长输管线局部水力急变过程分析及瞬变流模拟

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1、硕士学位论文长输管线局部水力急变过程分析及瞬变流模拟THESTUDYONLOCALHYDRAULICTRANSIENTPROGRESSANDTRANSIENTFLOWSIMULATIONINLONGDISTANCEWATERSUPPLYPIPELINES马力哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：O359学校代码：10213国际图书分类号：626密级：公开工学硕士学位论文长输管线局部水力急变过程分析及瞬变流模拟硕士研究生马力：导师伍悦滨教授：申请学位工学硕士：学科水力学与河流动力学：所在单位市政环境工程学院：答辩日期：2015年6月

2、27日授予学位单位哈尔滨工业大学：ClassifiedIndex:O359UniversityCode:10213U.D.C:626SecretLevel:PublicDissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHESTUDYONLOCALHYDRAULICTRANSIENTPROGRESSANDTRANSIENTFLOWSIMULATIONINLONGDISTANCEWATERSUPPLYPIPELINESCandidate：MaLiSupervisor：Prof.WuYuebinAcade

3、micDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：HydraulicsandRiverDynamicsAffiliation：SchoolofMunicipal&EnvironmentEngineeringDateofDefence：June，27th，2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要长距离输水管道管线高程受地势影响，在局部高点设有通风口。正常运行时整个管道系统均为

4、有压输水，当管道系统进行充水或流量调节时，通风口下游部分管段内流体可能变成无压流动，此时管道内部同时存在自由液面流与有压流两种状态的流体，并在其交汇处形成水跃，发生水力急变现象，致使管道局部压力突然升高，将这种工况下的管道系统称为自由液面/有压流混合管道系统。稳态工况下的自由液面/有压流混合管道系统内流体以三种形式存在：自由液面流、有压流以及水跃。本文分别对三种状态的流体建立基本方程，并对其水力参数进行数值求解。对自由液面流向有压流过渡位置的移动界面建立连续性方程，作为瞬变流模拟的内部边界条件。在管道下游添加一个阀门控制方程，利用特征线

5、法对由于阀门突然运动产生的水力瞬变进行模拟计算。改变阀门闭合时间以及闭合度，进行变工况分析。本文所涉及到的数值方法均使用MATLAB软件编程求解，得到如下结论：稳定状态下的自由液面/有压流混合管道系统中，自由液面流无量纲深度h/D随管道流量增大而增大，同时自由液面流弗劳德数Fr1最初随无量纲深度h/D增大而增大，达到最大值后逐渐减小，当h/D0.3时，Fr1达到最大值，此时产生的水跃高度最大，水跃运动最剧烈。由于水跃跃后断面受到管径限制，跃后水流弗劳德数Fr2大于1，仍为急流，可见管道内水跃产生的条件只与管道内流体流速变化有关，与跃后

6、断面液体流态无关。瞬变流模拟中，管道下游阀门突然关闭（开启），自由液面流与有压流之间的移动界面逐渐上升（下降），阀门处压力迅速升高(降低)，产生压力波动。阀门移动速度越快，闭合度改变越大，水锤波动越剧烈。由于管道内摩擦阻力作用，水锤波逐渐衰减，完全消散后阀门处压力以固定速率上升(下降)，压力变化速度与移动界面液面标高移动速度相同。对自由液面/有压流混合管道系统进行水锤计算，同等工况下其管道压力均小于满管有压流时产生的水锤压力，故实际工程校核时忽略此类工况对管道设计没有影响。关键词：瞬变流；特征线法；水跃；自由液面；有压流-I-哈尔滨工业

7、大学工学硕士学位论文AbstractTheelevationsoflongdistancewatersupplypipelinegoupsanddownsalongtheway,influencedbytheelevation.Thereforethereareventusuallysetinthelocalhighpoint.Undernormaloperatingconditions,theentirepipelinesystemispressurizedwaterdelivery.Whenthepipelinesystemisfi

8、lledwithwaterorperformsflowregulation,thedownstreamportionofthepipemaybecomenon-pressureflowoffluidandt