（水文学及水资源专业论文）长距离压力输水工程水锤防护研究.pdf

摘要 论文题目：长距离压力输水工程水锤防护研究 学科专业：水文学及水资源 研究生：赵秀红 指导教师：朱满林教授 摘要 签名： 签名： 我国水资源贫乏，人均占有量少，时空分配不均，再加上水污染，很大程度上制约了 社会经济发展和人们生活水平的提高。为满足用水需求，促进社会经济发展，我国兴建了 许多长距离压力输水工程，长距离压力输水工程管线长，水流条件复杂，在管道内很容易 发生复杂的水力瞬变现象。水力瞬变现象持续的时间虽然短暂，但它往往会造成严重的工 程事故，本文就长距离压力输水工程水锤防护的几个问题进行了研究，取得的主要成果有： ( 1 ) 通过室内试验，实测了d n 4 0 压力管道水力过渡过程，并采用特征线法对其进行 了分析，得出在关阀速度不是很快的情况下，b n m o n e 非恒定摩阻模型与传统一阶模型所 得计算结果基本一致的结论。 ( 乃空气阀由于其结构简单、费用低、安装方便等特点，在给水工程中广泛应用。在 长距离输水工程中空气阀担负着管道充水排气，事故、正常停机进气及排气，水锤防护等 多项任务。本文分析了空气阀排气性能实测资料与公式计算结果的差异，提出应根据实测 资料选择空气阀。 ( 3 ) 通过室内试验，对球阀动态局部阻力系数进行了初步研究，得出结论：球阀动态 局部阻力系数与流速变化率有关，实测球阀动态局部阻力系数的最小值与静态实测球阀的 局部阻力系数基本一致。 ( 4 ) 对某一工程实例在泵站机组选型、供水流量和管线布置一定的条件下采用线性规 划法对长距离输水泵站管道进行了优化设计。采用工程年费用最小法进行泵站优化设计， 优化设计完成后，对其进行了水力过渡过程分析，选择了合理的水锤防护措施。 关键词：水锤；特征线法：长距离压力输水；摩阻；空气阀；优化设计；水锤防护 茳 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo n 伪丁e rh a m m e rp r o t e c t l o no fl o n g d l s t a n c ep r e s s u r ep i p e l i n e 、 ：a t e rt r a n s m i s s i o n e n g i n e e r l n g m a j o r ：h y d r o l o g ya n dw a t e r r e s o u r c e s n a m e ：x i u h o n gz h a o s u p e r v i s o r ：p r o f m a n l i nz h u a b s t r a c t s i g n a t u 陀：丘五渺 s i g n a t u r e ：龇敞 c h i n ai sl a c ko fw a t e rr c s o u r c c t h ew a t e rr e s o r r c ea m o t m tp e rc a p i t ai ss m a l la n dt h e r e s o u l c ed i s t r i b u t i o ni s s e r i o u s l yu n e v e nb o t hi nt e m p o r a la n ds p a t i a lo v e rt h ec o t m t r y , m e a n w h i l e ，al o to fw a t e rh a sb e e np o l l u t e d t h e r e f o r e ，t oag r e a te x t e n t , t h ed e v e l o p m e n to f s o c i a le c o n o m ya n di m p r o v e m e n to fp e o p l e sf i v m gs t a n d a r da 陀r e s t r i c t e d i no r d e rt os a t i s f y w a t e rd e m a n da n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y , i no u rc o u n t r y , m a n yl o n g d i s t a n c ep r e s s u r ep i p e l i n ew a t e rt r a n s i m i s s i o np r o j e c t sh a v eb e e nb u i l t t h e i rp i p i l e i n e sa l e l o n g a n df l o wc o n d i t i o n sa r es oc o m p l i c a t e dt h a tc o m p l i c a t e dh y d r a u l i ct r a n s i e n t se a s i l yo c c u r a l t h o u g ht h ed u r a t i o no fh y d r a u l i ct r a n s i e n t si st r a n s i e n t , s e r i o u se n g i n e e r i n ga c c i d e n t sm a yb e c a u s e d s e v e r a lp r o b l e m so ft h ew a t e rh a m m e rp r o t e c t i o no fl o n gd i s t a n c ep r e s s u r ep i p e l i n e w a t e rt r a n s i m i s s i o na l es t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a j o rc o n t e n t sa r e 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do ne x p e r i m e n t si nl a b o r a t o r y , h y d r a u l i ct r a n s i e n t so f p r e s s u r ep i p e l i n ed n 4 0a r e m e a s u r e d ，a n dt h er e s u l t so fw h i c ha r ea n a l y z e db ym e t h o do fc h a r a c t e r i s t i c s t h ea n t h o r c o n l u d e st h a tt h er e s u l t so fb r u n o n eu n s t e a d yf i i c t i o nm o d e la n dt r a d i t i o n a lf i r s t - o r d e rm o d e l a r cc o n s i s t e n tu n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tc l o s i n gs p e e do ft h ev a l v ei sn o tt o of a s t ( 2 ) a i rv a l v e sa r ew i d e l yu s e di nw a t e rs u p p l ys y s t e m sf o rt h e i rc o m p a c ts t r u c t u r e ，l o w c o s ta n dc o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o n , e t c a i rv a l v e sh a v et h ef u n c t i o n so fa i rr e l e a s ed u r i n gt h e p i p e l i n eb e i n gf i l l e d 、加t 1 1w a t e r , a i ri n b r e a t h ea n dr e l e a s ed u r i n ga c c i d e n t a lo rn o r m a lo p e r a t i o n o ft h ep u m p sa n dw a t e rh a m m e rp r o t e c t i o n , e t c d i f f e r e n c e sb e t w e e nt e s t e dd a t aa n df o r m u l a c a l c u l a t e dr e s u l t so fa i rv a l v ei nh y d r a u l i ct r a n s i e n ta r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r , a n dt h ea u t h o r p u t sf o r w a r dt h a tt h ea i rv a l v es e l e c t i o ns h o u l db eb a s e do nt h et e s t e dd a t a ( 3 ) e x p e r i m e n t sa l ec a r r i e do u ti nl a b o r a t o r y d y n a m i cl o c a lr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to fb a l l 西安理工大学硕士学位论文 v a l v ei sp r e l i m i n a r i l ys t u d i e di nt h i sp a p e r d y n a m i cl o c a lr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to fb a l lv a l v ei s r e l a t e dt ov e l o c i t yr a t eo fc h a n g e t h em i n i m u mo ft h et e s t e d d y n a m i cl o c a lr e s i s t a n c e c o e f f i c i e n to f b a uv a l v ea n ds t a t i cl o c a lr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to fb a l lv a l v ea r ec o n s i s t e n t ( 4 ) a c c o r d i n gt oa r e a le n g i n e e r i n gp r o j e c t , a f t e rp u m p i n gs t a t i o nu n i ts e l e c t i o n , f l o wr a t e a n dp i p e l i n ea r r a n g e m e n ta r ed e t e r m i n e d ，o p t i m a l d e s i g nf o rl o n gd i s t a n c ew a t e rs u p p l y p i p e l i n eb yp u m pi sp e r f o r m e db yu s i n gl i n e a rp r o g r a m m i n gm e t h o d o p t i m a ld e s i g nf o r p u m p i n gs t a t i o ni sc a r r i e do u tw i t hm i n i m u ma n n u a lc o s t t h e n , h y d r a u l i ct r a n s i e n t so ft h e p i p e l i n ea r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e d ，a n dr e a s o n a b l 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 sa r e s e l e c t e d k e yw o r d s ：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 ；l o n gd i s t a n c ep r e s s u r ep i p e l i n ew a t e r t r a n s i m i s s i o n ；f r i c t i o n ；a i rv a l v e ；o p t i m a ld e s i g n ；w a t e rh a m m e rp r o t e c t i o n 前言 - i j l _ - 刖吾 随着社会经济的发展、人们生活水平的提高和城市化进程的加快，人们对水资源数量 和质量的需求也越来越高，再加上水资源污染，就近取水已不能满足人们生活和生产的需 要，由此带来的水资源供需矛盾日益加剧，在一些地区水资源短缺已成为制约社会经济发 展的重要因素。水资源问题已成为2 1 世纪生存和可持续发展的一个重要因素。我国以南 水北调工程为显著标志的跨流域调水、长距离输水管道系统的兴建越来越多，大规模、长 距离、跨流域调水成为人类重新分配水资源，缓解缺水地区供需矛盾的主要途径，日益引 起社会的广泛重视。据不完全统计，世界在建、已建和拟建的跨流域调水工程已达1 6 0 多项，遍布世界各个地区。 在调水工程中的长距离压力输水工程通常是在几十公里以外甚至更远的水源取水，途 中有泵、阀门和水锤防护装置等，输水管线往往受到地形和其他建筑物的限制而呈现起伏 变化复杂的特点，而且摩损一般也较高。目前的长距离输水工程中，存在许多尚未解决的 技术难题，因为输水管线长而且起伏变化复杂，水流条件复杂，在管道内很容易发生复杂 的水力瞬变现象。引起水力过渡过程的原因很多，如输水管路系统发生事故停泵、阀门快 速关闭等原因。水力过渡过程现象持续的时间虽然短暂，但它往往会造成严重的工程事故， 使整个输水系统无法安全运行，严重影响取水输水工程的正常运行和人民生命财产的安 全。因此为满足实际输水的需要，进行水力过渡过程的分析计算，选择合理的水锤防护措 施，设计出更加优化的长距离输水系统，确保其安全运行就显得尤为重要。过去对非恒定 流的研究往往都是针对泵站和水电站的引水管道系统进行的，针对长距离输水系统的非恒 定流研究并不多，近年来随着大量长距离输水工程的兴建，长距离输水系统的水力过渡过 程的研究越来越受到人们的重视，已成为具有实际意义的课题。 主要符号表 主要符号表 a 彳 彳加 彳俐 c e 、锄 c 、c c q c 2 厶 g 叫 d p e f g h 哆 k h f j k 砌 m m 鸩 q r 1 ， y w h ，绉 w r 2 水锤波速 管道截面面积 空气阀进气面积 空气阀排气面积 特征线方程的已知常数 特征线方程的名称 v a r d y 和b r o w n 剪力衰减系数 泵房、水泵机组及电器设备投资 管道工程投资 空气阀进气流量系数 空气阀排气流量系数 管道直径 电价 弹性模量 管道摩阻系数 重力加速度 水泵出口相对压力 沿程水头损失 泵站静扬程 水头；水泵工作扬程 沿管线的截面编号 水锤计算中与时间有关的下标 b r u n o n c 摩阻系数；比热比 管长 通过空气阀的质量流量 工程总投资 工程管道、泵房、水泵机组及电器设备投资 工程土建部分投资 流量 水锤波周期；水泵年运行时数；温度 水泵相对流量 流速 无量纲离心泵特性 机组回转部分的飞轮力矩 西安理工大学硕士学位论文 位置坐标 水泵相对转速；包括年维修费在内的设备折1 日率 水泵相对转矩 泵站年耗电费 泵站年生产费 球阀局部阻力系数 水泵的工作效率 机组传动效率，直接传动1 0 机组配套电机工作效率 水的密度 x 口毛乞f刀佩锄p 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：一本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外j 论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料看有不实之处，由本人承担一切相关贡任 论文作者签名：，赵杰埏洲年移，月如日 学位论文使用授权声明 夺人：醚瘤这在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，1 同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文。学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，7 可以将学位论文的全部或部分内吞骊八百夫数据厍进行检索：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 贽料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本入学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) kf 论文作者签名：赵叠勉导师签名：兰匦垒垄丝，办孵年i 月缸曰 1 绪论 1 绪论 1 1 研究的目的及意义 我国水资源短缺，人均占有量不均，且时空分配不均，再加上水资源污染，由此带来 的水资源供需矛盾日益加剧，在一些地区水资源短缺已成为制约社会经济发展的重要因 素。水资源问题已成为2 1 世纪生存和可持续发展的一个重要因素。就近取水已不能满足 人们生活和生产的需要，我国以南水北调工程为显著标志的跨流域调水、长距离输水管道 系统的兴建越来越多，大规模、长距离、跨流域调水成为人类重新分配水资源，缓解缺水 地区供需矛盾的主要途径，日益引起社会的广泛重视【1 1 。据不完全统计，世界在建、已建 和拟建的跨流域调水工程已达1 6 0 多项，遍布世界各个地区【2 】。 长距离压力输水工程通常是从几十公里以外甚至更远的水源取水，输水管线长且水流 条件复杂，而且摩损一般也较高，在管道内很容易发生复杂的水力瞬变现象。水力过渡过 程现象持续的时间虽然短暂，但它往往会造成严重的工程事故，使整个输水系统无法安全 运行，严重影响取水输水工程的正常运行和人民生命财产的安全。因此为满足实际输水的 需要，对长距离输水系统的水力过渡过程应进行全面的理论分析和预测，采取安全可靠、 管理方便、经济实用的水锤防护措施，是优化工程设计，降低工程造价，确保工程安全运 行的关键，对于保障生活生产用水及社会经济发展，具有非常重要的理论意义和实际意义。 目前的长距离输水工程中，存在许多尚未解决的技术难题，近年来，随着大量长距离输水 工程的兴建，长距离输水系统的水力过渡过程的研究越来越受到人们的重视，已成为具有 实际意义的课题【3 锕。 1 2 水锤现象及水锤事故 1 2 1 水锤现象 在压力管道中因流速剧烈变化引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交 替变化的水力撞击现象，称为水锤现象，也称水力瞬变【9 j 。 从不同的角度划分，水锤可分为以下几种【9 】： ( 1 ) 按关阀历时z 和水锤相位的关系，分为直接水锤和间接水锤两种。当阀门关闭 历时z 小于一个水锤相= 2 l c ，即z 时产生的水锤称为直接水锤；当阀门关闭历时 z 大于一个水锤相= 2 l c ，即z 时产生的水锤称为间接水锤。 ( 2 ) 按水锤成因的外部条件，分为启动水锤、关阀水锤和停泵水锤三种。启动水锤常 在管道首次或检修放空等空管或非满管情况下启动充水，而阀门开启过快、管路排气不畅 时发生；关阀水锤是关闭阀门过程中发生的水锤现象。通常，按照正常的关阀程序操作， 不会引起很大的水锤压力变化，但是，如果违反操作程序或管道突然被异物堵塞，以及平 行的双板阀门发生阀板掉落等意外事故时，泵站中将出现不同程度的关阀水锤；停泵水锤 是由于水泵机组突然断电而造成开阀停车时，泵站及管路系统中所发生的水锤现象。事故 西安理工大学硕士学位论文 停泵工况引起的水力过渡过程通常是严重的。根据调查统计，在城市供水及工业企业的给 水泵站中，大部分水锤事故都属于停泵水锤事故。 ( 3 ) 按照水锤水力特性，分为刚性水柱( 锤) 和弹性水柱( 锤) 两种。刚性水柱是以不考虑 水流阻力及水和管材的弹性为基础的理论，弹性水柱理论则考虑水的可压缩性和管材的弹 性。前者计算比较简单，但计算结果偏大；后者计算复杂，但结果比较符合实际。 ( 4 ) 按水锤波动的现象，分为水柱连续的水锤现象和伴有水柱分离的水锤现象。当管 路内压力下降到饱和蒸汽压，局部产生蒸汽形成蒸汽穴，称为空 泡或气泡，受管道的几何形状和速度梯度的影响，气穴可能会变得很大，以致充满管道整 个截面，这一现象称为液体分离或水柱分离。当管路中水柱分离出现再弥合时，水锤升压 非常大，构成管路强度方面的威胁，危害相当严重。 ( 5 ) 按水锤发生所在的输水道，分为封闭管道中的水锤、明渠中的水锤和明满交替的 水锤。 1 2 2 水锤事故 1 9 8 5 年7 月8 日某自来水五厂，在2 、3 、4 号水泵机组同时运行时，电网突然停电， 3 台机组的自动保压液控蝶阀同时关闭时产生水锤，3 号几组的液控碟阀阀体和阀门基础 遭到破坏，发生特大淹机停水事件。致使部分供水区3 0 万人在酷暑季节停水3 天，给人 民生产和生活带来严重困难和影响，这次事故的直接经济损失达5 0 万元，分析其主要原 因是水锤防护措施不当引起的【。 包钢加压泵站水锤事故【1 1 1 。该泵站的作用是将一次净化系统处理的水加压后，送至 1 7 k m 之外的厂区。设计最大送水量为1 8 8 0 0 m 3 h ，内设五台2 8 s a - 1 0 型卧式离心泵， 流量为4 7 0 0 m 3 h ，扬程为9 8 m 。泵室与闸门室分建，两室问管线是逐渐升高的，高差为 5 3 1 7 m ，闸门室管线标高高出吸水井常水位2 8 6 m 。水泵的出水闸阀、逆止阀、手动排气 阀、水锤消除器均设在闸门室中。在3 群机组启动1 5 s 左右后发生水锤，出水管地沟盖板 被掀开，水大量涌出，判断是出水管爆裂，紧急关闭吸水闸，同时停了所有泵组。由于 事故点出水量大，吸水闸关闭至一半时，泵房内水已升至操作人员胸部，人员被迫撤离， 泵房被淹。由于有备用泵站并措施得当没有影响生产，但直接抢修费用达6 5 万元。 西柏坡电厂补给水系统多次爆管事故【1 2 】。西柏坡电厂由于补给水管道较长，沿地形 从泵房至电厂呈逐渐上升趋势，随着地势的起伏，管线形成若干局部驼峰凸起，但高差不 十分显著。在工程设计时，考虑到管线为长水平管道，为节约工程投资，采用了当时正推 广使用的预应力混凝土管，共安装排气井5 座。为防止管道水锤产生的异常压力升高，设 计中采取了2 项措施：( 1 ) 在水泵出口处安装了2 阶段关闭液控蝶阀；( 2 ) 沿程设有5 个排 气阀。管道投入运行以后，从1 9 9 2 年1 2 月开始，先后发生了1 4 次爆管事故，根据对补 给水系统的水锤计算分析研究并结合现场了解情况得出的结果表明，西柏坡电厂补给水系 统多次爆管的原因是各方面因素造成的，但是其主要原因是设计不当产生了非常水锤。 瑞安市江北水厂取水泵房出水管水锤事故【l3 。取水泵房在调试运行期间，管路系统不 2 l 绪论 论正常停泵和断电事故情况下均发生水锤，一阶段微阻缓闭止回阀响声大，产生振动力致使 泵房内墙脚花岗岩踢脚线大片震落，并对系统设施造成损坏，先后出现以下几种事故： 手动蝶阀阀体拉裂二次； 一阶段微阻缓闭止回阀阻尼油缸固定螺栓剪断三次( 每台油缸固定螺栓为m 1 4 四 只，每次被剪断三只) ； 一阶段微阻缓闭止回阀复位重锤支撑杆( 02 4 ) 断裂一次。 类似的水锤事故还很多，水锤现象的持续时间虽然短暂，但它往往会造成严重的工程 事故，水锤事故有的造成压力管道的破坏( 即爆管) ，有的造成泵房被淹，有的还引起次生 灾害，如冲毁铁路、中断运输、有的设备被打坏，伤及操作人员等，给人民的正常生活和 生产带来了严重的影响和损失，所以水力过渡过程控制的研究也越来越受人们重视，必须 采取合理的、可行的防护措施，来确保压力管路的安全运行。 1 3 国内外瞬变流研究进展 1 3 1 国内外瞬变流研究进展 自从人类首选用水以来，非恒定流就被研究了。古代的中国人、中美的马亚印第安人、 沿尼罗河、底格里斯河、幼发拉底河河畔的美索不达米亚人( m e s o p o t a m i a n ) 和许多其他的 遍布世界各地的人发明了各式各样的输水系统，主要目的是用于灌溉，也用于生活用水。 古代人在传统的文化技术的情况下理解并应用了流体规则。随着科学时代的到来和体现在 牛顿定律中的数学发展，我们对流体的理解根据它的理论抽象发生了量化跳跃，推进了 2 0 世纪中期水利工程的发展【1 4 】。 在早期的研究中，西欧学者对水击研究的贡献是最为突出的，c s m a r t a i n 1 5 】曾经在西 欧与联合王国的瞬变流研究进展一文中对早期研究水击的成果进行了详细论述。门纳布利 亚( m e n a b r e a ) 最早研究水锤问题，测试了控制水锤的空气室和安全阀的使用，他利用能量 原理，考虑了管壁和流体的弹性，导出了波速公式，说明了水击的基本理论，从此奠定了 弹性水击的理论基础。接近1 9 世纪，像w e s t o n 、c a r p e n t e r 和f r i z e l l 等研究人员试图发 现管道中压力和流速变化关系的表达式，f r i z e l l 通过努力成功了，并且他也讨论了支管的 影响和连续波对水轮机调速的影响。麦秀德研究过水锤问题并设计和使用了空气室及安全 阀。葛拉米卡( g r o m e k a ) 在分析水锤中第一次将阻力损失考虑进去。但是，他假定了液体 是不可压缩的以及阻力损失与水流流速成正比。1 8 9 7 年，儒可夫斯基l l q ( j o u l 【o w s k i ) 用如 下尺寸( 分别表示管长和直径) 的水管做了很多的试验：7 6 2 0 m ，5 0 r a m ；3 0 5 m ，10 1 5 m m ； 3 0 5 m ，1 5 2 5 m m 。根据他的试验和理论研究，他发表了关于水击基本理论的经典报告， 提出了同时考虑水流和管壁弹性的波速公式，首次提出了直接水击压强的经典计算公式， 这是第一次能用公式计算水击压力，这使得水击的研究可以与实践相结合【1 7 l 。柯特威格 ( k o r t e w e g ) 是第一个同时考虑管壁弹性和液体弹性来确定波速的人。阿列维( a l l i e v i ) 由最 初一些原理得出水锤的普遍理论并于1 9 0 2 年发表。他推导的运动方程比柯特威格的更为 西安理工大学硕士学位论文 正确【1 6 】。1 9 0 4 年，阿列维( a l l i e v i ) 开始系统地研究水击理论与计算方法，1 9 1 3 年他推出 了水击连锁方程式组，此后，阿列维( a l l i e v i ) 还提出了使用至今的水击图解曲线和末相水 击的计算公式，从而奠定了水击计算的理论基础【l 引。1 9 3 0 年以前，大多采用解析法进行 计算，其基本原理是利用a l l i e v i 的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，并且，计算工作量十分浩繁【1 6 1 1 9 - 2 2 。根据儒可夫 斯基理论，吉普松( g i b s o n ) 提出了在分析中第一次含有非线性阻力损失的论文。1 9 2 8 年吕 维( l a w ) 独立得出并介绍了相同的图解法。他也研究了阀门周期性开动引起的共振和逐渐 打开阀门和导叶引起的压力降低。他分析时，在基本偏微分方程中计入了阻力项而考虑了 阻力损失。施耐德( s c h n y d e r ) 在分析联有离心泵的管道水锤压力中，计入了全水泵特性。 他第一个在图解分析中计入阻力损失。安古斯( a n g u s ) 概述了基本理论和计入“集中乃阻 力损失的图解法的一些应用。1 9 3 8 年，安古斯( a n g u s ) 提出了混合管和分岔管及液柱分离 的分析。1 9 5 3 年格莱( g r a y ) 1 6 1 介绍了计算机进行水锤分析的特征线法。赖( l a i ) 把它应用 于他的博士论文中，并且他和斯特里特( s t r e e t e r ，v l ) 合作的论文是最早发表建立这种方 法和用计算机分析瞬变流的论文。其后斯特里特发表了许多特征线法的论文并同怀利 ( w y l i e ，e b ) 于1 9 6 7 年撰写了一本水力瞬变教科书( h y d r a u l i ct r a n s i e n t s ) 。该书出版以后， 人们又进行了很多的研究工作，并在流体流动的数值计算方面取得了很大的进展。1 9 7 8 年，该书的增订本在美国出版，其内容已经扩大，包括的内容超出了基本水锤分析的范围， 因此将书名改为 ：瞬交流( ( f l u i dt r a n s i e n t s ) ) 。1 9 7 9 年，加拿大m h 乔德里又撰写了 一本名为 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 ) ) 的书，其中包含了自己 的论文集及一些新的观点。日本秋元德三教授于1 9 7 2 年出版了 水击与压力脉动一书， 1 9 8 1 年我国出版了中文版，该书的日文新版于1 9 8 8 年出版。斯蒂芬森( s t e p h e m o n d ) 和怀 利( l e ets ) 等对空气阀的性能进行了研究1 1 6 1 。1 9 8 9 年s u o 和w y l i e 提出了一个与频率有 关的摩擦因子模型，与阻抗法一起应用；同年，j e l v e 认为能量耗散与流体内力和管壁切 应力成比例，但有四分之一的相位偏差；受实验结果启发，1 9 9 0 年b r u n o n e 等假定非恒 定切应力与流体平均当地加速度和对流加速度成比例，并提出了相应的模型【1 9 1 。 v a r d y b r o w n 模型通过引入“整体加速度 的概念将b n m o n e 模型【1 9 2 3 锄】联系起来得到湍 流中b r u n o n e 摩阻系数k 与瞬变初始时刻雷诺数有关，b r u n o n e 和b e r g a n t 通过实验验证 了该关系的正确性，从而为该模型应用到工程实际中创造了条件。1 9 9 0 年，b r y a n 2 9 对封 闭管道中的水击能量进行了研究，2 0 0 0 年，a l a i r 3 0 对管网中由水柱分离产生不可压缩气 体的水击现象进行了研究。随着水击理论的不断发展，水击的研究范围已经扩展到石油输 送管道和核电站供水管网等领域。 我国在水力过渡过程方面的研究起步较晚。随着大量外文文献的翻译出版，我国学者 对前人理论的学习、总结和发展，极大地促进了我国瞬变流理论的研究，近几十年来取得 了丰硕的成果【3 。由于水锤事故的发生，6 0 年代，王守仁和龙期泰等人做了大量的实验， 对后期水锤计算机防护奠定了基础。特别是对下开式水锤消除器的研究，为其7 0 年代的 4 1 绪论 普及使用起到了很好的指导作用。8 0 年代初期，随着( f l u i d t r a n s i e n t s ) ) 和( 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 ) ) 两本书中译本的出版，我国进行瞬变流研究的科技人员越来越多。 刘竹溪【3 2 】等人将计算机技术用于国内的泵站水锤研究中，他们的论文还涉及到水泵全特 性曲线的研究。刘光临等人将特征线法应用于工程实际，通过研究，对两阶段关闭蝶阀在 事故停泵时的关闭过程进行了优化等 3 3 - 3 5 。索丽生掣3 刀对水锤进行了理论研究，开展了 许多方面的水锤分析；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 压室在工程中的应用提供了理论基础。 王学芳p 8 】等主要从事工业管道中水锤的分析和研究，其研究涉及到密闭输油，火电 厂、核电厂和化工厂的热力交换和循环系统、热水供应系统，长输水管线中安装空气进排 气阀对空泡溃灭水锤的影响及其特性研究。 金锥等人【9 】对水锤理论、计算和防护进行了阐述，在水柱分离方面进行了多年研究， 建立了水锤分离计算模型。刘梅清1 3 9 等结合长距离输水工程管线长、地形起伏大等特点， 对单向调压塔防水锤特性进行了数值模拟与研究，指出采用单向调压塔能有效地防止管道 液柱分离，减小水锤升压。l 嗍、s t e p h c n s o n l 4 1 1 、翁晓红【4 2 】等，研究了不同空气阀特性 对水锤压力的影响。刘梅清等【4 3 】在空气阀防护水锤方面做了大量研究工作，探讨了空气 阀的应用条件。杨晓东，朱满林等【件蛔在缓闭阀和排气阀特性方面进行了研究。杨开林 4 7 - 4 s 通过试验与理论分析得出，水力瞬变过程中压力管道进气形成的空气泡溃灭压力，比液体 汽化形成的气泡溃灭压力危害小的多。栾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碟阀、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1 4 9 - 5 。李进平、杨建东等【2 4 】在摩阻对输水管道水力过渡过程 的影响方面做了一定的研究工作，并取得了一定的研究成果。 从计算机的广泛应用至今，水锤及其防护问题的理论研究和实际应用两个方面都获得 了相当程度的进展，整个水锤研究体系日趋完善，研究范围日益扩大，随着国内许多长距 离输水工程的大量兴建，为防止水锤事故的发生，保证整个输水系统的安全运行，对长距 离输水系统水力过渡过程方面的研究也就越来越重要，对长距离输水系统的水锤应进行全 面的理论分析和预测，从而采取安全可靠、管理方便、经济实用的水锤防护措施，是优化 工程设计，降低工程造价，确保工程安全运行的关键，对于保障生活生产用水及社会经济 发展，具有非常重要的理论意义和实际意义。 1 3 2 计算方法发展概况 随着水击理论的建立，许多学者开始针对工程的实际需要研究解决水击的方法，用以 解决实际的工程问题，因而各种水击问题的解决方法也就产生了。 有压管道系统过渡过程的计算分析方法通常有解析法、图解法、简易计算法和数值计 算方法等几种方法。 1 9 3 0 年以前，大多采用解析法进行计算，其基本原理是利用a l l i e v i 的联锁方程式进 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，并且，计算 s 西安理工大学硕士学位论文 工作量十分浩繁【9 】0 6 j 。 本世纪3 0 至6 0 年代，水锤计算的图解法【5 2 】被广泛应用。图解法是将不考虑管道摩 阻损失情况下的水锤基本方程，变换为对管道内两点的两个代数方程( 共轭方程) ，该法能 简便直观地表示出水锤进展的全过程，在概念上也较清晰，简便易行，但图解法的计算精 度取决于精细的作图技巧，必须逐点手绘，计算工作量很大。由于计算手段的限制和太多 的假设，使得计算精度不高。对于复杂管路和水锤波反复传播多次的情况以及管路摩阻损 失占比重较大的管路系统，不仅过程繁琐而且精度也较差。目前，较复杂和精度要求高的 水锤计算已经很少使用。 简易计算法1 3 2 】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，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。 2 0 世纪6 0 年代以后，随着电子计算机的普及和计算方法的发展，水锤计算的电算法 得到发展和推广，特征线法【5 3 】【5 钔得到了广泛应用。特征线法是将考虑管路摩阻的水锤偏 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1 9 】：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；可以处理非常复杂的系统，各种管道水力瞬变分析，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。 ， 1 4 本文研究的主要内容 长距离输水系统水力过渡过程的研究是一项非常复杂的课题，对于不同的输水形式就 会有不同的特点，在长距离输水工程水锤防护研究方面仍然存在许多有待进一步研究的问 题，本文在前人研究的基础之上，主要进行以下几方面的研究： ( 1 ) 管道动态阻力研究。通过室内试验，实测d n 4 0 压力管道水力过渡过程，并采用 特征线法对其进行了分析，初步研究管道动态阻力，探讨摩阻对长距离压力输水管道水力 过渡过程的影响。 ( 2 ) 空气阀防护水锤研究。空气阀由于其结构简单、费用低、安装方便等特点，在给 水工程中广泛应用。在长距离输水工程中空气阀担负着管道充水排气，事故、正常停机进 气及排气，水锤防护等多项任务。本文分析了空气阀排气性能实测资料与公式计算结果的 差异，提出应根据实测资料选择空气阀。 ( 3 ) 球阀动态局部阻力系数研究。通过室内试验，对球阀动态局部阻力系数进行初步 研究。 ( 4 ) 长距离压力输水工程优化设计及水锤防护措旌研究。对某一工程实例在泵站机组 选型、供水流量和管线布置一定的条件下采用线性规划法对长距离输水泵站管道进行了优 化设计。采用工程年费用最小法进行泵站优化设计，优化设计完成后，对其进行了水力过 渡过程分析，选择合理的水锤防护措施。 6 1 绪论 1 5 研究的技术路线 本文研究的技术路线如图1 - 1 所示 图1 1 技术路线图 7 西安理工大学硕士学位论文 2 水锤计算的基本原理与分析计算方法 在压力管道中因流速剧烈变化引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交 替变化的水力撞击现象，称为水锤现象，也称水力过渡过程。水力过渡过程是压力输水系 统运行中经常发生的水力现象。水力过渡过程的正确分析对采取措施，防止妒锤事故，保 证工程安全运行意义重大。目前压力管道水力过渡过程分析，采用的主要方法是特征线法。 2 1 水锤基本方程 水锤基本微分方程f 9 】由水锤过程中的运动方程和连续方程两部分组成。它是全面反映 有压管流中非恒定流流动规律的数学表达式，是水力过渡过程分析和计算的基础，反映了 在水力过渡过程中水流流速和水头的变化规律。 描述水锤的基本方程组为运动方程和连续方程 警+ 玄望o t + 去2 9 d a q i q | = o ( 2 1 ) 锄别 2 叫叫 、7 罢+ 妥罢：o ( 2 2 ) 国鲥缸 一7 式中：q 为某断面在时刻，的流量；a 为管道过流面积；日为相应某基准面的某断面在时 刻，的水头；口为水锤波的传播速度；工为位置坐标；d 为管道直径；l 纠为流量的绝对值， 其正负取决于流量q 的方向；厂为管道摩阻系数。 2 2 水锤计算的特征线法 随着水击理论的建立，许多学者开始针对工程的实际需要研究解决水击的方法，用以 解决实际的工程问题，因而各种水击问题的解决方法也就产生了。有压管道系统过渡过程 的计算分析方法通常有解析法、图解法、简易计算法和数值计算方法等方法。目前压力管 道水力过渡过程分析，采用的主要方法是特征线法1 3 6 5 2 1 ，特征线法是一种数值计算方法， 具有稳定性准则可以建立；边界条件很容易编程；较小项可以保留；可以处理非常复杂的 边界条件，且计算精度高等优点。考虑到本文对压力管道水力过渡过程的计算需要用计算 机来实现，故本文只采用特征线法计算压力管道的水力过渡过程。 特征线法的主要思路是将考虑管路摩阻的水锤偏微分方程，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。 式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 均是具有两个因变量( 流量和水头) 和两个自变量( 沿管路的距离和时间) 的一阶拟线性双曲线型偏微分方程，不能直接求解，故将其进行线性组合变成常微分方程， 然后沿各自的特征线进行积分得 c + ：卿+ 旦g ao , 坦- i 。瓦嘉j 饱蚓出= o ( 2 3 ) 2 水锤计算的基本原理与分析计算方法 c 一：i 棚一云耋坦一瓦矗i 应i q l 出= 。 q 采用有限差分法求解这两个常微分方程。上面两式中最后一摩阻项可用a 点和b 点 的近似值计算，若缸取得足够小，其一阶近似即可满足精度要求，则有限差分式分别为： c + ：雌一吼+ 云( q ，一幺) + 瓣f a x q l q i = 。 ( 2 5 ) c 一：耳一一五a r ( q ，一蜴) 一j 2 9 堕d a 2q l 绋l = 。 ( 2 6 ) 这两个方程又可写成简单的形式： c + ：h ，= c p 一曰q ， ( 2 7 ) c 一：日p = c 脚+ b q p( 2 8 ) 其中： c ，= h + 占q _ 一r q _ i q i c 。= h 口- b q 口+ r q 口 q 口i 召= 旦，r ：堡 列2 9 d a 式( 2 7 ) 称为正特征线方程， ( 2 8 ) 称为负特征线方程。对正特征线式( 2 7 ) 成立，对负 特征线式( 2 8 ) 成立。所以特征线方程实质上反映了管路中流量和水头沿特征线的变化规 律。如图2 1 所示x f 坐标系中水锤特征线。 图2 - 1x - t 坐标系中水锤特征线 f i g 2 1c h a r a c t e r i s t i cl i n e si nt h ex - tp l a n e 9 西安理工大学硕士学位论文 如果管路中任意两点a 、b 在t o 时刻的流量和水头q 、g 、巩、均已知，就可 根据正负特征线方程联立解出a t 时刻末，即f 0 + ，时点p 的流量绋和水头砟值，即： 珥= 半 ( 2 9 ) q p