水力光滑管水锤分析中的非恒定摩阻计算.pdf

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1、!!"#!研究与探讨水力光滑管水锤分析中的非恒定摩阻计算王勇（中国汽车工业工程有限公司，天津300000）摘要：针对水力光滑管道中的水锤计算问题，通过引入2001年Brunone等人利用Vardy等人在1996年理论Brunone摩阻模型，并将其与特征线法结合，建立其特征方程推导得到的k3值，将Brunone附加摩阻模型直接应用于处式。最后结合实验对模型进行验证，通过与传统水锤计算结果于湍流水力光滑区的实际输水管道瞬变流动过程的分析计算的比较，证明该模型是正确的，而且显著提高了水锤计算精中，得到的计算结果与实测结

2、果吻合很好，从而证实Brunone度，有一定的理论和实际意义。摩阻系数k3的半经验半理论计算公式在湍流水力光滑区的关键词：水锤；Brunone摩阻模型；水力光滑管正确性。此外，该半经验半理论计算公式在湍流水力光滑区的正确性还得到Bergant等人的证实。前言2003年，Vardy等人又对K3的经验公式进行了调整，使随着水锤计算理论的日益发展，人们对水锤计算的精度其更加符合实际情况。新的K3计算公式为：也提出了更高的要求。传统的水锤计算中，在对摩阻项的处理上采用的都是拟恒定假设，即认为在瞬变流动过程中管道某一截面上

3、的瞬时摩阻，等于该截面在稳定流动时的摩阻。然而研究表明，传统的水锤分析方法虽然能够准确的预测水锤发生瞬间系统内部压力波动的峰值，但不能精确的反映水锤发生后水锤波的衰减过程。为了解决这一问题，人们提出了采用非恒定摩阻的处理方法，建立了一些非恒定摩阻模型，并取得了一定的成果。本文通过引入Brunone摩阻模型，并将其与特征线法结合，建立其特征方程式。最后结合实验对模型进行验证，通过与传统水锤计算结果的比较，证明模型的正确性和优越性。1Brunone摩阻模型及其数值解法1.1Brunone摩阻模型水锤的运动方程式和连续

4、方程式为：（1）运动方程式中最后一项即是摩阻项，传统水锤计算时都采用稳定流的摩阻损失来近似代替瞬变流的摩阻损失。显然这是不合理的。Brunone等人认为，管内流体在瞬变流动状态下的流动机理和恒定流动状态下的机理具有明显差异，这种差异最明显的体现就是管内瞬变流动状态下的瞬时摩阻不等于稳定流动状态下的摩阻。在对瞬变流内部结构和实验结果分析的基础之上，Brunone等人认为瞬变流动状态下的瞬时摩阻与管内瞬变流动状态下的平均流速V、瞬时平均当地加速度av/at和瞬时对流加速度av/ax二有关。1991年，Brunone在

5、Daily建立的模型的基础上，通过引入Brunone摩阻系数k3，得到一种简单适用的模型―Brunone摩阻模型，并在实验室条件下通过试算法确定k3的情况下使计算结果与实验实测结果相符，从而证实瞬变流动状态下附加摩阻项与瞬时平均流速和瞬时当地加速度有密切关联。其模型表达式为：研究与探讨!!"#!此，不再加以详细分析。3结语本文通过引入Brunone摩阻模型，并将其与特征线法结合，建立其特征方程式。最后结合实验对模型进行验证，通过与传统水锤计算结果的比较以及采用新旧K3系数的计算结果的比较，可以得出以下结论：（1）

6、传统的拟稳态摩阻模型虽能准确的反映出水锤发生瞬间管道内部的压力跃升，但不能准确的反映其衰减过程；（2）采用旧K3值的Brunone摩阻模型，虽然较拟稳态摩阻模型更接近实际情况，但仍有一定的偏差，对水锤波的衰减值估计较小；（3）采用新的K3值的Brunone摩阻模型不仅能准确的反映出水锤发生瞬间管道内部的压力跃升，也能准确的反映水锤波的衰减过程。因此，采用新的K3值的Brunone摩阻模型是正确的，与传统计算方法相比有一定的优越性。本文所采用的K3系数经验公式还只适用于水力光滑区，其它水力区域还没有统一的计算公式。

7、因此，建立统一的K3系数公式对模型的完善有重要的意义。2模型验证2.1实验参数实验采用Ghidaoui和Mansour在2002年所做的实验，实验为水箱-管道-阀门系统，实验基本参数见表1：表1实验基本参数2.2模型计算结果2.3结果分析由图2和图3可以看出，在水锤传播的第一个周期，三种计算方法的计算结果十分接近，与实测结果相近，都能准确的反映出水锤发生时，管道中的最大和最小压力值。而到了第二个传播周期后，传统拟稳态摩阻模型的计算结果便出现明显的偏离，不能准确的反映出管道中实际压力波的波形畸变和衰减过程；同时采用

8、旧的K3值的Brunone附加摩阻模型计算参考文献：结果虽然比拟稳态摩阻模型更接近实测结果，但也与实际结[1]金锥，姜乃昌，汪兴华，关兴旺．停泵水锤及其防护果有不小的偏差；而采用了新的K3值的附加摩阻模型的计算（第二版）[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004结果则与实测结果十分接近，准确的反映了管道中实际压力[2]E.B.怀利，V.L.斯特里特．瞬变流[M]．北京：水