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1、张峰水库输水二干管线工程重力流水力过渡过程的数值模拟 摘要:在供水工程中,当突然启动、停止或为调节流量而起用阀门时所产生的水锤压力往往较大,破坏性强,常造成意外损失。因此,对关阀水锤进行正确的计算分析,做出必要的防护措施尤为重要。本文以张峰水库输水二干管线工程为工程背景,进行重力流的水力过渡过程数值模拟,并对计算结果做出分析。 关键词:重力流;关阀水锤;调流调压阀 由于压力管路中流速的突然变化,引起管中水流压力急剧上升或降低的现象称为水锤或水击。水流是具有惯性的,在供水工程中,当突然启动、停止
2、或为调节流量而起用阀门,都将使水流速度发生变化而产生惯性力,惯性力的大小等于水流质量m与加速度的乘积,方向与加速度方向相反。在出水管路中,这个惯性力就表现为水锤压力。突然启动、停止或为调节流量而起用阀门所产生的水锤压力往往较大,一般可达正常压力的1.5～4倍或更大,破坏性强,常造成意外损失。所以对关阀水锤必须进行认真分析,并做出较精确的计算,以便采取必要的防护措施。 重力流水锤是在突然停电或者在阀门关闭太快时,由于压力水流的惯性,产生水流冲击波,就像锤子敲打一样,所以叫水锤。水流冲击波来回震荡产生的力
3、,有时会很大,从而破坏阀门。当打开的阀门突然关闭,水流对阀门及管壁,主要是阀门会产生一个压力,由于管壁光滑,后续水流在惯性的作用下,压力迅速达到最大,并产生破坏作用,这就是水力学当中的“水锤效应”,也就是正水锤。在长距离供水工程中必须考虑这一因素。相反,关闭的阀门在突然打开后,也会产生水锤,叫负水锤,也有一定的破坏力,但没有前者大。水锤效应具有很强的破坏作用,可导致管子的破裂或疮陷、损坏阀门和紧固件,为了消除水锤效应的严重后果,在管路中需要设置一系列缓冲措施和设备。 通过计算机数值计算方法来模拟各种工
4、况条件下输水管路系统的水锤状况,包括压力、流量等,进而分析超常水锤压力可能出现的情况,校核阀门和压力管路的承受压力,针对计算分析结果采用必要的水锤防护措施,寻求阀门的最优关闭规律,来确保整个供水工程的安全运行,为供水工程的安全运行和供水工程的优化设计提供技术依据,因此意义重大。 1重力流水力过渡过程计算原理 1.1水锤基本方程 水锤基本特性方程包括运动方程和连续性方程[1] (1)运动方程: 式中:v、H:分别为产生水锤时管中的流速和测压管水头; f、D、g:分别为管道摩阻系数、管径、重力
5、加速度; x、t:分别为水锤波传播的距离、时间。 (2)连续性方程: 1.2水锤特征线方程及其解法4 根据流量和流速的关系Q=AV,用V=Q/A代替方程式(1)和(2)中的V值,经推导得水锤基本方程的另一种形式: 从公式(5)、(6)、(7)的对比中可以看出,如果令C2=dx/dt,则式(5)中前一括号内可写成dQ/dt,如令1/=dx/dt,则后一括号内的值可写成dx/dt,即令: AP和BP直线,并交于P点。 如果把式(10)写成下列形式:dx=±C•dt 则dx是表
6、示在dt时段内水锤波面以波速C沿管路移动的距离,例如,在t0时,管路A处生产或传出一正水锤波+C,在t0+t时移动了x距离而到达P点(即对应+1/C线上的P点),如下图所示: 同理在管路B点生产或传出一反向水锤波-C,在t0+t时也到达P点。所以我们把这种斜率为±1/C的直线分别称之为正水锤特征线和负水锤特征线,它们实质上反映了水锤波的传播过程,把+1/C值分别带入公式(9)和(10)中。 两组方程式说明:式(11)是(12)成立的条件;而式(13)是式(14)成立的条件,即对正特征线方程式(12)
7、成立,对负特征线方程式(14)成立。由此可见,特征线即反映了水锤波面沿管路传播过程,也确定了管路中流量和水头的关系。 1.3重力流水锤波速的计算 本段重力流采用玻璃钢管,管径DN800mm,计算可得水锤波波速c=929.49m/s。 2张峰水库输水二干管线工程重力流水锤计算机数值模拟 2.1张峰水库二干管线计算主要技术资料 2.1.1张峰水库输水工程简介 张峰水库位于山西省晋城市沁水县郑庄镇张峰村沁河干流上,距晋城市城区90km,水库总库容3.94亿m3,是以城市生活和工业供水、农村人畜饮水
8、为主,兼顾防洪、发电等综合利用的大(2)型水库枢纽工程。 2.1.2二干重力流段供水工程简介 (1)工程规模:二干起点为总干末端调蓄水池,输水线路全长18.28km(总干末端蓄水池至二干末端蓄水池),向南供巴公地区工业用水,设计流量1.11m3/s,管道及其建筑物的级别为3级,采用20年一遇洪水设计、50年一遇洪水校核。 (2)重力流工程组成;二干起点为总干末端调蓄水池,向正南方向在唐庄西约1km处穿S331公路,经北陈、窑则头(在桩
