摘要 隨著城市建設(shè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，長距離輸水工程越來越多，伴之而來 的輸水安全引起人們的關(guān)注。而長距離大型區(qū)域重力流輸水系統(tǒng)作為一種節(jié)能，高效的 輸水系統(tǒng)，其安全性也值得人們關(guān)注。本文主要通過對長距離大型區(qū)域重力流輸水系統(tǒng) 的水錘防護模擬計算，提出這類輸水系統(tǒng)的有效水錘防護措施。 本文基于國內(nèi)外發(fā)展概況，闡述了水錘數(shù)值計算理論方法，并給出長距離大型區(qū)域 重力流輸水系統(tǒng)的幾種邊界條件。在前人研究的基礎(chǔ)上總結(jié)了氣液兩相流在輸水管道中 的各種流態(tài)，以及流態(tài)間的轉(zhuǎn)化，并對管道中氣囊運動的升壓問題、危害以及管道排氣 最佳方式進行了探討。對常用的水錘防護措施的結(jié)構(gòu)原理、性能特點及選擇的技術(shù)要點 進行了說明，并提出了選擇水錘防護措施時應(yīng)注意的問題。根據(jù)水錘計算中常用的特征 線法，結(jié)合各類邊界條件建立了水錘計算的基本數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計算機語言編制水錘防 護計算的可視化程序，利用計算機進行模擬計算。 本文最后，以遼寧省大伙房水庫輸水工程為實例，對長距離大型區(qū)域重力流，有多 個分支的輸水系統(tǒng)，進行水錘防護模擬計算。根據(jù)水錘計算結(jié)果，對各種不同的水錘防 護措施進行了比較，得出了長距離大型區(qū)域重力流輸水系統(tǒng)的最佳水錘防護措施。望對 于類似工程的水錘防護具有參考價值和借鑒意義。 關(guān)鍵詞：長距離大型區(qū)域；重力流；水錘防護；排氣閥：箱式雙向調(diào)壓塔 a b s t r a c t w i t hd 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 ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl 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 j e c t sa p p e a r , t h es a f e t yo fw a t e r t r a n s p o r t a t i o n a t t r a c t s p e o p l e s a t t e n t i o n a sa n e n e r g ys a v i n g a n de f f i c i e n tw a t e r t r a n s p o r t a t i o np i p e l i n es y s t e m ，t h es a f e t yo fl o n gd i s t a n c ea n dl a r g e s c a l er e g i o n a lw a t e r g r a v i t a t i o n a lt r a n s p o r t a t i o np i p e l i n es y s t e ma l s oa t t r a c t sp e o p l e sa t t e n t i o n t h ee f f e c t i v e m e a s u r e st ol o n gd i s t a n c ea n dl a r g e s c a l er e g i o n a lw a t e rg r a v i t a t i o n a lt r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e s y s t e ma r ep r o p o s e db ys i m u l a t i o no ft h i st y p e sw a t e rh a m m e rp r o t e c t i o ni nt h ea r t i c l e i nt h ep a p e r , b a s e do nd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a ld e v e l o p m e n t s ，t h et 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 ，s e v e r a lb o u n d a r yc o n d i t i o n so fl o n gd i s t a n c ea n d l a r g e s c a l er e g i o n a lw a t e rg r a v i t a t i o n a lt r a n s p o r t a t i o np i p e l i n es y s t e ma r eg i v e n t h i sp a p e r o u t l i n e ss e v e r a lo fp a t t e r n so fg a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o wa n dp a t t e r nt r a n s f o r m a t i o no nt h e b 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 si nw a t e rp i p e l i n ea n dp r e s s e ra n dh a r mo ft h e w a t e r s u p p l yp i p ec l o g g e db yg a s t h eb e s tw a y o fe x h a u s tw a ss t u d i 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 em e a s u r e sf o rw a t e r h 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 nc h o o s ep r o t e c t i n g m e a s u r e sf o rw a t e rh a m m e r 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 rh 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 f b 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 e c o m p u t e rl a n g u a g e ，m a d eu s eo ft h ec o m p u t e rt oc a r r yo ns i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n f i n a l l y , t a k ed a h u o f a n gr e s e r v o i ri nl i a o n i n gp r o v i n c ew a t e rt r a n s p o r t a t i o np r o j e c ta s t 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 fw a t e rh a m m e rp r o t e c t i o ni ss h o w ni nl o n gd i s t a n c ea n d l a r g e s c a l er e g i o n a lw a t e rg r a v i t a t i o n a lt r a n s p o r t a t i o np i p e l i n es y s t e mw h i c hh a sm u l t i p l e b r a n c h b a s e do nt h er e s u l to fc a l c u l a t i o n ，t h eb e s tp r o t e c t i v em e a s u r eo fl o n gd i s t a n c ea n d l a r g e s c a l er e g i o n a lw a t e rg r a v i t a t i o n a lt r a n s p o r t a t i o np i p e l i n es y s t e mi ss h o w nb yc o m p a r i n g w i t hv a r i o u sp 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 r 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 ：l o n gd i s t a n c ea n dl a r g e - s c a l er e g i o n ；g r a v i t yf l o w ；w a t e rh a m m e r p r o t e c t i o n ；e x h a u s tv a l v e s ；b o xt y p et w o - w a ys u r g et a n k 論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明：本人所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研 究工作所取得的成果。除論文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，對論文的研究 做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本論文中不 包含任何未加明確注明的其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的成果。 本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名：齊艦罟、 年，月；oe l 論文知識產(chǎn)權(quán)權(quán)屬聲明 本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下所完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識產(chǎn)權(quán)歸屬 學(xué)校。學(xué)校享有以任何方式發(fā)表、復(fù)制、公開閱覽、借閱以及申請專利 等權(quán)利。本人離校后發(fā)表或使用學(xué)位論文或與該論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論 文或成果時，署名單位仍然為長安大學(xué)。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 敝儲繇堂l 端、1 年刪。日 導(dǎo)師一枷肇1 加 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 本課題研究的背景及意義 第一章緒論弟一早珀下匕 眾所周知，我國是一個缺水嚴(yán)重的國家。雖然我國的淡水資源總量為2 8 0 0 0 億立方 米，占全球水資源的6 ，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，名列世界第四位。但是，我 國的人均水資源量卻只有2 3 0 0 立方米，僅為世界平均水平的1 4 ，在世界排第11 0 位， 是全球人均水資源最貧乏的國家之一。 除了水資源的不足外，我國水資源還存在著十分嚴(yán)重的分布不均勻性。水資源分布 的趨勢是東南多西北少，相差十分懸殊。南方長江流域、珠江流域、浙閩臺諸河片和西 南諸河四個流域片的耕地面積只占全國耕地面積的3 6 5 9 ，但水資源占有量卻占全國 總量的8 1 ，人均水資源量約為全國平均值的1 6 倍，平均每公頃耕地占有的水資源量 則為全國平均值的2 2 倍。而北方的遼河、海灤河、黃河、淮河四個流域片耕地很多， 人口密度也不低，但水資源占有量僅為全國總量的1 9 ，人均水資源占有量約為全國平 均值的1 9 ，平均每公頃耕地占有的水資源量則為全國平均值的1 5 。因此，我國北方 不少地區(qū)和城市缺水現(xiàn)象十分嚴(yán)重。 另一方面，由于我國大部分地區(qū)的降雨主要受季風(fēng)氣候影響，降水量的年際、季際 變化也很大，因而造成水旱災(zāi)害頻繁。全國大部分地區(qū)在汛期四個月左右的徑流量占據(jù) 了全年降雨量的6 0 8 0 ，集中程度超過歐美大陸，與印度相似。這就導(dǎo)致了年內(nèi)的分 布不均，甚至出現(xiàn)連續(xù)豐水年或連續(xù)枯水年的情形，使水資源供需矛盾十分突出，水的 短缺問題更加嚴(yán)重。 但是與之相對的卻是供水管網(wǎng)的老化、水體污染等引起的供水量的嚴(yán)重不足。由于 人民的生產(chǎn)、生活和社會活動等原因?qū)Τ鞘懈浇春秃恿鞯奈廴?，地下水的存量不?以滿足人們的生產(chǎn)生活需要，為避免過度開采引起的地面沉降，使得人們不得不從距城 市較遠的水源地去取水。調(diào)查顯示，我國大部分城市和地區(qū)均處于缺水狀態(tài)，有十五個 省人均用水量低于嚴(yán)重缺水線，其中天津、上海、北京、寧夏、河北、河南、山東、山 西、江蘇、遼寧等十個省市區(qū)人均水量低于生存起碼線【l 】。 “水荒 已經(jīng)成為了制約我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的頭號大敵。為解決這一問題，國家 和地方相繼投入了大量的人力、物力，進行長距離引水工程的建設(shè)。如近年來天津引灤 工程、大連引碧工程、上海黃浦江上游引水工程、內(nèi)蒙古引黃工程、引黃濟青工程、引 黃入晉工程、西安黑河引水工程、南水北調(diào)工程等，還有眾多為解決各城市生產(chǎn)生活用 第一章緒論 水而興建的各種長距離輸水工程。在這類長距離輸水工程中，最常見而又最突出的問題 就是輸水管線的安全防護問題。一旦出現(xiàn)水錘，它會以迅雷不及掩耳之勢破壞生產(chǎn)設(shè)備， 淹沒農(nóng)田并殃及周圍人員，給生產(chǎn)部門帶來重大損失，甚至很多工程因此而長期擱淺， 運行調(diào)試工程一直無法完成。因此，輸水管線的安全運行問題必須引起高度重視，長距 離輸水管線的安全防護有著很重要的現(xiàn)實應(yīng)用意義。 重力管道輸水方式因其具有可隨一定地形條件鋪設(shè)、對地質(zhì)條件要求不高，滲漏損 失小，能保證輸水水質(zhì)，施工方便，造價較低，管理方便等優(yōu)點，常作為設(shè)計者優(yōu)先考 慮的方案，故長距離、重力流供水工程也逐年增多，然而長距離重力流供水工程中對于 大型區(qū)域的長距離重力流輸水系統(tǒng)的管路安全問題尤其成了供水工程安全運行的難題。 因此長距離大型區(qū)域重力流輸水系統(tǒng)的水力過渡過程的研究，不僅為供水工程的設(shè)計提 供科學(xué)依據(jù)，而且對指導(dǎo)供水工程的安全運行也具有十分重要的意義。因此，本文選擇 以長距離大型區(qū)域重力流輸水系統(tǒng)水錘防護作為研究方向，主要通過遼寧省大伙房水庫 輸水工程鞍山加壓泵站上游段管道運行中水錘防護計算為例，探討長距離大型區(qū)域重力 流輸水系統(tǒng)的水錘防護問題，望對類似工程的水錘防護提供借鑒意義。 1 2 水錘現(xiàn)象綜述 1 2 1 水錘的成因及分類 在壓力管道中因流速劇烈變化引起動量轉(zhuǎn)換，從而在管路中產(chǎn)生一系列急驟的壓力 交替變化的水力撞擊現(xiàn)象，稱為水錘現(xiàn)象。水錘也稱水擊，或稱流體( 水力) 瞬變( 暫 態(tài)) 過程，它是流體的一種非恒定( 非穩(wěn)定) 流動，即液體運動中所有空間點處的一切 運動要素( 流速、加速度、動水壓強、切應(yīng)力與密度等) 不僅隨空間位置而變，而且隨 時間而變【2 1 。外部的邊界條件，如閥門或水泵的特點、管路布置特點和管材、水池中水 位高低及變化等等，均通過水流的物理性質(zhì)而對水錘現(xiàn)象其作用的。 水錘發(fā)生的物理原因主要是液體具有慣性和壓縮性。液體慣性維持原有運動狀態(tài)， 流速突然改變導(dǎo)致液體壓縮或膨脹而使得壓強急劇變化；反之，液體兩側(cè)受力變化也可 導(dǎo)致流速改變。一般來說，輸水管道系統(tǒng)中過渡過程的起因大體有：啟泵和停泵，機組 轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或運行不穩(wěn)定、動力故障，空氣進入泵或管道系統(tǒng)，泵內(nèi)發(fā)生回流，閥門 啟閉，線路分流、集流等。 從不同的角度劃分，水錘可分為以下四種： 1 按關(guān)閥歷時t s 與水錘相的關(guān)系，分為直接水錘和間接水錘 2 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文 在水泵站中所發(fā)生的水錘通常是間接水錘，其過程十分復(fù)雜，或者先是間接水錘， 隨后發(fā)生直接水錘。 2 按水錘成因的外部條件，可分為啟泵水錘、關(guān)閥水錘和停泵水錘三種 啟泵水錘常在管道首次或檢修放空等管道中含有大量的氣體的情況下充水，閥門開 啟過快或管路排氣不暢時發(fā)生；關(guān)閥水錘是關(guān)閉閥門過程中發(fā)生的水錘現(xiàn)象。通常，按 照正常的關(guān)閥程序操作，不會引起很大的水錘壓力變化；停泵水錘是由于水泵機組突然 斷電而造成開閥停車時，泵站及管路系統(tǒng)中所發(fā)生的水錘現(xiàn)象。 3 按水錘水力特性，分為剛性水錘和彈性水錘理論 前者計算比較簡單，計算結(jié)果偏大；后者計算雖復(fù)雜但結(jié)果比較符合實際，對于長 距離管路系統(tǒng)進行水錘計算時，應(yīng)采用彈性水柱理論，以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。 4 按水錘波動的現(xiàn)象，分為水柱連續(xù)的水錘現(xiàn)象( 無水柱分離) 和伴有水柱分離 的水錘現(xiàn)象( 斷流空腔再彌合水錘) 。 1 2 2 水錘的危害 水錘事故能造成管道破裂，設(shè)備( 水泵、止回閥等) 損壞，大量漏水乃至斷水；有 時造成泵站淹沒，泵船沉沒，路面被毀，人身傷亡等 2 1 。 在有壓管道泵站水力過渡( 水錘) 過程中，管道出現(xiàn)負(fù)壓或壓力降到飽和蒸汽壓以 下而導(dǎo)致水柱分離，并在該處形成空氣腔，它將連續(xù)的水柱截成兩段，當(dāng)分離開的兩水柱 再重新彌合即空腔潰滅時，由于兩股水柱間的劇烈碰撞會產(chǎn)生具有直接水錘特征的壓力 很高的“斷流彌合水錘”。彌合水錘升壓很大，根據(jù)有關(guān)理論計算，排氣不暢引起氣爆壓 力最高可達2 0 - 4 0 個大氣壓，其破壞力相當(dāng)于靜壓4 0 - 8 0 個大氣壓，足以破壞任何供 水管道。它是供水系統(tǒng)中最具有危害性一種水錘撞擊波動，比常見的傳統(tǒng)水錘危害要嚴(yán) 重的多。據(jù)原武漢水利電力學(xué)院的水錘專家們提供：生產(chǎn)實踐中的長輸水管路中所出現(xiàn) 的管路破裂，7 0 - - 8 0 與水柱分離有關(guān)【3 1 。可見，斷流彌合水錘的危害是很大的，管 線防護的重點將是斷流水錘防護。 1 3 國內(nèi)外水錘防護研究綜述 1 3 1 國外研究綜述及現(xiàn)狀 水錘的研究歷史最早可以追溯到1 9 世紀(jì)關(guān)于波的傳播理論的探討。水力過渡過程 研究最早是從探討聲波在空氣中的傳播和波在淺水中的傳播以及血液在動脈中的流動 3 第一章緒論 開始的，但是直到彈性理論、微積分學(xué)以及解偏微分方程的方法建立以前，這些問題都 未能精確地獲得解決【4 1 。 牛頓( n e w t o n ) 和拉格朗( l a g r a n g e ) 對聲波在空氣中的波速作了理論分析以及實驗 測試。牛頓推導(dǎo)出了一個不正確的渠道中的水波波速公式，拉格朗日則推導(dǎo)出了明渠中 波速的正確公式，其形式為口= ，其中d 為渠道水深。歐拉( e u l o ) 建立了更為詳細 的彈性波傳播理論并導(dǎo)出波傳播的偏微分方程。1 7 8 9 年，蒙吉( m o n g e ) 提出了偏微分方 程的圖解法，并提出了特征線法【5 1 。 赫爾姆合爾茨( h e l m h o l t z ) 首先正確指出，水在管道中的壓力波速較其在無圍限的水 中高是由于管壁有彈性引起的。m a r e y 為確定在水中和水銀中的壓力波速進行了廣泛試 驗，得出的波速結(jié)論是：壓力波的速度與振幅無關(guān)；在水銀中比在水中要大三倍；與管 路的彈性成正比。韋f f l ( w e b e r ) 研究了彈性管中的不可壓縮流體的流動并做了決定壓力波 速度的試驗，他建立了壓力波的運動方程和連續(xù)方程，這些方程是我們研究水錘的基礎(chǔ)。 1 8 0 8 年拉塞爾( r e s a l ) 發(fā)展了連續(xù)方程和運動方程，提出了二階波動方程【6 】。 首先對水錘問題進行研究的是意大利工程師門那布勒( m e n a b r e a ) 。他在1 8 5 8 年所發(fā) 表的文章中，不同于前人只注意波速，而把著眼點放在由波的傳播所引起的壓力變化上 面。他利用能量原理，考慮了管壁和流體的彈性，導(dǎo)出了波速公式，說明了水擊的基本 理論，從此奠定了彈性水擊的理論基礎(chǔ)【7 , 8 1 。錘的基本理論，從此奠定了彈性水錘的理論 基礎(chǔ)。 同一時期，美國、俄國和意大利的學(xué)者分別發(fā)表了比較全面系統(tǒng)的水錘理論的著作。 1 8 9 8 年，美國工程師弗里澤爾( f r i z e l l ) 在美國土木工程師協(xié)會會報上發(fā)表了論文“管道中 流速變化所產(chǎn)生的壓力”。文中弗里澤爾導(dǎo)出了水錘波速和由于流速突然變化所產(chǎn)生的 水錘壓力的公式，并且指出如果管壁彈性模量是無限大，水錘波速與聲波在不封閉的水 中的速度相等。文中還討論了分岔管、波的反射以及連續(xù)波對速度的影響等問題【9 1 。 1 8 9 7 年，俄國空氣動力學(xué)家儒科夫斯基( j o u k o w s k i ) 在莫斯科用不同的管道對水錘現(xiàn) 象做了大量的實驗。在理論和實驗的基礎(chǔ)上，他于1 8 9 8 年發(fā)表了題為“管道中的水錘” 的著名論文。文中建立了速度減小與壓力升高的關(guān)系式，即著名的儒科夫斯基公式：討 論了壓力波沿管道的傳播和壓力波在出流端點的反射；對調(diào)壓室、安全閥以及閥門關(guān)閉 速率等對水錘的影響也進行了研究；并且指出：當(dāng)關(guān)閉時間t 2 l a 時( l 表示管長， 口表示波速) ，水錘壓力升高達到最大值【1 0 】。 意大利工程師阿列維( a l l i e v i ) 稍后于儒科夫斯基，于1 9 0 2 年發(fā)表了關(guān)于水錘理論的 4 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文 論文。儒科夫斯基的研究只解決了直接水錘的問題，阿列維則在理論分析的基礎(chǔ)上，解 決了間接水錘的問題。他介紹了兩個無因次參數(shù)，即a l l i e v i 常數(shù)和閥門關(guān)閉特性，他 在計算公式中引進了迄今仍在使用的水錘常數(shù)。對于線性啟閉規(guī)律條件下的閥門端的水 錘壓力，他提供了一套圖表，便于實際應(yīng)用【1 1 1 。阿列維還研究了閥門有節(jié)奏的動作并證 明了壓力不會超過了兩倍靜水頭。儒科夫斯基和阿維列的理論在2 0 世紀(jì)2 0 年代以前獲 得了廣泛應(yīng)用。 從1 9 世紀(jì)初至2 0 世紀(jì)5 0 年代末，伍德( w o o d ) 、洛威( l o w y ) 等人提出了圖解法， s c h n y d e r 在分析連有離心泵的管道水錘壓力中，計入了全水泵特性，他第一個在圖解分 析中計入阻力損失。伯格龍( b e r g e r o n ) 、帕馬京( p a r m a k i a n ) 等對圖解法做了全面系統(tǒng)的 發(fā)展。1 9 3 8 年a n g u s 提出了對于復(fù)雜管道和分岔管道的水錘壓力和液柱分離計算【1 2 】。 其他提出流體分離的學(xué)者還有l(wèi) u p t o n ，r i c h a r d 等。 1 9 3 3 年，a s c e 和a s m e 聯(lián)合發(fā)起在芝加哥召開了一次水錘專題討論會，本次 會議提出了若干關(guān)于壓力水管和排水管道中水錘分析的論文。另一次關(guān)于水錘的討論會 是在1 9 3 7 年召開的a s m e 年會上進行的。這次會議提出了關(guān)于空氣室和閥門的分析， 包含全水泵特性以及計算值與量測值的比較等方面的論文。在管道水擊分析中，w o o d 通過限性化阻力項，使用了h e a v i s i d e 的微積分運算，在這之后m c h 使用了拉普拉斯 變換來分析管道中的水擊。 r u u s 第一個提出確定閥門關(guān)閉順序的方法，這個關(guān)閉規(guī)律稱為閥門的最優(yōu)關(guān)閉， 它使最大壓力保持在規(guī)定限制范圍內(nèi)。其后，c a b e l k a 、f r a n c 和s t r e e t e r 各自提出了這 個概念，隨后把它推廣到復(fù)雜管道系統(tǒng)并用計算機來計算。 2 0 世紀(jì)6 0 年代初期，美國著名流體力學(xué)專家斯特里特vl ( s t r e e t e r v l ) 教授連續(xù)發(fā) 表幾篇論文【1 3 , 1 4 1 ，1 9 7 8 年懷利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 d t r a n s i e n t l 5 】一書，書中主要討論了瞬變流的發(fā)生、發(fā)展的機理以及如何減少和防止山于 瞬變流動造成的不利影響，并給出了用f o r t r a n 語言計算瞬變流的方法和程序以及控 制瞬變流的工程措施。書中涉及了渦輪泵、調(diào)速水輪機、閥調(diào)節(jié)、往復(fù)泵、明渠、石油 和天然氣輸送等系統(tǒng)中的工程實際問題，并系統(tǒng)地介紹了他們運用電子計算機進行水錘 計算的研究成果。該書于1 9 8 3 年由清華大學(xué)譯成中文版瞬變流。1 9 7 9 年，加拿大的 m h c h a u d h r y 博士發(fā)表專著a p p l i e dh y d r a u l i ct r a n s i e n t s ，書中系統(tǒng)地介紹了水力過渡 過程的基本原理、數(shù)學(xué)模型與工程實用計算方法，以及水電站、核電站。水泵站、輸油 管道系統(tǒng)中的水力過渡過程計算方法、控制過渡過程的實例、電算程序，也涉及壓力管 5 第一章緒論 道中的水柱分離與共振等問題。日本秋元德三教授【l6 】于1 9 7 2 年出版了水擊與壓力脈 動一書，1 9 8 1 年我國出版了其中文版。 隨著管道水錘研究工作的發(fā)展，在英國皇家學(xué)會流體工程分會的組織下，國際上每 隔幾年召開一次國際壓力涌波會議( i n t e r n a t i o n a lp r e s s u r es u r g ec o n f e r e n c e ) ，總結(jié)和交流 這方面的研究工作。我國從第四屆( 1 9 8 3 年) 開始才有學(xué)者參加這項國際會議【”】。 國際水力研究協(xié)會( i a h r ) 于1 9 7 8 年還專門成立了斷流水錘研究組，并于2 0 0 0 年出 版了名為伴有水柱分離的水力過渡過程( h y d r a u l i ct r a n s i e n t s w i t hw a t e rc o l u m n s e p a r a t i o n ) i e j 綜合報告書【l 引。該書中詳細論述該研究組近年來對斷流水錘的研究成果。 近年來，計算機技術(shù)迅猛發(fā)展，管道水錘的計算機模擬也日趨完善，水錘防護技術(shù) 也將進入一個嶄新的階段。 1 3 2 國內(nèi)研究綜述及現(xiàn)狀 國內(nèi)對水錘的研究起步較晚，目前對水擊基本理論的系統(tǒng)論述的資料較少。國內(nèi)對 水錘的研究始于2 0 世紀(jì)6 0 年代，王守仁和龍期泰等人做了大量試驗，對后期水錘計算 和防護奠定了基礎(chǔ)，特別是對下開式水錘消除器的研究，為其7 0 年代的普及使用起到 了很好的指導(dǎo)作用。但這一時期專著較少。 8 0 年代開始，有關(guān)水錘的專著才逐漸問世。1 9 8 1 年，清華大學(xué)王樹人主編的水 擊理論與水擊計算較系統(tǒng)闡述了水擊的基本理論和基本方程式的推導(dǎo)，并給出了簡單 的電算程序【19 1 。其后，隨著瞬變流m l 耐t r a n s i e n t s ) 【2 0 1 和實用水力過渡過程( 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 ) 2 1 】兩本書的中譯版的出版，我國關(guān)注水錘的科研人員日趨增多。金 錐等人在水柱分離方面進行了多年研究，建立了水柱分離的計算模型，總結(jié)了停泵水錘 防護的理論，并將停泵水錘的電算方法發(fā)揚光大，并將其成果收于停泵水錘及其防護 【2 】一書中。劉竹溪、劉光臨等人將計算機技術(shù)用于國內(nèi)的泵站水錘計算中，對水泵的全 特性曲線及單向調(diào)壓塔進行了深入的研究，并發(fā)表多篇論文【2 2 2 3 2 4 ，2 5 1 ，其專著泵站水 錘及其防護也是較早的水錘論著。索麗生等2 6 2 7 1 對水錘進行了理論研究，開展了許多方 ： 面的水錘分析；在水電站壓力引水系統(tǒng)水力過渡過程研究方面做了大量工作，為調(diào)壓室 在工程中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。王學(xué)芳等人主要從事工業(yè)管道的水錘防護，涉及輸油、 電廠、核電等多個領(lǐng)域的水力瞬變研究，并出版了工業(yè)管道中的水錘【2 8 】一書。 清華大學(xué)在第五屆( 1 9 8 6 年) 學(xué)術(shù)會議上發(fā)表了兩篇論文，水利水電工程系王樹人教 授和工程力學(xué)系王學(xué)芳教授等將水電站調(diào)壓塔的防水錘研究及旋啟式止回閥水錘性能 6 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文 研究成果公布于世，引起了國內(nèi)外的高度重視。奕鴻儒等人在泵站水錘的試驗和計算方 面做了大量的工作，發(fā)表的論文對國內(nèi)常用的兩階段關(guān)閉蝶閥、逆止閥和微阻緩閉止回 閥等在工程中的正確應(yīng)用起到了指導(dǎo)作用，在系統(tǒng)總結(jié)前人成果基礎(chǔ)上，對進一步進行 瞬變流的研究起到了積極的作用。液控緩閉蝶剮2 9 】是我國科技人員8 0 年代開發(fā)的一種 新型水錘防護設(shè)備，通過調(diào)節(jié)閥門的關(guān)閉時間和角度( 可分為快關(guān)和慢關(guān)) ，來有效預(yù)防 水錘的發(fā)生。楊玉思經(jīng)過多年苦心研究，1 9 9 8 年成功研制出一款氣缸式排氣閥【3 0 】，極 大改進了之前浮球式排氣閥的缺點，氣缸式排氣閥真正解決了長距離輸水管道的排氣問 題，消除了管道中存氣帶來的起泵水錘和運行水錘的隱患。 近年來，國內(nèi)學(xué)者對有壓輸水管道系統(tǒng)伴有空穴流、液柱分離兩相瞬變流現(xiàn)象的研 究也取得了較大進展，于必錄【3 i 】等對有壓輸水管道系統(tǒng)發(fā)生液柱分離現(xiàn)象進行理論研 究，認(rèn)為在有壓輸水管道系統(tǒng)中，液柱分離是當(dāng)泵系統(tǒng)的瞬態(tài)壓力降低到汽化壓力時發(fā) 生在管道系統(tǒng)中的一種局部現(xiàn)象，它涉及諸如氣體釋放液體氣化、水錘壓力波速變化以 及氣液相之間質(zhì)量與動量交換等復(fù)雜的物理現(xiàn)象。蔣勁等提出了用矢通量分解法求解氣 液兩相瞬變流的方法【3 2 1 。楊開林等對輸水管道氣泡動力特性進行了研究【3 3 】。鄭源等人對 于管道負(fù)壓條件下的氣體釋放進行了深入研究【3 4 1 ，孫蘭風(fēng)對于管道中采用空氣閥消除斷 流彌合水錘進行了數(shù)值模擬【3 5 1 。金錐【3 6 3 7 3 8 1 及楊玉劇3 9 舯4 1 4 2 】等人對斷流水錘的實驗研 究、數(shù)值模擬、以及氣液兩相流都有較深入的研究。楊玉思經(jīng)過多年研究，認(rèn)為城市管 網(wǎng)爆管主要是因為管道排氣不暢引發(fā)氣爆，選擇性能優(yōu)良的排氣閥可以減少氣爆水錘的 發(fā)生【4 3 1 。 我國近年來由于大型輸水工程的增多，管道的安全運行問題日益引起人們關(guān)注，從 事這方面研究的學(xué)者也逐漸增多。水錘的理論研究以及實際工程的防護都取得了一定的 發(fā)展，甚至個別領(lǐng)域已達世界先進水平。但隨著科技的進一步發(fā)展，水錘的研究也將更 加深入和完善。 1 4 本文研究的主要內(nèi)容 本文主要針對長距離大型區(qū)域重力流輸水系統(tǒng)水力過渡的特點，在學(xué)習(xí)、總結(jié)前人 研究成果的基礎(chǔ)上進行大量的分析、實驗與計算，主要內(nèi)容如下： 1 系統(tǒng)地介紹了輸水系統(tǒng)水力過渡過程計算的基本原理和方法，簡要闡述水錘基 本方程式，并給計算中常用的水池、管路中有分支、注排氣閥、減壓恒壓閥、超壓泄壓 閥、調(diào)壓塔等的邊界條件和計算機求解公式。 7 第一章緒論 2 在前人研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)氣體在輸水管道中的運行規(guī)律，對氣、液兩相 流的流態(tài)產(chǎn)生以及轉(zhuǎn)化過程進行總結(jié)，并根據(jù)氣、液兩相流的特點，簡要闡述輸水管道 中氣囊的運動規(guī)律及升壓機理，并對管道排氣最佳方式進行探討。著重對重力流進行分 類，并根據(jù)重力流的特點，總結(jié)了長距離大型區(qū)域重力流管道中的壓力特點，對重力流 輸水管道中防水錘技術(shù)進行了分析。 3 對長距離大型區(qū)域重力流輸水系統(tǒng)的水錘防護措施進行分析，根據(jù)斷流彌合水 錘空腔介質(zhì)的不同，對斷流彌合水錘進行分類。并對常用的各種水錘防護設(shè)備的結(jié)構(gòu)原 理、性能特點及選擇的技術(shù)要點進行分析說明，提出選擇防護措施時應(yīng)注意的問題。 4 根據(jù)水錘計算中常用的特征線法，結(jié)合各類邊界條件建立了水錘計算的基本數(shù) 學(xué)模型，應(yīng)用計算機語言編制水錘防護計算程序，進行水錘計算。對遼寧省大伙房水庫 輸水工程鞍山加壓泵站上游段進行實際計算。通過計算對于斷流水錘的不同防護措施進 行比較，在計算中驗證不同水錘防護措施對管道水錘防護的影響。最終通過多方面分析 給出了長距離大型區(qū)域重力流輸水系統(tǒng)的最佳水錘防護措施。 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章水錘防護計算理論方法及邊界條件方程 2 1 水錘防護計算理論方法 2 1 1 水錘波的波速 根據(jù)著名的儒科夫斯基公式： a h ：a v o( 2 1 ) g 水錘波速口與液體的壓縮性及管壁的彈性有關(guān)，里2 反映水體的可壓縮性，掣反映 歸麗1 2 居建1e e ( 2 2 ) k 水的