瞬变流讲义(2007)

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1、参考书目及侧重点：[1]《瞬变流》（［美］E.B.怀利V.L.斯特里特）——经典理论、工程实例丰富[2]《泵站水锤与防护》（刘竹溪）——泵站过渡过程及工程水锤防护[3]《管线中不稳定流的现代分析和控制》［美］GARYZ.沃斯特——计算程序较丰富FORTERAN（12条）[4]《工业管道中的水锤》（王学芳）——工程实例较多较系统包括：管阀水锤、供热管网、长输管线（输水、输油、输气）、核电[5]《电站与泵站中的水力瞬变及调节》（杨开林）——泵站水锤、气液两相流贡献：停泵水锤简便计算方法，水柱分离模型及其弥合水锤算法[6]《管网中不稳定流动的水力分析》（［英］

2、J.A.福克斯）——比较简单，知识体系使用，以管网非恒定流为主，但翻译质量较差[7]《停泵水锤及其防护》（金锥）——程序较实用[8]《实用水力过渡过程》（加）——侧重水轮机过渡过程，基本方程形式H~Q[9]《水击理论及水击计算》（王树人）——水击基本方程、重点讲解解析法、图解法和电算法三种求解方法，对边界条件的描述不太多，数值解法放在电算中讲解[10]《调压室水力计算理论与方法》（王树人）——国内第一本系统描述长输管道中调压室的书，第五章有各种形式调压室的计算程序（调压室为一种特殊边界条件）第一章非定常流概念第一节流动的分类、定义一、流动分类定常流：任一

3、点参数不随时间变化非定常流：参数随时间变化←→瞬变流←→水锤定常振荡流：流动状态每隔一个振荡周期（固定时间间隔）重复出现→共振：非定常振荡的振幅随时间而增长，一直到发生事故形成一个振幅非常大的振荡流为止。其周期是系统的自然周期之一或接近系统周期二、重要概念瞬变流特征：瞬时流速（压力）变化引起的压力（流速）变化11、波速的概念1.1波速定义及计算式对可（不可）压缩流体管路系统上的瞬变，无论是流速或压力的突然变化或扰动，都将通过压力波的传播引起上（下）游流体流动参数的变化，将压力波传播速度称为波速或水击波速。假设控制体质量恒定（其变化很小），根据质量连续方程

4、，并定义流体弹性模量(P7)ΔpK=Δρ/ρ0可推得刚性管中可压缩流体水击波速公式：Ka=ρ0ΔP也即a=Δρ1.2影响波速的因素：(1)夹杂空气的影响液体中有气泡时,压力波传播速度会大大减小如果存在少量气体的话,管壁弹性的影响就显得无关紧要P7:图1-5不同空气含量下管中压力波的传播速度原因分析1)水里的气泡可以看作是用水加载的弹簧,压力脉冲压缩弹簧,弹簧再推水使水加速,水再依次来压缩另外一根弹簧.2)均质流体中波直接从一个质点传到下一个质点.(2)特殊导管内的波速（P18）1.3瞬变的起因（P8）主观作用：阀门调节、泵的启动与停机、水轮机所需功率的变

5、化、往复泵的作用、改变水库水位；客观变化：水库上的波浪、旋转机械调速器的振荡、叶轮机械中叶轮或导叶的振动、可变形的一些附件的振动、由于旋涡引起的尾水管的不稳定ò水锤问题研究：研究水锤通常涉及以上数个边界条件的管系的问题；ò水锤问题的分析：先做一个设计，然后从瞬变观点来分析这个系统是不是满足要求，如果不满足，则另做一个设计加以分析，或者采取一些变化（水锤防护措施），例如增加管壁厚度或装调压塔、蓄压器以及消波器等。2ò举例：阀门调节阀门调节原理：通过改变开度改变系统中损失大小来调节流量。阀门调节过程：每一次调节会引起压力脉冲波，这些波以波速在系统中传递。阀门

6、调节问题：阀门调节很慢，当然可以控制住瞬变压力，但会降低生产效率。阀门调节目标：怎样实现阀门的快速调节而仍能使瞬变保持在允许的限度以内。2、瞬变量的计算P2图1－1：流速在下游末端突然变为零，压力波以波速a向上游传递在控制体上应用动量方程，由于调节阀门引起的微小变化，在控制体内，波阵面以绝对速度aV−向左移动，随着阀门上的水头变化了ΔH速度也相应变0化ΔV，由X方向上的动量方程可列出波速计算公式.动量方程（运动方程）物义：作用于控制体上的力在X方向分力的合力，正好等于X向动量在控制体内的增量对时间的变化率与X向动量从控制体内的净输出流量之和，则，因速度变

7、化引起的压力改变可由动量变化率：ρ()VaAVVaVa++[(Δ+)−()+]＝ρ()VaAV+Δ000000x方向上合力：FpApp=−+()ΔA＝−ΔpA00忽略较小量V，即：Vaa+≈00由牛顿运动第二定律推得aΔHV≈−Δg若流速在上游端改变，则压力波向下游方向运动aΔHV≈Δg3、其它概念→阀调节：阀在伺服机械的帮助下按设计的τ=τ()t动作。即在规定的瞬变持续时间或瞬变最大（小）压力限的情况下，计算为完成此任务而需要的阀门关闭方法（τ=τ()t）。→液柱分离：由于压力的降低或液体的拉伸，使液体中的气体或蒸气聚集在管路中突起部分，使该段液流分离

8、的情况。→液柱弥合（气体释放）→停泵水锤、关阀水锤、弥合水锤本课程研究目的：对管