（水力学及河流动力学专业论文）多级孔板螺旋流消能装置试验研究.pdf

太原理工大学硕十研究生学位论文 多级孔板螺旋流消能装置试验研究 摘要 在管道输水中，管道中的压力是输送流体的能量的必要条件，但在有 些情况下，管道系统因地形地貌条件或因其他条件限制，一些管段或一定 条件下，压头往往超过输送流体所消耗的能量，这部分剩余能量如不加以 消除，将会给管路系统设施造成危害。因此，如何安全便捷地调节控制管 道中的压力成为现如今广为关注的研究课题。 本文选取的研究对象为多级多# l ；i l 板螺旋流消能装置，是在前人单孔 多级消能工和孔板螺旋流消能装置的基础上的一种整合，是对螺旋流消能 方式的一种全新的尝试。全文通过对多级多孔孔板螺旋流消能装置在不同 孔板间距、不同孔板扭转角度、不同流量工况的测量，取得大量数据，在 试验数据进行分析整理基础上，对多级多# l ；f l 板螺旋流消能装置的消能效 率，消能机理及影响因素进行全面分析，主要内容如下： 1 在不同流量、不同扭转角度和不同距径比的情况下，对多级多孔孔 板消能装置的沿程压力值进行了测量，取得大量数据资料，并分析了整体 孔板螺旋流消能装置的阻力系数。对消能装置消能效率进行了计算，结合 消能装置前起始点的压力比较，确定了在距径比为0 - - - - 0 0 6 7 之间存在既能 保证管道运行压力增加不大又能保证有较高的消能效率的最佳结构形式和 参数。 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 2 通过对消能装置试验数据的分析整理，把消能装置依序分为管径突 然扩大段、孔板消能段、螺旋流消能段和管径突然缩小段四个段。对各个 消能段的消能机理进行了比较和探讨。并得出孔板前局部和沿程水头损失 仍可以用常规的管道能量损失计算公式进行计算，而孔板后段由于孔板孔 口射流及螺旋流共同作用，其局部和沿程能量损失要比用常规的管道能量 损失计算公式的计算值要大，应在常规能量损失的基础上叠加螺旋流的能 量损失。 3 专门对孔板消能段消能系数进行确定，并对阻力系数随扭转角度的 变化规律进行方程拟合，为本消能装置的进一步研究提供了一套具有一定 价值的计算公式。 4 利用量纲分析原理，对本消能装置消能效率的影响因素进行了分析， 得出影响消能系数k 值的主要因素为雷诺数r e 、孔径比竺、距径比旦和扭 uu 转角度口。 关键词：孔板，螺旋流，结构参数，能耗分析 太原理i 二大学硕十研究生学位论文 s t u d y0 nt h ee f f e c to fm u l t i 一0 r i f i c e ss p i ra i ， f l o we n e r g yd i s s i p a t l 0 ne q u i p m e n t a b s t r a c t i nt h ep i p et r a n s p o r t ，t h ep r e s s u r ei nt h ep i p ei st h ee s s e n t i a lc o n d i t i o no f t r a n s p o r t i n gt h ef l o we n e r g y ，b u ts o m e t i m et h ed u c t w o r ki s r e s t r i c t e db yt h e l a n d f o r m 、p h y s i o g n o m y a n do t h e rc o n d i t i o n s ，i ns o m ep i p e s0 1 d e f i n i t e c o n d i t i o n s ，t h eo r i g i n a lp r e s s u r eu s u a l l y e x c e e d st h e e n e r g yd i s s i p a t i o n o f t r a n s p o r tf l u i d ，t h i sp a r to fs u r p l u se n e r g i e sw i l ld a m a g et h ed u c t w o r kf a c i l i t i e s i fn o tb ee l i m i n a t e d t h e r e f o r e ，h o wt oc o n t r o lt h ep r e s s u r ei nt h ep i p es a f e l y a n dc o n v e n i e n t l yb e c o m e st h ec o n c e r n e dr e s e a r c ht o p i cn o w t h i sr e s e a r c hs t u d yo nt h em u l t i o r i f i c e ss p i r a lf l o we n e r g yd i s s i p a t i o n e q u i p m e n t t h i se x p e r i m e n ti n t e g r a t e t h e s i n g l e o r i f i c e e n e r g yd i s s i p a t i o n i n s t a l l a t i o na n ds p i r a lf l o w se n e r g yd i s s i p a t i o ne q u i p m e n t ，b a s e do nt h ef o r e p e o p l e sr e s e a r c h ，n e w l yt r yt os t u d yt h ee n e r g yd i s s i p a t i o nm e t h o dw i t hs p i r a l f l o w i nt h i se x p e r i m e n t ，s e l e c t i n gd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n ，i n c l u d ec h a n g i n g t h es p a c e 、t h et u r na n g l eb e t w e e nd i f f e r e n to r i f i c e sa n dc h a n g i n gd i f f e r e n t d i s c h a r g ea b o u tt h e m u l t i o r i f i c e ss p i r a lf l o we n e r g yd i s s i p a t i o ne q u i p m e n t ， o b t a i n sag r e a td e a lo fd a t a o nt h ef o u n d a t i o no fa n a l y z i n gt h e s ed a t a ，t h i s ii i 太原理：r 大学硕十研究生学位论文 r e s e a r c hs t u d yo nt h ee n e r g yd i s s i p a t i o ne f f i c i e n c y ，m e c h a n i s ma n di n f l u e n c e f a c t o r so ft h ee n e r g yd i s s i p a t i o ne q u i p m e n tw i t hm u l t i o r i f i c e ss p i r a lf l o w t h e m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g s ： 1 o nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n td i s c h a r g e ，d i f f e r e n tt u r na n g l ea n dd i f f e r e n t d i s t a n c er a t i o ，m e a s u r et h ed i s t a n c ep r e s s u r ef i g u r eo fm u l t i o r i f i c e ss p i r a lf l o w e n e r g yd i s s i p a t i o ne q u i p m e n t ，w eo b t a i nag r e a td e a lo fd a t a ，a n da n a l y z et h e r e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to ft h ew h o l ee q u i p m e n t t h r o u g hc a l c u l a t i n gt h ee n e r g y d i s s i p a t i o ne f f i c i e n c ya n dc o m p a r i n gt h eo r i g i n a lp r e s s u r e ，t h i se x p e r i m e n t c o n c l u d et h a tt h eb e s ts t r u c t u r ef o r ma n dp a r a m e t e ri sb e t w e e nt h ed i s t a n c er a t i o o o 0 6 7 i tc a n e n s u r et h el o wp i p ew o r k i n gp r e s s u r ea n dt h eh i g he n e r g y d i s s i p a t i o ne f f i c i e n c ya tt h es a m et i m e 2 b a s e do na n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a t i o nd a t e s ，t h i se q u i p m e n ti sd i v i d e d i n t of o u r p a r t sa c c o r d i n gs e q u e n c e ：t h es u d d e n l ye x p a n d i n gp i p e d i a m e t e r s e g m e n t ，t h e o r i f i c e e n e r g yd i s s i p a t i o ns e g m e n t ，t h es p i r a l f l o w e n e r g y d i s s i p a t i o ns e g m e n t ，t h es u d d e n l yc o n t r a c t i n gp i p ed i a m e t e rs e g m e n t i nt h i s e x p e r i m e n t ，w ea n a l y z ea n dd i s c u s st h ee a c hs e g m e n t ，c o n c l u d et h a tt h ef o r e p a r t o ft h eo r i f i c ea n di t sa l o n gd i s t a n c er e s i s t a n c el o s sm a yu s et h eg e n e r a le n e r g y d i s s i p a t i o nc a l c u l a t i o nf o r m u l a ，w h i l et h el a t t e rp a r to ft h eo r i f i c ea n di t sa l o n g d i s t a n c ee n e r g yd i s s i p a t i o ni sl a r g e rt h a nt h ec a l c u l a t i o nf i g u r ew i t ht h eg e n e r a l e n e r g yd i s s i p a t i o nc a l c u l a t i o nf o r m u l a ，b e c a u s et h et o g e t h e re f f e c to ft h es h o o t f l o wa n dt h e s p i r a l f l o wo ft h eo r i f i c e i ts h o u l da d dt h es p i r a lf l o we n e r g y d i s s i p a t i o nl o s st ot h eg e n e r a le n e r g yl o s sc a l c u l a t i o nf i g u r ew i t ht h ef o r m u l a i v 太原理一r 大学硕十研究生学位论文 3 s p e c i a l l y c o n c l u d et h e e n e r g yd i s s i p a t i o n c o e f f i c i e n to f t h eo r i f i c e e n e r g yd i s s i p a t i o ns e g m e n t ，a n ds i m u l a t et h ee q u a t i o no ft h ec h a n g er u l eo ft h e r e s t r i c t i v e c o e f f i c i e n tf o l l o wt h et u r na n g l e t h i sp r o v i d e sas u i to fh a v i n g d e f i n i t ev a l u a b l ec a l c u l a t i o nf o r m u l at om o r es t u d i e so ft h ee n e r g yd i s s i p a t i o n e q u i p m e n t 4 u s i n gt h ed i m e n s i o na n a l y s i sp r i n c i p l e ，a n a l y s e st h ei n f l u e n c ef a c t o ro f t h i se q u i p m e n t t h em a i nf a c t o ra f f e c t i n ge n e r g yd i s s i p a t i o nc o e f f i c i e n tki s r e n a u l tf i g u r er e ，a p e r t u r er a t i 。吾、d i s t a n c e r a t i 。石l a n d l u r na n g l ea k e y w o r d s ：o r i f i c e ，s p i r a lf l o w ，s t r u c t u r ep a r a m e t e r ，e n e r g yd i s s i p a t i o n a n a l y s i s v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：二日- 受扯日期： 口口笤占； 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；+ 学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名_ - 聱赔冒期： 导师签名： 箩。占 太原理： 大学硕士研究生学位论文 1 1 研究的目的及意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 随着国民经济的快速增长人均需水量日益增加，工业化和城市化进程的日益加快， 对水的需求量也日益加大，加之我国水资源的时空分布不均和水资源的严重污染和浪 费，区域性缺水表现得越来越突出，区域调水和跨流域调水已经成为当前解决区域缺水 的重要途径之一。 在许多工程应用的实例中表明：管道急流输水形式与传统渠道输水方案相比，有节 约工程量、减少投资、节水、保持水质不受破坏等优点。因此有压管道输水系统广泛存 在于水利工程之中，尤其在土石山区地形复杂、落差大的环境使用压力管道供水更为普 遍。 山西省五台县唐家湾水库跃进二渠延伸工程中采用的管道急流输水，比传统渠道输 水方案节约工程量3 0 3 ，节约投资1 3 6 ，节水8 1 1 】。与渠道输水方案相比，减少 了工程量、降低了投资，在防渗效果以及施工、管理等方面都具有一定的优越性。 管道中的压力，是输送流体的能量的必要条件，但在有些情况下，管道系统因地形 地貌限制，或因其他条件限制，压头往往超过输送流体所消耗的能量，这部分剩余能量 如不加以消除，将会给管路系统设施造成危害。尤其当有压管路中阀门骤然关闭或泵骤 然停车时，管道中水流动量突然发生变化，作用在液体上的压力就会发生急剧变化，并 以压力波的形式在管内迅速往返传播和叠加。这种引起管路压力急剧交替升降的现象称 为水击。水击是有压管流中最常见的非恒定流。非恒定流也称为水力过渡过程，它是在 流量调节或发生事故情况下，水力要素随时间发生急剧变化的过程。调水工程的非恒定 流现象通常发生在流量调节情况下，它的压力、水位、流速和流量等水力参数随时间发 生急剧的变化。由于非恒定流的水力参数往往超出恒定流的设计范围，影响到工程的运 行控制和安全性，成为设计和运行单位广为关注的问题之一。【2 1 水击压力高时可达管道 正常工作压力的几十倍甚至几百倍，水击压力低时又会造成气穴和汽蚀1 3 j 。因此如果没 有合适的控制措施，很可能造成管路系统或管路附件的破坏。 1 太原理1 二大学硕十研究生学位论文 目前长距离输水常用的一种消能方案是采用消力池。方法是在输水线路上设置一个 或几个消力池，先用管道将上游的水引入消力池，消除一部分能量，减小落差。采用这 样的方式，一次或几次消除能量后，最后引入下游蓄水池。这种方法虽然能够消除能量， 确保输水管道的安全，但也存在着很大的局限：首先，对于落差较大的输水管线，需设 置多个消力池，其工程量势必增大，增加了工程的投入，增加工程管理、维护费用，占 用一定数量的土地资源；其次，消力池内水跃这种急变流形式造成水流的极度紊动，并 大量掺气，不适于同封闭运行的管道输水系统交替使用；第三，采用消力池消能要解决 好消力池的防渗问题，不利于工程节水和保持水质，在施工、管理等方面都具有一定的 困难。 有压管道输水系统虽然在长距离输水方面有众多的优点，但也存在许多诸如前述的 管道水动力学问题，下面以山西省万家寨引黄工程的实例，来说明重力流压力管道输水 系统中存在的一些水力学问题：【4 ，5 】 山西省万家寨引黄工程联接段p c c p 输水工程是万家寨引黄工程的一部分，于2 0 0 2 年建成，全长4 3 5k m ，采用直径3m 的预应力钢筒混凝土管( 简称p c c p ) 。全线总落 差2 0 0m ，分为3 个压力区间。该工程属于大直径重力流压力管道输水系统。重力流压 力管道输水系统中存在下面一些水力学问题。 l 、调压调流 调压调流是重力流压力管道输水系统最重要的问题之一。调压通常指减压，当输水 系统除了输水水头损失之外尚有多余水头时，就需要减压( 消能) ；当系统要求输水流量 小于设计流量时，同样需要减压( 消能) 。与此同时，还需要对系统通过的流量进行调节。 减压和调流通常结合进行，使用同一设备。 为了满足上述输水要求，在初期设计阶段，根据我国现有的技术及工程实例，引黄 工程选用了当时认为经济、可靠的消力池方案。为实现流量调节，在每一区间末端设置 一座弧形闸门，闸门后设置消力池，以实现流量调节和消除多余水头。但是随着设计工 作的逐步深入，上述方案的局限性己开始暴露出来。 首先，弧形闸门通过开度控制流量的调节精度难以满足用水户的要求，不利于供水 工程的经济运行，在3 个区间连续输水的情况下，更难以保证各区间过水流量完全匹配。 其次，消力池内水跃这种急变流形式造成水流的极度紊动，并大量掺气，不适于同封闭 运行的管道输水系统交替使用。第三，弧形闸门部分开启频繁调节所带来的机械振动及 2 太原理t 大学硕士研究生学位论文 使用安全性等问题尚需深入研究；闸门密封可靠性问题也将对运行管理产生不利影响。 使用闸门调流、消力池消能的方案，调节精度、运行稳定可靠性较差。除了用于输 水流量很大的巨型调水工程( 如南水北调工程) 外，使用于管道输水系统有一定的局限 性。 国外在2 0 世纪五六十年代开发的多喷孔套筒阀很好地解决了在较高水头( 6 0 0 m ) 和 一定流量范围( 单台0 - - - 2 0m 3 s ，随口径而异) 内的调流调压问题。该阀型式基本为淹没 式和在线式。淹没式阀可使系统由有压管道输水状态转换为无压淹没出流( 通过消力池) 状态；在线式阀则是串联在压力输水系统中封闭运行，可以传递或减小压力。 这两类阀工作原理相同，都是由布满喷孔的固定不锈钢套筒和无孔的活动不锈钢筒 ( 闸门) 套在一起，通过二者的相对运动，使水流从未被闸门遮盖的喷孔中喷出，从而达 到减压和调节流量的目的。套筒之间的间隙很小，喷孔是特制的、可防止气蚀发生的锥 形孔。闸门的刃脚为特制硬质钢，可以切断杂物甚至钢筋和螺栓。淹没式阀的套筒在闸 门的外面，水流喷入消力池；而在线式阀的套筒在闸门的里面，水流喷向套筒中心流向 下游。这种阀可以有效地使水流的多余势能转化为热能，在清水中可以长期无故障运行。 该阀具有以下优点：一是可以在高压差环境下长期无气蚀运行。高速喷射的水柱在 越过喷孔时才出现气泡爆裂，气蚀区远离阀的任何部件，不会对喷孔金属表面造成损伤； 二是可以全程( 由全开到全关) 调流调压，调流曲线线性度好，调流精度高。传统的调流 阀真正可用的调流范围在中间5 0 - 6 0 开度范围内，其调流比一般为4 ：1 6 ：1 。 而多喷孔套筒阀的调流线性度可以达到近似直线；三是无危害性噪音和振动。用于清水 时，可以长期无故障运行。四是可以采用电力、液压等多种方式驱动，既可以就近控制， 也可以遥控，以适应管网系统的控制要求。 该阀在使用时也存在一定的局限性：在使用淹没式套筒阀时，必须设置消力池，使 喷射水流喷入消力池，增加了工程量，加大了投资，增加了防渗的工作，增加了施工与 管理难度，造成水流的紊动，并大量掺气，不适于同封闭运行的管道输水系统交替使用； 在重力流压力管道输水系统中，使用线式套筒阀是可行的，但在有动力系统存在的压力 管道输水系统中，使用线式套筒阀无法对动力系统突然失控造成的水击进行有效的防 护。水击产生的瞬时高压可能高出设计压力几十倍，甚至上百倍，其危害对输水管道将 是致命的，因此，动力流输水管道对水击的防护是必不可少的，而线式套筒阀对此却无 能为力。这些阀的造价昂贵，维修难度大。 3 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 万家寨引黄工程联接段p c c p 输水工程，使用的是淹没式多喷孔套筒阀，入口直径 1 4 0 0m m ，单台通过流量为1 0 2 5m 3 s 。 2 、压力分级 对于总水头高的长管道压力输水系统，应根据具体情况划分为几级( 即几个压力区 段) ，在每一个区段的末端均设置调压调流设施。 分级的目的是为了控制每一压力区段的管道最高工作压力和管线长度。当每一个区 段的末端均设置淹没式多喷孔套筒阀时，各区段末端水位同大气连通，相对独立，不发 生水压力关系；当某一个区段出于压力调节的需要而在其末端设置了在线式多喷孔套筒 阀时，则相邻两区段之间的水压力将发生关系。即通过较小流量时，在线式多喷孔套筒 阀需消除较多的水头，而通过较大流量时，在线式多喷孔套筒阀只消除较少的水头，以 便将多余的水头传递到下一区段加以利用。 万家寨引黄工程联接段p c c p 输水工程，由于线路顺流而下，地形坡度大于水力坡 降，因此3 个区段的末端均使用了淹没式多喷孔套筒阀。各区间的管道工作压力均小于 0 8m p a 。但因管径大，故按每4k m 设置为一个检修段，将事故排水量控制在3 万m 3 以 内。如其第二区段长度2 1 2k m ，中间设置了4 座检修阀室，分成了5 个检修段。 3 、水击 对压力管道输水系统威胁最大的是水击问题。水击现象是由封闭着的压力管道内液 体流动的速度变化而产生的。水击压力( 或称涌压) 主要与管道内液体流速变化和液体压 力波波速成正比。水击压力同管道工作压力相加，即构成了发生涌压时管道内的总压力。 避免水击损害的方法有很多，但最简单有效的手段是延长阀门关闭的时间。就某一 种管道安装情况来说，应考虑几种可能的解决办法，从中找出可提供最大保护作用而花 费最小的一种方法。这些方法包括：在阀门处布置旁通管；对阀门最后1 5 - - 2 0 开度 提供缓冲保护；采用双速( 两段式启闭) 阀门；允许水泵电机在停电时反转( 须在厂家允 许范围内，并解决离合器自动断开问题，以防重新通电) ；在某些情况下，可以考虑安 装进气阀或液压气室。延长阀门关闭( 或打开) 时间，可以将水击压力控制在一定范围内。 这对大型阀门来说可能是简单易行的。 但是，对于长管线来说，按照控制水击压力反算的阀门关闭( 开启) 时问往往较长， 达到5 1 0 分钟甚至更多，同调度运用灵活性要求构成了矛盾。因此，需要我们对长管 道的水击危害问题应进行专门研究，设计出真f 切实有效的消能装置。 太原理_ t 大学硕士研究生学位论文 4 、排气 在首次充水或需要排空时，管道系统要排出或吸人大量空气。而在管道系统运行中， 水体中残存的气体会不断逸出，聚集在系统的高处，轻则降低运行效率，重则引发管路 事故，因此应当及时地将这些气体排出。工程实践中均采用自动进排气阀。 但是，当分析进、排气过程时会发现一个矛盾现象：管道首次充水或需要排空时， 排出( 或吸入) 的空气比较集中，而且不需要过高的压力；而系统运行中只需要排除少量 的气体，并且这些气体大都处于较高的压力环境之中。过去，一些小规模输水系统使用 的是单一的进排气阀，但对于大直径管道系统，这一矛盾尤为突出。为此，万家寨引黄 工程联接段p c c p 输水工程使用了国外已经十分流行的大口径组合式空气阀( d n3 0 0 + d n 3 8 ，以色列生产) 。为满足进排气量要求并确保安全，空气阀按每两个一组并列( 即双头) 布置。 1 1 2 问题的提出 根据以上万家寨引黄工程实例中存在的水力学问题，可以设想如果能找到一种有效 的消能装置，当作为长距离输水的消能器使用时，以在线方式安装在管路中以消除多余 的能量，当作为管道的水击消除器使用时，以旁路的形式并联在管路中，主管正常输水， 供给下游，当发生水击时，回流通过旁路的消能装置，从而达到降低水击危害的目的。 以上的想法可以通过在主管中安装逆止阀来实现，因此只要设计一种消能效果良好的消 能装置便可以解决有压管道的消能问题，防止管道中水击现象的危害发生。由于这类管 道是密闭有压的，其采用的消能措施不同于明渠或溢洪道一类的消能方法，而要采用适 于安装在管道系统中的消能装置。 1 2 国内外研究的现状与发展趋势 近年来，国内外学者对有压输水管道系统瞬变流的研究持续增长，其原因在于随着 各国经济的发展和人们同益增长的需水要求，越来越多的城市为了解决日趋尖锐的水资 源供需矛盾，不得不通过水库或水泵输水工程到几十公罩以外甚至更远的水源取水。这 类长距离管道输送系统带来了许多水动力学、涡动力学、工程热物理学等多领域多学科 的理论和实践方面的问题。非定常流动问题、气蚀问题、涡旋问题、水击问题、能耗及 消能问题等，就成为人们一直关注的课题。 5 太原理：犬学硕十研究生学位论文 1 2 1 水击的研究现状 水击的研究大致可分为两个阶段：1 ，水击基本理论的研究；2 ，水击研究在工程中 的应用与水击防护研究。 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 l 6 j 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。最早 观察并记录水击现象的学者是法国工程师m e n a b r e a ，他于1 8 5 8 年发表了有关水击的 记录 7 1 并首先用能量分析法解释水击的基本理论，因此成为弹性水击研究的奠基人。此 外，法国学者m i c h a n d 在1 8 7 8 年也发表了有关水击的文章，k o r t w e g 于1 8 7 8 年导 出水击波速的计算公式。1 9 0 4 年j o u k o v s k y l 8 】通过试验与推导，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 9 0 4 年，a l l i e v i 9 1 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 击的连锁方程式组，此后，a l l i e v i 还提出了使用至今的水击图解曲线，从而奠定了水击 计算的理论基础。1 9 1 9 年g i b s o n l l o i l l l l 对电站引水系统在缓慢关闭情况下的水击进行研 究。1 9 2 3 年g i b s o n 提出通过封闭管道中的水击测流速的方法，这种测流速的方法也称 为吉逋逊法( g i b s o nm e t h o d ) 。a l a i l l 2 l 对管网中由水柱分离产生不可压缩气体的水击现 象进行了试验研究。随着水击理论的不断发展后来的学者对含有不可压缩空气的封闭管 道进行水击波速的测定和研究，并且水击的研究范围扩展到石油输送管道和核电站供水 管网等领域【1 3 】【1 4 l 。 随着水击理论的不断完善，对水击的研究开始与具体的工程实践密切结合，即由理 论和方法的研究转向具体工程的瞬变特性分析与水击危害的控制。近4 0 年来，国内外 的学者对水击危害的消除与防止进行了大量的试验和计算研究工作，包括阀门的最优化 非线性关闭规律，水击共振的消除与控制，抽水蓄能电站的水力过渡过程分析等。特别 是在水电站引水系统的非恒定流研究中取得了丰硕的成果。 1 9 5 3 年g r a y i l 5 】对水击波的消散规律进行了研究，1 9 5 9 年c a b e l k a l l 6 l 研究了阀门 关闭方式对水击的影响，1 9 6 3 年s t r e e t e r l l 7 1 提出用分段关闭阀门的方式控制水击f 18 1 ， 1 9 6 6 年r u u s l l 9 】为减小和控制水击的危害，对水轮机阀门的关闭速度进行了优化研究。 近年来国内学者对水击的防护研究也很多。1 9 8 8 年，刘竹溪、刘光临【2 0 j 等对输水 管路水锤或含气水锤防护作了深入研究，他们认为合理选择水锤或含气水锤防护装置十 分重要。1 9 9 5 年，王学芳| 2 1 1 等人针对普通止回阀存在的事故停泵时阀门在自重作用下 6 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 迅速关闭造成阀后的空穴、空穴在正负水锤波的作用下反复产生和溃灭造成阀门的破坏 以及阀门动作不灵活、关闭缓慢、水倒流等缺点提出了一种新型的旋启式水阻可控缓闭 止回阀，该阀开启迅速且关阀时水锤较小。为了改善水锤或含气水锤压力，减轻损失， 水锤或含气水锤防护装置在有压输水管道系统得到了广泛的应用。1 9 9 6 年，刘光临【2 2 氆l 等人结合实际水利工程分析了长管道高摩阻系统，力而形成汽泡空穴，在水锤过程中， 管道中某些管段的压力容易降至水的汽化压前后的水柱断裂造成水柱分离，而在水锤压 力升高时，弥合水锤压力这一情况，选择单向调压塔的水锤防护技术进行分析和研究。 产生着重研究了在各种不同运行组合情况下事故停泵水力过渡过程中调压塔的水锤防 护特性及水泵出口阀关闭程序对管道系统压力和调压塔水位变化影响，提出了确定调压 塔经济断面的方法；得出对于高扬程、长管道、大流量的泵系统设置调压塔，不仅能有效 控制系统中事故停泵水力过渡过程中产生的水锤升压和压力降低，而且对于防止管道中 产生水柱分离具有良好效果。蒋劲【2 6 2 7 】提出确定泵系统阀门最优关闭程序的v s ( 阀调节) 法：分析了水泵水口阀的关闭特性，并对水锤的影响和两阶段关闭阀调节的水锤防护特性 提出了确定最优关阀程序的方法，但阀调节在实际应用中受到一定限制。2 0 0 0 年，徐巧 权l 冽针对江西瑞安取水泵房，采用二阶段缓闭止回阀代替一阶段微阻缓闭止回阀，较好 地消除了水锤。2 0 0 1 年，杨远东1 2 9 j 结合实例，提出了泵房和输水管线设计时减轻弥合 水锤的措施，包括降低输水管道水流的流速、输水管线布置应尽量避免出现驼峰，并对 普通止回阀、缓闭止回阀、调压塔和水锤消除器装置的防护效果进行了研究。刘华1 3 0 】 等对空气压力罐防护含气水锤进行了计算研究，计算表明设置空气压力罐的最大压力比 不设空气压力罐时的最大压力的降低和最小压力升高均十分明显。刘梅清1 3 1j 针对高扬 程、长管道、具有复杂地形的泵系统，采用单向调压塔装置进行水锤防护，认为单向调 压塔装置能有效地防止液柱分离的产生。文献1 3 2 】结合江西某长输水管道系统，对其设置 空气阀和取消空气阀进行了研究。杨晓东1 3 3 】等根据长距离压力输水系统和多点布置进排 气阀的特点，结合当量管道法和调整波速法，采用计算中的自动分段方法，同时将其应 用于进排气阀的水锤过程计算中，通过建立进排气阀的数学模型，确立了合适的计算方 法，计算表明，进排气阀是防止水柱分离较好的装置。翁晓红1 3 4 】对长管道系统停泵产生 的水锤压力提出了装设进排气阀的防护措施，认为进排气阀较好地抑制了液柱分离的产 生，有效地控制了系统压力的骤增。l e ea n dp e j o v i c l c l 3 5 , 3 6 】对空气阀的特性进行了研究， 着重研究了不同空气阀特性对水锤压力的影响。 7 太原理j t ：大学硕士研究生学位论文 为了更加有效的降低水击对输水管路的破坏，目前工程中采用消除水锤的形式，其 主要有以下几种： a 双向调压塔：在泵站附近或管道的适当位置修建，双向调压塔的水面高度应高于 输水管道终点接收水池的水面高度并考虑沿管道的水头损失。调压塔将随着管路中的压 力变化向管道补水或泄掉管路中的过高压力，从而有效地避免或降低水锤压力。这种方 式工作安全可靠，但其应用受到泵站压力和周边地形的限制。 b 单向调压塔：在泵站附近或管道的适当位置修建，单向调压塔的高度低于该处的 管道压力。当管道内压力低于塔内水位时，调压塔向管道补水，防止水柱拉断，避免弥 合水锤。但其对停泵水锤以外的水锤如关阀水锤的降压作用有限。此外单向调压塔采用 的单向阀的性能要绝对可靠，一旦该阀门失灵，可能导致发生较大的水锤。 c 气压罐：国内使用经验不多，在国外( 英国) 使用较广泛。它利用气体体积与压 力的特定定律工作。随着管路中的压力变化气压罐向管道补水或吸收管路中的过高压 力，其作用与双向调压塔类似。 d 水锤消除器：8 0 年代以前曾经广为采用。它安装于止回阀附近，管道中的水锤压 力通过开启的水锤消除器泄掉。某些水锤消除器无自动复位功能，容易因误操作导致发 生水锤。 e 缓闭止回阀：有重锤式和蓄能式两种。这种阀门可以根据需要在一定范围内对阀 门关闭时间进行调整。一般在停电后3 7s 内阀门关闭7 0 - 8 0 ，剩余2 0 - 3 0 的 关闭时间则根据水泵和管路的情况调节，一般在1 0 - - 3 0s 范围。可以利用计算机模拟最 佳时间，并现场调试确定。值得注意的是，当管路中存在驼峰而发生弥合水锤时，缓闭 止回阀的作用就十分有限。 以上的几种常见的管道消能装置主要针对压力管道中发生水击时，而采取的保护装 置，在管道急流输水时，却无用武之地，而且消能方式都比较复杂，又不能适时地对消 能装置的消能效果进行调节，在不同的设计压力下，必须选择不同型号的消能装置，缺 乏自我调节能力。 综观前人对非定常流及水锤防护研究，考虑到孔板装置能有效地抑制液柱分离的产 生及系统中的压力骤增，具有投资省、便于安装等特点，且前人研究成果较少。因此本 文通过试验研究对孔板消能装置的特性作进一步研究。 8 太原理二t ：大学硕十研究生学位论文 1 2 2 孔板消能工的研究现状 孔板消能工是利用水流在压力流动条件下，采用孔板使水头产生收缩与扩大，并利 用通过孔板的加速流动的水流，与下游水体发生强烈剪切作用，并在消能室内产生强烈 紊动，借以消煞能量的一种新型消能工。现在大型水电工程中，将导流洞改建成为泄洪 洞具有很大的经济效益，由此而产生诸如竖井漩流式、突缩突扩式1 3 7 】( 洞塞式t h r o a t t y p e e n e r g y d i s s i p a t o r s 和孔板式o r i f i c ee n e r g y - d i s s i p a t o r s ) 等多种形式的消能工。 虽然w b a l l ，h r o u s e 等人早在2 0 世纪五十年代就对突扩式压力消能工进行过试 验研究，我国南京水科院也曾经于1 9 5 6 年对两个泄水洞压力消能工进行过试验研究， 但真正对孔板泄洪洞进行全面系统研究还是在我国黄河小浪底工程提出采用之后，国内 许多科研院校和工程设计单位相继对孔板泄洪洞的体型、水力特性及结构振动等问题进 行了大量的研究。 1 9 8 5 年，黄河小浪底水利枢纽在世界上首次大规模采用多级孔板消能技术 ( m , u l t i o r i f i c e se n e r g yd i s s i p a t i o n ) ，把3 条大直径导流洞改建为永久泄洪洞。在小浪底 多级孔板消能泄洪洞的设计中，对消能室内的流态、流速和压力变化规律进行了试验， 对孔板消能水头损失系数及其影响因素，以及孔板消能室空化问题进行了研究，试验结 果均表明，孔板消能效果显著、消能率高、消煞的能量大多数转化为热能被水流带走， 并因孔板消能大大降低了洞内断面的平均流速，可减轻高含沙水流对衬砌边壁的磨损。 小浪底导流洞改建为永久孔板泄洪洞将为具有高水头、高流速和高含沙水流的泄洪建筑 物的消能方式开创一条新途径。1 3 8 j 随着黄河小浪底水利枢纽多级孔板消能技术试验的成功，国内许多科研院校和工程 设计单位相继对孔板泄洪洞的体型、水力特性及结构振动等问题进行了大量的研究，在 孔板消能技术方面取得了一大批成果，开辟了孔板消能技术的新纪元。清华大学、南京 水利院、大连理工大学、北京水科院等对不同孔板消能设计方案的消能效率、流速分布、 空化特性等方面进行了室内或原型的试验研究工作，其中太原理工大学延耀兴、阎庆绂 教授及有关研究人员，近年来在孔板消能方面进行了大量研究工作，在射流消能，多级 孔板消能、螺旋孔与螺旋流消能方面都取得了丰硕成果【3 9 - 4 3 1 ，并将研究成果用于工程设 计和学生培养工作，取得了良好得的经济和社会效益。 9 太原理：i ：人学硕士研究生学位论文 1 2 3 螺旋流的研究现状 螺旋流在自然界十分常见，如龙卷风、旋风分离、旋流器、涡管及管道系统中常见 的螺旋流等。螺旋流因其含有较大的涡量和动能，在流动中起着重要的作用，而一直受 到科学工作者的重视。螺旋流理论已在越来越多的领域得到了广泛的应用。 国内外研究者对螺旋流流动特性进行了大量研究。研究的重点主要集中在影响螺旋 流的各种因素上，如进流方式、工作介质、管道条件等，以提高螺旋流发生装置的性能、 效率。 螺旋流的产生方法主要有以下几种在通道入口安装旋流器、安装叶栅或带状导流 片、切向喷射、旋转轨道，国内外研究者对这些方式产生的螺旋流进行了大量研究，其 应用技术己很成熟。这几种螺旋流产生方法有的对导流片的安装精度要求较高，有的螺 旋流强度不够高，有的对外界条件依赖较强。工程实际需求研制新的螺旋流发生装置， 这种装置要求加工工艺简单、使用方便、效率高。 1 9 6 1 年，n i s s a nb r e s a n 最早研究了管内螺旋流流场。他们发现流场中心压力总是最 低，向壁面或多或少增加，沿下游压力降低。离中心不到一半半径的地方切向速度达到 最大，断面平均环量沿下游衰减。当r e 0 1 时，旋流强度衰减特性在半对数图 上并不完全是一条直