t i o no fp i p e l i n e s ，i ti sn e c e s s a r yt o h a v eaf u r t h e rd i s c u s so nt h i sp r o b l e m i nl o n gp i p el i n e ，e s p e c i a l l ym u l t i u n d u l a t ep i p e l i n e ，t h ed i f f i c u l t yo fp r e v e n t i o nw a t e r h a m m e ri sm o s td i f f i c u l t t h ea c t u a lp r o j e c tn e e d st h i s a s p e c to ft h et e c h n o l o g ye a g e r , a c c o r d i n gt oa c t u a l c h a r a c t e r i s t i co fp u m p i n gs y s t e m ，t h er e a s o n a b l e ，e f f e c t i v e l ya n d e c o n o m i cm e a s u r eo fp r e v e n t i n gw a t e rh a m m e ri sd e s i g n e d a n dt h i sw a ss t u d i e di n t h i s a r t i c l e i 、o nt h eb a s i so fs o m e t h i n gs t u d i e df r o mt h ef o r e f a t h e r s ，t h e o r yo fn u m e r i c a l c a l c u l a t i o no fw a t e rh a m m e ri ss h o w n ，b o u n d a r yc o n d i t i o n so fw a t e rp u m pu n d e rd i f f e r e n t w o r kc o n d i t i o n sa n dc o m m o nw a t e rh a m m e r p r o t e c t i v em e a s u r e sa r eg i v e n 2 、i nt h ep a p e r , t h ee m p h a s i so fw a t e rh a m m e rp r o t e c t i o ni sw a t e rh a m m e ro fc a v i t i e s c o l l a p s i n g i nl o n gd i s t a n c ew a t e rt r a n s m i s s i o n p i p e l i n em u l t i f l u c t u a t i o n i s p r o p o s e d s t r u c t u r ep r i n c i p l e ，p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i ca n dt e c h n i q u ee s s e n t i a l so fc o m m o np r o t e c t i v e m e a s u r e sf o rw a t e rh a m m e ri si n t r o d u c e d ，a n dp o i n t so u ts o m ei t e m sr e q u i r i n ga t t e n t i o nw h e n c h o o s ep r o t e c t i n gm e a s u r e sf o rw a t e rh a m m e r 3 、a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i cm e t h o di nt h eh y d r a u l i ct r a n s i e n t s ，b u i l d i n gu pt h ew a t e r h a m m e rc a l c u l a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e lc o m b i n e dw i t ha l lk i n d so fb o u n d a r yc o n d i t i o n s ， w r o t et h ev i s u a lp r o g r a mo fw a t e rh a m m e rc a l c u l a t i o nw i t ht h ec o m p u t e rl a n g u a g e ，m a d eu s e o ft h ec o m p u t e rt oc a l t yo ns i m u l m i o nc a l c u l a t i o n 4 、f i n a l l y , t a k ef u x i nw a t e rs u p p l ye n g i n e e r i n g ，d a l i a nc h e m i c a li n d u s t r ya n dj i l i n i n d u s t r i a lp a r ko fw a t e rh a m m e ro ft h ep i p e l i n e sa st h ee x a m p l e ，s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no f w a t e rh a m m e rp r o t e c t i o n b a s e do nt h er e s u l to fc a l c u l a t i o n , v a r i o u sp r o t e c t i v em e a s u r e so f w a t e rh a m m e ro fc a v i t i e sc o l l a p s i n gi sc o m p a r e d 、析t h d i f f e r e n tw a t e rh a m m e rp r o t e c t i v e m e a s u r e sh a v ed i f f e r e n te f f e c t si sv e r i f i e d t h eb e s tp r o t e c t i v em e a s u r e so fw a t e rh a m m e ro f c a v i t i e sc o l l a p s i n gs u c ha s ，s l o wc l o s u r ec h e c kv a l v e sa r ei n s t a l l e do u t l e to fw a t e rp u m p ； e x h a u s tv a l v e so ft h es t e a d ys p e e da n dc u s h i o n i n ga r es e to nt h ep i p e ，p r e v e n t i o nw a t e r h a m m e ro fc a v i t i e sc o l l a p s i n gw i t hf r e eg a s i ti sav a l u a b l er e f e r e n c et op r o t e c tw a t e r h a m m e rf o rs i m i l a re n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：w a t e rt r a n s m i s s i o np i p e l i n e 、析廿lm u l t i - f l u c t u a t i o n ；w a t e rh a m m e ro f c a v i t i e sc o l l a p s i n g ；w a t e rh a m m e r p r o t e c t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：兰蒙诠 明年r 月；f 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：兰嘿逊 口7 年主- , q3 1e l 导师签名： o7 年f 月3 l e t 长安人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 水锤现象概述 1 1 1 水锤的基本概念及分类 ( 1 ) 水锤的基本概念 在压力管路中由于流速的剧烈变化引起动量转换，从而在管路中引起一系列急骤地 压力交替升降的水力撞击现象，称为水锤现象。这时，液体( 水) 显示出它的惯性和可 压缩性。 水锤也称水击，或称流体( 水力) 瞬变( 暂态) 过程，它是流体的一种非恒定( 非 稳定) 流动，即液体运动中所有空间点处的一切运动要素( 流速、加速度、动水压强、 切应力与密度等) 不仅随空间位置而变，而且随时间而变。 现在，国内外普遍将管路系统所发生的多种多样的水锤现象，称为“泵站管路系统 水力过渡过程 ，这一名词不仅覆盖了所有水锤现象，而且科学地概括了在泵站管路系 统当中，从某一稳定状态过渡到另一稳定状态的过程中所发生的非稳定的一切【1 1 。 ( 2 ) 水锤的分类 从不同的角度划分，水锤可分为以下四类： 1 按关阀历时不与水锤相的关系，分为直接水锤和间接水锤； 2 按水锤成因的外部条件，可分为启动水锤、关阀水锤和停泵水锤三种； 3 按水锤水力特性，分为刚性水柱( 锤) 理论和弹性水柱( 锤) 理论； 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) 【1 1 。 1 1 2 水锤的危害 水锤现象的延续时间虽然短暂，但它会造成严重的工程事故。如果在水锤过程 水力过渡过程中，在管路中发生水柱分离( 现在最新的说法称为大空腔现象一一 m a c r o c a v i 仉盯i o n ) 和断流空腔再弥合水锤，则其破坏力更为严重。 水锤成灾的实例是多种多样的。例如，水电站水轮机甩负荷时，为限制转速上升而 关闭水轮机导叶，这时压力水管内就产生压力上升；如果关闭导叶时，操作失误，则水 锤成灾，国外就曾发生过由于水锤危害致使整个水电站被冲毁。 在安装有离心泵的水泵站中，因突然事故断电或其他原因而突然( 开阀) 停泵时， 则在压水管内首先产生压力下降；随后视流速大小及管路系统情况而产生程度不同的压 第一章绪论 力上升，即停泵水锤，严重时将造成灾害。 泵站中发生水锤事故的现象是较为普遍的，其中以地形复杂、高差起伏较大的我国 西北、西南地区，尤为突出。根据以前各地区2 0 0 次以上有记录的水锤事故调查可看出： 泵站中多数水锤事故的结果是轻则水管爆裂，止回阀的上盖顶或壳体被打坏大量漏水， 造成暂时供水中断事故；重则酿成泵站被淹毁，泵船沉没等严重事故。个别的，还因泵 站水锤事故，造成冲坏铁路路基、损坏设备、伤及操作人员造成人身伤亡等次生灾害。 在农田灌溉泵站中，常常是扬程高、流量及功率较大，故其水锤危害及影响毫不亚 于给水工程系统，人们还特别将泵站水锤危害列为泵站三害( 即水锤、泥沙、噪声) 之 首【1 1 。 在火电厂循环水系统中，因停泵水锤引起的最低、最高压力、最大倒流量及机组最 大反转数等最不利参数，乃是系统设计的主要依据；不合理的设计往往导致浪费，或使 设备及管路等遭到破坏。近年来，现场测试证明，循环水系统中因水柱分离而引起的断 流空腔再弥合水锤现象是相当严重的；特别是近来因采用了轻型的立式泵、较长的管道 和更大的虹吸高度，就更易于发生断流空腔再弥合水锤【l 】。 1 2 国内外水锤防护研究综述和发展动态 1 2 1 国内研究综述 国内对水锤的研究起步较晚，始于2 0 世纪6 0 年代，但这一时期专著较少；8 0 年代 开始，有关水锤的专著才逐渐问世。 瞬变流( 用甜耐t r a n s i e n t s ) 2 1 f g l 实用水力过渡 过程( a p p l i e dh y d r a u l i ct r a n s i e n t s ) 【3 1 两本书中译版的出版，让科研人员开始更加关注 水锤，做了大量的实验，并提出了许多水锤防护的措施。 1 9 6 4 年，龙期泰等人在一系列短管水锤实验的基础上，提出了断流弥合水锤最高升 压值的计算方法，并且获得与实测值吻合较好的结果【4 】，但他们在剩余流速推导中所假 定的条件实际上难于满足，所以造成了当管长较短( 如1 1 1 米) 时计算结果均较实测值 为低的误差。 1 9 8 1 年，清华大学王树人等主编的水击理论与水击计算系统的阐述了水锤的基 本理论和方程式的推导，并给出了简单的电算程序【5 】。在第五届( 1 9 8 6 年) 学术会议上， 王树人和王学芳教授等将水电站调压塔的防水锤研究及旋启式止回阀水锤性能研究成 果公布于世，引起了国内外的高度重视。 原西北建筑工程学院金锥教授等在水柱分离方面进行了l o 多年的研究，建立了伴 有多处水柱分离的泵系统水力过渡过程及计算模型，总结了停泵水锤防护理论，将其电 2 长安大学硕士学位论文 算方法发扬光大，研究成果收于停泵水锤及其防护【1 】一书中。杨玉思经过多年苦心 研究，1 9 9 8 年成功研制出一款气缸式排气阀 6 1 ，真正解决了长距离输水管道的排气问题， 消除了管道中存气带来的启泵水锤和运行水锤的隐患，极大的改进了之前浮球式排气阀 的缺点；他认为城市管网爆管主要是因为管道排气不畅引发气爆，选择性能优良的排气 阀可以减少气爆水锤的发生【7 1 。 刘竹溪、刘光临等人将计算机技术用于泵站的水锤计算中，对水泵的全特性曲线及 单向调压塔进行了深入的研究，并发表多篇论文8 , 9 , 1 0 , 1 1 】，其专著泵站水锤及其防护 也是较早的水锤论著。 索丽生等 1 2 , 1 3 1 对水锤进行了理论研究，开展了多方面的水锤分析；在水电站压力引 水系统水力过渡过程研究方面做了大量工作，为调压塔在工程中的应用提供了理论基 础。 王学芳等人主要从事工业管道的水锤防护，涉及输油、电厂、核电等多个领域的水 力瞬变研究，并出版了工业管道中的水锤【1 4 】一书。 奕鸿儒等人在泵站水锤的试验和计算方面做了大量的工作，发表的论文对国内常用 的两阶段关闭蝶阀、逆止阀和微阻缓闭止回阀等在工程中的正确应用起到了指导作用， 在系统总结前人成果基础上，对进一步进行瞬变流的研究起到了积极的作用。液控缓闭 蝶阀【1 5 】是我国科技人员8 0 年代开发的一种新型水锤防护设备，通过调节阀门的关闭时 间和角度( 可分为快关和慢关) ，来有效预防水锤的发生。 近年来，国内学者对有压输水管道系统伴有空穴流、液柱分离两相瞬变流现象的研 究也取得了较大进展，于必录等对有压输水管道系统发生液柱分离现象进行理论研 究；蒋劲等提出了用矢通量分解法求解气液两相瞬变流的方法【1 7 1 ；杨开林等对输水管道 气泡动力特性进行了研究f 1 8 】；郑源等人对于管道负压条件下的气体释放进行了深入研究 【1 9 】；孙兰风对于管道中采用空气阀消除断流弥合水锤进行了数值模拟口0 1 ；金锥2 1 , 2 2 , 2 3 1 、 杨玉思f 2 4 ，2 5 ，2 6 ，2 7 1 等人对断流水锤的实验研究、数值模拟以及气液两相流都有较深入的研 究。 近年来由于大型输水工程的增多，管道的安全运行问题日益引起人们关注，从事这 方面研究的学者也逐渐增多。水锤的理论研究及实际工程的防护都取得了一定的进展， 甚至个别领域已达世界先进水平。随着科技的进一步发展，水锤的研究也将更加深入和 完善。 第一章绪论 1 2 2 国外研究综述 国外对水锤的研究历史可追溯到1 9 世纪。1 8 5 8 年，意大利工程师门那布勒( m e n a b r e a ) 在发表的文章中，利用能量原理，考虑了管壁和流体的弹性，导出了波速公式，说明了 水锤的基本理论，奠定了弹性水锤的理论基础 2 8 , 2 9 1 。同一时期，美国、俄国和意大利的 学者分别发表了比较全面系统的水锤理论的著作。1 8 9 8 年，美国工程师弗里泽尔( f r i z e l l ) 在美国土木工程师协会会报上发表了论文“管道中流速变化所产生的压力”。文中导出 了水锤波速和由于流速突然变化所产生的水锤压力的公式，还讨论了分岔管、波的反射 以及连续波对速度的影响等问题1 3 0 1 。 1 8 9 7 年，苏联的著名水力学专家儒科夫斯基( j o u k o w s k i ) ，用不同的管道对水锤现象 做了大量的实验，建立了速度减小与压力升高的关系式，即著名的儒科夫斯基公式；虽 然只是解决了直接水锤问题，但同时，他还预测到某些停泵过程中出现了水柱中断，只 是限于当时条件，这方面的研究没有进行【3 。 意大利工程师阿列维( a l l i e v i ) 于- 1 9 0 2 年发表了关于水锤理论的论文，在理论分析的 基础上，解决了间接水锤的问题。他介绍了两个无因次参数，即a l l i e v i 常数和阀门关 闭特性，在计算公式中引进了迄今仍在使用的水锤常数。对于线性启闭规律条件下的阀 门端的水锤压力，他提供了一套图表，便于实际应用【3 2 】。 1 9 3 8 年a n g u s 提出了对于复杂管道和分贫管道的水锤压力和液柱分离计算1 3 3 1 。2 0 世纪四十年代，s t r o w g e r e b 和j a e g e r c 分别报道了两起由断流水锤所引起的破坏事故 【3 4 3 5 1 。从1 9 世纪初至2 0 世纪5 0 年代，伍德( w o o d ) 、洛威( l o w y ) 等人提出了图解法， s c h n y d e r 在分析连有离心泵的管道水锤压力中，计入了全水泵特性，第一个在图解分析 中计入阻力损失。伯格龙( b e r g e r o n ) 、帕马京( p a r m a k i a n ) 等对图解法做了全面系统的发 展。b e d u e a ，e a b u n t r i c h a r d s r t 以及d u c j 等人结合实际观测对断流弥合水锤产生 的原因、物理要素、可能造成的危害以及避免出现这种事故的预防措施等进行了分析和 讨论，为以后的研究积累了必要的资料1 3 6 , 3 7 , 3 8 , 3 9 。 2 0 世纪6 0 年代，断流弥合水锤的危害己充分引起科技界的重视，先后有十几位专 家著文发表自己的研究成果。美国流体力学专家斯特里特vl ( s t r e e t e r v l ) 教授连续发 表几篇论文t 4 0 , 4 1 1 ，讲述用特征线法进行水锤计算的问题。1 9 6 1 年，k e p h a r t j t 和d a v i s k 采用刚性水柱理论，假定管道膝部出现完全断流，得出水柱分离最大弥合升压为两倍分 离点处净扬程，加两倍撞击升压的较保守的结果【4 2 】；苏联水锤专家列夫莫斯宁发表了以 水柱分离和断流弥合水锤为主线的著名专著管路水锤防护指示，也对断流弥合水锤 4 长安大学硕上学位论文 的升压问题进行了讨论。1 9 6 7 年1 2 月，r a b a l t z e r 在一个紫铜管和一个加强有机玻璃 试验段组成的系统中进行了实验研究，他用一个快关电磁阀使水平试验段出现足够的断 流压降，在非断流区间采用有压管特征线方程求解，在断流区间，采用明渠非均匀流进 行计算，得到了在水柱弥合时产生较高升压的正确结果【4 3 1 。1 9 6 8 年r t b r o w n 结合两个 长管路水泵系统的计算与实测，提出断流弥合水锤分析必须考虑溶解于水中的气体效应 的观点，并指出含气情况可以对水锤过程有决定性作用，少量的进入空气将延长断裂， 从而形成较高的泵反转速和压水管中的水头升高1 4 4 1 。1 9 6 9 年h k m d i j k m a n 和 c b v e r u g d e n h i l 采用集中空穴模型研究长水平管路断流水锤的特性，他把水平管路中某 一处设想为气穴区，并且认为从水中释放气体的速度不取决于水的含气程度，而仅仅取 决于压差，得出纯蒸气穴升压最高的正确结论1 4 5 1 。 1 9 7 1 年5 月，m e w e y l e r 和vl s t r e t e r 等人，通过实验，进一步发现了在液柱分 离期间气体释放对瞬变过程的影响，他们认为气体释放的结果将使波速变慢，并是水锤 波迅速衰减的主要因素”6 1 。同年1 0 月，j e t h k d k w y 和k c k r a n e n b u r y 在总结前人研 究成果的基础上，结合自己在2 0 0 米聚氯乙烯管上所做的实验，提出了两种对断流水锤 瞬变过程处理的理论途径：一种主要是对波速的处理办法，即对压力降到饱和蒸气压前 采用正常波速，而当压力降到饱和蒸气压以后，采用变波速；一种是将液柱分离模型按 三个区，即无空穴区、空穴区及过渡区处理，并提出了各区相应的数学模型【4 7 1 。1 9 7 8 年怀利eb ( w y l i ee b ) 和斯特里特vl ( s t r e e t e rvl ) 合著f l u i dt r a n s i e n t 4 s 书，主要讨 论了瞬变流的发生、发展机理以及如何减少和防止由于瞬变流造成的不利影响，并给出 了用f o r t r a n 语言计算瞬变流的方法和程序以及控制瞬变流的工程措施，该书于1 9 8 3 年 由清华大学译成中文版瞬变流。1 9 7 9 年，加拿大的m h c h a u d h r y 博士发表专著 a p p l i e d h y d r a u l i ct r a n s i e n t s ，系统地介绍了水力过渡过程的基本原理、数学模型与工程 实用计算方法，也涉及压力管道中的水柱分离与共振等问题。日本秋元德三教授h 9 j 于 1 9 7 2 年出版了水击与压力脉动一书，1 9 8 1 年我国出版了其中文版。 w e y l e rs t r e e t e r 和k r a n e n b u r g 等人的研究，引起了以后水力瞬变过程的研究者们的 充分关注和重视，人们充分认识到，研究液柱分离的瞬变过程，必须考虑气体释放的影 响。从此，人们不再只是孤立的研究液柱分离，而是把它与低压状态下，尤其是在临界 状态下水中的微量气体的表现结合起来，使人们对这种复杂的暂态过程的认识更接近客 观实际。1 9 7 1 年以来的十几年，在液柱分离研究方面，人们主要是研究气体释放的物理 进程，主要影响因素以及描述这种过程的数学模型。 第一章绪论 1 9 7 8 年，国际水力研究协会( i a h r ) 专门成立了断流水锤研究组，2 0 0 0 年出版了名 为伴有水柱分离的水力过渡过程( h y d r a u l i ct r a n s i e n t sw i t hw a t e rc o l u m ns e p a r a t i o n ) 的综合报告书5 0 1 ，书中详细论述了该研究组近年来对断流水锤的研究成果。 近年来，计算机技术迅猛发展，管道水锤的计算机模拟也日趋完善，水锤防护技术 也将进入一个崭新的阶段。 1 2 3 发展动态 综合研究国内外的水锤研究发展现状可以得出，目前国内外水锤研究的动态主要集 中在以下三个方面： 1 对水锤理论的深入研究 随着科学技术的发展，科研人员关注的增加，水锤的理论研究也将更加深入，国内 外对于水锤的研究都有较大的进展。当前，由于城市管网及长距离输水工程中爆管现象 严重，诸多研究人员都将管网的水锤防护作为管网防爆管的技术核心，主要集中在断流 水锤的研究与防护上。 2 水锤防护设备的研发 水锤研究的另一新领域是对水锤防护设备的研发。近年来，水锤消除器、缓闭止回 阀、水锤吸纳器、超压泄压阀、液控蝶阀等等水锤防护设备层出不穷，虽然这些防护设 备都还存在着一些问题，但随着研究的进一步深入，以及与机械加工领域的进一步结合， 必将会有更加完善的产品问世。 3 水锤的计算机模拟 计算机的快速发展，使得水锤的计算机数值模拟成为水锤研究的新领域。早期的水 锤计算多采用图解法或数解法，从8 0 年代开始采用计算机模拟计算复杂的和精度要求 较高的水锤计算。目前，国外水锤软件主要以美国h u m m e r 软件为代表，国内尚未发现 相关软件问世，水锤计算软件的制作是众多水锤研究人员较难突破的课题之一。 目前国内计算机模拟主要集中在两个方面：一方面是计算的准确度，研究人员主要 通过推导更加准确的边界条件，使计算结果与真实值更加接近；另一方面是对水锤的动 态模拟，研究人员通过对计算机领域的深入研究，使水锤计算结果以动态的图表或其他 形式更加直观、方便的展现在人们面前，而不再是复杂的计算数据，省却了大量的数据 分析时间，同时可以更加直观、快捷的判断计算结果与真实现象的符合程度。 6 长安大学硕十学位论文 1 3 本课题的选题背景及研究意义 1 3 1 选题背景 水是人类以及一切生物赖以生存不可缺少的重要物质，也是工农生产、经济发展、 环境改善中不可替代的极为宝贵的自然资源。在现代化工业企业中，为了生产上的需要 以及改善劳动条件，水更是必不可少，缺水将会直接影响工业产值和国民经济发展的速 度。 我国处于东南亚季风气候区，从降水的年度分布来看，几乎1 3 - - 2 3 都集中在夏季， 在地理上主要集中在我国中东部和南部，时间和空间分布不均。水旱灾情最显著的特点 就是南方多洪涝，北方多干旱，在水资源的供需上存在矛盾。 由于人口的持续增长和经济的高速发展，工农业和人民生活用水将持续增加，使目 前存在的水资源供求矛盾更趋激化，主要表现在：一是供求总量更加不平衡，需水量增 长的速度超过可供水量的增长速度，供水状况趋于恶化；二是北方地区和沿海工业发达 地区等地域性水资源供求矛盾同趋恶化，将严重制约社会的发展；三是巨大的人口压力 对发展耕地灌溉事业提出更加紧迫的要求。而工业城市将是用水量增加的主要部门，城 市用水量骤增，将对农业灌溉用水构成严重的威胁，部门用水矛盾更加尖锐。到2 l 世 纪3 0 年代用水量实现零增长之前，全国用水总量将可能达到7 0 0 0 亿n 1 3 ，比目前需水 量要增加2 0 0 0 亿m 3 ，平均每年增加1 0 0 亿m 3 【5 l j 。 但是与之相对的却是供水管网的老化、水体污染等引起的供水量的严重不足。由于 人民的生产、生活和社会活动等原因对城市附近水源和河流的污染，地下水的存量不足 以满足人们的生产生活需要，为避免过度开采引起的地面沉降，使得人们不得不从距城 市较远的水源地去取水。调查显示，我国大部分城市和地区均处于缺水状态，有十五个 省人均用水量低于严重缺水线，其中天津、上海、北京、宁夏、河北、河南、山东、山 西、江苏、辽宁等十个省市区人均水量低于生存起码线。 水资源的缺乏已严重阻碍了些城市的发展。为解决这一问题，国家和地方相继投 入了大量的人力、物力，进行长距离引水工程的建设。如近年来天津引滦工程、大连引 碧工程、上海黄浦江上游引水工程、内蒙古引黄工程、引黄济青工程、引黄入晋工程、 西安黑河引水工程、南水北调工程等，还有众多为解决各城市生产生活用水而兴建的各 种长距离输水工程。在这类长距离输水工程中，最常见而又最突出的问题就是输水管线 的安全防护问题。一旦出现水锤，它会以迅雷不及掩耳之势破坏生产设备，淹没农田并 殃及周围人员，给生产部门带来重大损失，甚至很多工程因此而长期搁浅，运行调试工 7 第一章绪论 程一直无法完成。因此，输水管线的安全运行问题必须引起高度重视，长距离输水管线 的安全防护有着很重要的现实应用意义。 近年来我国长距离输水工程逐年增多，其中长距离多起伏的输水系统居多。长距离 多起伏管线的防护是水锤防护中较复杂的，其重点是防护断流弥合水锤。如何对长距离 多起伏的输水管线进行有效的水锤防护，免遭水锤破坏，是设计人员亟需解决的问题， 需要更深入的研究。因此，本文选择以长距离多起伏输水管线水锤防护作为研究方向， 探讨长距离多起伏输水管线的水锤防护问题。 1 3 2 研究意义 我国多丘陵地区，该处长距离输水工程中管线长、流量大，管中流速一般较大，沿 线地形起伏点多，多处小丘顶点标高有时比管末端出口水面标高还高。另外，近几年来 水泵机组转动惯量显著减小，因此，当发生停泵水锤时，整个泵系统中水压猛降，最低 水头包络线普遍低于输水干管轴线，从而导致多处发生水柱分离，随后极易产生具有破 坏性的断流空腔再弥合水锤。在这种复杂情况下，传统的、单一的水锤防护措施很难奏 效，必须同时采取多种停泵水锤防护措施，进行有重点的综合防护。本文主要研究长 距离多起伏输水管线的水锤防护问题，重点研究对断流弥合水锤的防护。 由于长距离输水管道负担全系统供水，且压力较高，所以它的安全运行问题始终被 用水部门和设计部门所重视。有关专家对水锤防护问题进行了不懈的研究，并取得了很 多成果和宝贵经验。但是研究的还不够深入，对气体在管道中运行规律以及管道排气的 重要意义认识不足，存在排气设备选型不当以及不能工f 确选择安全合理的水锤防护措施 问题。长距离多起伏输水管线水力瞬变有独特的特点，对长距离多起伏输水管线水力防 护的研究有助于以后类似工程的水锤防护设计。而国内在此方向目前的研究还仅限于对 长距离输水管线的水锤防护，并未考虑到因地形高差不同，长距离输水管线水锤现象有 所不同的特点。 在长距离多起伏输水工程水锤防护研究中，输水管线上所用到的水力设备的研究是 不可忽视的。尤其近年来各种新产品层出不穷，但产品在性能方面的系统论述却不常见。 因此，本文对长距离输水工程中所应用的水锤防护设备性能进行了探讨，并通过水锤计 算进行分析各类水锤防护措施的效果，望对类似工程的水锤防护提供借鉴意义。 8 长安大学硕士学位论文 第二章长距离输水管道水锤基本方程 2 1 水锤波速方程式 水锤波速口与液体的压缩性及管壁的弹性有关，皇旦反映水体的可压缩性，塑反映 关闭的弹性。可以从水锤动量方程并根据水的连续性及质量守恒定律导出： 口_一1i1o ) 2 括虑 仁1 ) - + 罢 一 k 水的体积弹性模量，n m 2 ； p 水的密度，n s 2 m 4 ； 公式( 2 1 ) 适用于一般的净化水，均不考虑水中含气的问题。当水中掺入空气后，其 体积弹性模量k 值将减小。当微小气泡均匀的分布于薄壁水管中时，口值可按式( 2 2 ) 计算【4 3 】： 7 一) 管一，+ ( 叁一t ) 等。一 g ke e 式中：y 水的容重，n m 3 ； 空气的容重，n m 3 ； 等空气的容积掺入率， 形混合液的体积，m 3 ； 形混合液中气泡的体积，m 3 ； k 水的体积弹性模量，n m 2 ； k 7 空气的体积弹性模量，n m 2 。 9 ( 2 2 ) 第二章长距离输水管道水锤基本方程 2 2 水锤计算基本微分方程 水锤基本微分方程式由水锤过程中的运动方程和连续方程两部分所组成。它是全面 表达有压管流中非恒定流动规律的数学表达式，是一维波动方程的一种形式。 按弹性水锤理论，可分两个方程式表示如下： 运动方程式为 一o h + 三鲨+ 一v a v + 一f 幽：o ( 2 3 ) 0 一x g0 一tg0 一xd 2 一g 、 式中：日管路水头，m ； 矿管内流速，“s ； 厂管路摩阻系数； d 管径； g 重力加速度； x 水锤波传播的距离； f 水锤波传播的时间。 连续方程式为 了o h + y r 罢- k s i n 口、l - k a 2i a v ：0 ( 2 4 ) al 苏 g 缸 、 式中：a 水锤波的传播速度，m s ； 口管路与水平面间夹角。 当流速比波速小的很多时 c + 面d x = al ( 2 ”1 ) = li 厶) j 衍l 、 塑一旦塑一afdt g d t 2 9 d 朴。 ( 2 1 6 ) ll i 、7 c 一 面d x 一口 l ( 2 一1i ) = 一口 li 厶j 衍 l 、 以卜就县管内流动暂杰的特征坌i ；：方程官们的煮义可利用图2 1 讲行说明。 i 勉 图2 1 特征线方程的意义 如图2 1 所示，缸表示出时段内水锤波以波速a 沿管路移动的距离，例如，在“时 刻，管路彳处传出一正水锤波+ 口，在“+ & 时移动了缸距离而到达尸点( 即对应+ 口线 上的p 点) ，同理在管路b 点传出一反向水锤波一a ，在f 0 + 血时移动了缸距离而到达尸 点( 即对应一a 线上的尸点) 。所以把斜率为口的直线分别称为正负水锤特征线。 a 和b 点代表地点x 和f 时刻己给定的两个点，它们的h 和y 是已知的。通过4 点 1 2 长安大学硕士学位论文 曲线相当于式( 2 1 5 ) ，沿着c + 曲线可以应用式( 2 1 4 ) ，通过b 点曲线相当于式( 2 1 7 ) ，沿 着c 一曲线可以应用式( 2 1 6 ) ，因此，联立式( 2 1 4 ) 和( 2 1 6 ) 解出的日和y 值，就是两条曲 线交汇点p 上的参数日p 和。 曲线c + 和c 一称为特征线，式( 2 1 4 ) 和( 2 1 6 ) 称为相容性方程，相容性方程的解就是 原始基本微分方程( 2 3 ) 和( 2 4 ) 的解。由于求解过程是沿着特征线c + 和c 一进行的，故只 能得到特征线交点上的参数值。 2 3 2 有限差分方程式 若再忽略相容性方程中相当次要的项，则有限差分方程式最终简化为： h p - 即云协一q a ) + 啬q 阱。 ( 2 1 8 ) h p - 即云协一绋) 一啬绋阱。 ( 2 1 9 ) 式中缸= 口f ，特征线为斜率固定不变的直线，利用有限差分方程进行运算的过程 可以用x f 坐标图中的矩形网格来描述。如图2 2 所示，将管路划分为个间距均为止 的步段，断面排列序号用f 表示，管路始端断面江1 ，终端断面f _ n + 1 ，计算时段应为 f ：垒。 b l 重 “+ 如 气2 尉 氏+ 枷 ，鲁 x 6 - 6 1iil1 叙 l 血叙l叙l 奈 4 r _ ，- p - - - 。l 。 |1 1 1 0l 2 34 56 图2 2 简化差分公式的矩形网格 为了用计算机有次序地计算全部网格节点上的参数，有限差分方程中的脚标彳、b 分别用序号脚标“f i 、f + 1 ”代替，脚标p 则用序号脚标“尸f ”代替。凡是代求的时段终 止参数均采用双重脚标，即用绋，和。代表时段终了参数，以与时段初始已知参数q 和 e 相区别。脚标变动后式( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 可改写为 1 3 第二章 长距离输水管道水锤基本方程 h e i - 绯t + 云嘞) + 啬叫叫= 。 叫) h e r - 一刍也) 一啬q ：f + i 酬= 。 ) 式中b 、r 计算常数。 b = i a ，r = 瓦f a 矛x ( 2 2 0 ) 鲥2 9 删2 g = h h + 曰q 一。一r o t l l q 一。i ( 2 2 1 ) = 凰+ 一b q , + 。+ r q , + 。i q + 。i ( 2 2 2 ) 将式( 2 2 0 ) 至( 2 2 2 ) 代入( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 得 c：h p i = c p b qp i ( 2 2 3 、) c一：h p i = c m + b qd i c 2 2 4 ) 或 h 厅：生导 ( 2 2 5 ) 纵= 等 从式( 2 2 0 ) 至式( 2 2 6 ) 便是适宜于编入计算机程序的相容性方程。 应当指出，特征线方程c + 和c 一的交点，只包括图2 2 中的矩形网格内的节点，两 端断面上的参数，还必须通过各个瞬时的边界条件才能确定。另外，为了防止水锤，在 管线上还要装设相应的水锤防护设备，在这些装设水锤防护设备的点上的参数，必须通 过官们的边界条件来确定。 1 4 k 安大学硕十学位论文 第三章长距离输水管道水锤计算边界条件方程 单一管路的两个端部结点，都只有一个相容性方程可以利用。对于上游端，只存在 特征线c 一，可利用的相容性方程式为( 2 2 4 ) 式；对于下游端，只存在特征线c + ，可 利用的相容性方程为( 2 2 3 ) 式。为要确定边界上的两个控制参数砟和绋值，对于某 些特殊边界点，还需要其它的边界条件方程。常见的边界条件方程有如下几种情况： ( 1 ) 边界上的h e 或绋是独立于管路系统的控制参数，如管路上、下游为水位恒定 的水池时，边界结点的缉是固定常数，相容性方程可用来求解绋。 ( 2 ) 边界上的t - , 和q 之间存在着一定的函数关系，如边界上有正常运转中的水泵 时，泵的性能曲线规定了h 口= ( o p ) ，它与相容性方程联立可解出边界上的坼和绋 值。 ( 3 ) 边界上的耳和绋值还与其他的边界参数有关，如发生事故停电时的泵。这时， 泵的性能曲线h p = 厂( 绯) 就与泵的瞬时转速有关系；由于增加了瞬时泵转速这个新变 量，就需要再多增加一个边界条件方程。 下面介绍工程上常遇到的几种比较