水利工程論文-張峰水庫輸水二干管線工程重力流水力過渡過程的數(shù)值模擬摘要:在供水工程中,當突然啟動、停止或為調(diào)節(jié)流量而起用閥門時所產(chǎn)生的水錘壓力往往較大,破壞性強,常造成意外損失。因此,對關閥水錘進行正確的計算分析,做出必要的防護措施尤為重要。本文以張峰水庫輸水二干管線工程為工程背景,進行重力流的水力過渡過程數(shù)值模擬,并對計算結果做出分析。關鍵詞:重力流；關閥水錘；調(diào)流調(diào)壓閥由于壓力管路中流速的突然變化,引起管中水流壓力急劇上升或降低的現(xiàn)象稱為水錘或水擊。水流是具有慣性的,在供水工程中,當突然啟動、停止或為調(diào)節(jié)流量而起用閥門,都將使水流速度發(fā)生變化而產(chǎn)生慣性力,慣性力的大小等于水流質(zhì)量m與加速度的乘積,方向與加速度方向相反。在出水管路中,這個慣性力就表現(xiàn)為水錘壓力。突然啟動、停止或為調(diào)節(jié)流量而起用閥門所產(chǎn)生的水錘壓力往往較大,一般可達正常壓力的1.54倍或更大,破壞性強,常造成意外損失。所以對關閥水錘必須進行認真分析,并做出較精確的計算,以便采取必要的防護措施。重力流水錘是在突然停電或者在閥門關閉太快時,由于壓力水流的慣性,產(chǎn)生水流沖擊波,就像錘子敲打一樣,所以叫水錘。水流沖擊波來回震蕩產(chǎn)生的力,有時會很大,從而破壞閥門。當打開的閥門突然關閉,水流對閥門及管壁,主要是閥門會產(chǎn)生一個壓力,由于管壁光滑,后續(xù)水流在慣性的作用下,壓力迅速達到最大,并產(chǎn)生破壞作用,這就是水力學當中的“水錘效應”,也就是正水錘。在長距離供水工程中必須考慮這一因素。相反,關閉的閥門在突然打開后,也會產(chǎn)生水錘,叫負水錘,也有一定的破壞力,但沒有前者大。水錘效應具有很強的破壞作用,可導致管子的破裂或瘡陷、損壞閥門和緊固件,為了消除水錘效應的嚴重后果,在管路中需要設置一系列緩沖措施和設備。通過計算機數(shù)值計算方法來模擬各種工況條件下輸水管路系統(tǒng)的水錘狀況,包括壓力、流量等,進而分析超常水錘壓力可能出現(xiàn)的情況,校核閥門和壓力管路的承受壓力,針對計算分析結果采用必要的水錘防護措施,尋求閥門的最優(yōu)關閉規(guī)律,來確保整個供水工程的安全運行,為供水工程的安全運行和供水工程的優(yōu)化設計提供技術依據(jù),因此意義重大。1重力流水力過渡過程計算原理1.1水錘基本方程水錘基本特性方程包括運動方程和連續(xù)性方程1(1)運動方程:式中:v、H:分別為產(chǎn)生水錘時管中的流速和測壓管水頭；f、D、g:分別為管道摩阻系數(shù)、管徑、重力加速度；x、t:分別為水錘波傳播的距離、時間。(2)連續(xù)性方程:1.2水錘特征線方程及其解法根據(jù)流量和流速的關系Q=AV,用V=Q/A代替方程式(1)和(2)中的V值,經(jīng)推導得水錘基本方程的另一種形式:從公式(5)、(6)、(7)的對比中可以看出,如果令C2=dx/dt,則式(5)中前一括號內(nèi)可寫成dQ/dt,如令1/=dx/dt,則后一括號內(nèi)的值可寫成dx/dt,即令:AP和BP直線,并交于P點。如果把式(10)寫成下列形式:dx=Cdt則dx是表示在dt時段內(nèi)水錘波面以波速C沿管路移動的距離,例如,在t0時,管路A處生產(chǎn)或傳出一正水錘波+C,在t0+t時移動了x距離而到達P點(即對應+1/C線上的P點),如下圖所示:同理在管路B點生產(chǎn)或傳出一反向水錘波-C,在t0+t時也到達P點。所以我們把這種斜率為1/C的直線分別稱之為正水錘特征線和負水錘特征線,它們實質(zhì)上反映了水錘波的傳播過程,把+1/C值分別帶入公式(9)和(10)中。兩組方程式說明:式(11)是(12)成立的條件；而式(13)是式(14)成立的條件,即對正特征線方程式(12)成立,對負特征線方程式(14)成立。由此可見,特征線即反映了水錘波面沿管路傳播過程,也確定了管路中流量和水頭的關系。1.3重力流水錘波速的計算本段重力流采用玻璃鋼管,管徑DN800mm,計算可得水錘波波速c=929.49m/s。2張峰水庫輸水二干管線工程重力流水錘計算機數(shù)值模擬2.1張峰水庫二干管線計算主要技術資料2.1.1張峰水庫輸水工程簡介張峰水庫位于山西省晉城市沁水縣鄭莊鎮(zhèn)張峰村沁河干流上,距晉城市城區(qū)90km,水庫總庫容3.94億m3,是以城市生活和工業(yè)供水、農(nóng)村人畜飲水為主,兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用的大(2)型水庫樞紐工程。2.1.2二干重力流段供水工程簡介(1)工程規(guī)模:二干起點為總干末端調(diào)蓄水池,輸水線路全長18.28km(總干末端蓄水池至二干末端蓄水池),向南供巴公地區(qū)工業(yè)用水,設計流量1.11m3/s,管道及其建筑物的級別為3級,采用20年一遇洪水設計、50年一遇洪水校核。(2)重力流工程組成；二干起點為總干末端調(diào)蓄水池,向正南方向在唐莊西約1km處穿S331公路,經(jīng)北陳、窯則頭(在樁號R4+249穿鐵路,在樁號R6+777處穿過許河)在樁號R9+350到達界牌嶺,然后向南(在樁號R10+216.69穿S227公路,在樁號R10+567.22穿鐵路)經(jīng)莒山煤礦、雙王莊、南莊、東、西板橋村至渠頭村西南側的二干末端蓄水池。輸水線路全長約18.1km(總干末端蓄水池至二干末端蓄水池),向南供巴公地區(qū)工業(yè)用水,設計流量1.11m3/s。重力流系統(tǒng)布置圖見圖2,供水管道采用玻璃鋼管,管徑DN800mm,糙率率選用0.009。供水管道水錘計算的基本資料見表1?？偢赡┒苏{(diào)蓄水池水位(920.5m)二干末端蓄水池水位771.0m,其中的管道長度18.1km,管道采用DN800mm玻璃鋼管,該區(qū)段靜水頭為149.5m,設計流量Q=1.11m3/s。重力流最終的削能減壓措施為網(wǎng)孔套筒式減壓閥。2.1.3本研究的主要內(nèi)容及工況計算流量為設計流量Q=1.11m3/s,摩阻系數(shù)分別取f=0.0089、f=0.0090、f=0.0095計算。本課題研究的主要水力過渡過程的數(shù)值模擬即:閥前輸水管道壓力控制在1.3倍的工作壓力以下,確定套筒閥閥的關閉規(guī)律；模擬計算分析壓力管線的壓力分布情況。2.2張峰水庫二干管線重力流水錘計算機數(shù)值模擬結果分析本研究在設計流量工況、不同摩阻系數(shù)、調(diào)流調(diào)壓閥不同關閥規(guī)律(時間)條件下,根據(jù)重力流供水工程水錘計算的有關技術要求,模擬計算整個供水系統(tǒng)的水錘壓力。在本工程重力流的相關技術資料已經(jīng)提出的基礎上,通過模擬計算提供重力流最大水錘壓力分布狀況,提供最大水錘壓力的包絡線及對應的時間過程,校核該供水工程的設計方案的合理性。2.2.1模擬計算的工況優(yōu)化和計算結果分析管材為玻璃鋼管,管徑DN=800mm,水擊波速c0=929.49m3/s,設計流量Q設=1.11m3/s,分20段計算。靜水頭H0=149.5m,計算中取摩阻系數(shù)f=0.0089、f=0.0090和f=0.0095,分別在調(diào)流調(diào)壓閥不同關閥規(guī)律(時間)和不同摩阻系數(shù)下計算關閥時間分別為200s、350s、400s時的關閥水錘壓力特征值。為避免閥門使用中出現(xiàn)震動和超常的噪聲,閥門的最小進口水頭與閥門最大出口水頭之差控制在規(guī)范運行的條件下,在供水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行研究的基礎上