有气阀的长距离输水管道流动特性分析与应用

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1、有气阀的长距离输水管道流动特性分析与应用摘要：长距离输水管道为了补(排)气需要安装气阀，气阀工作时在阀附近的管道内会形成空穴，并且以气阀为中心，上下游管系、空穴和气阀组成一个局部的小系统，形成管系水流特性、空穴参数和过阀气流特性的连续同步变化，并使管内出现振荡流动。本文通过计算实例对过阀气流参数按等熵流动过程计算，空穴参数按等温过程计算，上、下游管系内的水流特性则按非定常流动计算，其计算结果基本符合实际情况。由此得到的过阀气流的质量流量，可用于选择气阀的过流面积，而管系内水流的振荡流动特性，可供管道系统设计、气

2、阀布设安装时参考。关键词：气阀输水管道特性计算长距离输水管道在开始输水、停止输水和流量调节的不同工况下，需将管内空气排出或将管外空气补进管内，以便保证管道系统能安全正常输水。所以在管道系统的高点、转弯及辅助装置前后等部位，要安装一定数量的气阀，用以排出和补进空气。而气阀作为兼有容性和惯性装置特性[1]的辅助元件，它的工况受输水管道系统运用特性的制约，反过来它也要影响管道系统的流动特性，结果气阀附近管道内的水流呈现出瞬变流特性，使得阀的边界条件十分复杂。由此给阀的特性参数的计算、选型和布设安装及输水管道系统特性的

3、深入研究等都带来一定困难。正因如此，对装有气阀的输水系统特性全面计算研究实例少见，而又由于这类输水管道内水流的瞬变特性，对气阀流量特性进行试验研究的也不多见。本文在引黄入晋工程南干线联接段模型试验研究成果的基础上，对气阀工作特性、空穴特性和上、下游管段内水流特性进行数值计算，从试验和计算两方面拓展了这类输水系统及气阀特性的研究工作。试验研究结果已表明，气阀工作时，其附近管系内会产生空穴，使得气阀流量特性、空穴特性及阀上、下游管内水流特性彼此互相联系互相制约，具有明显的非定常流特点。为此在研究计算时，把包括这三部

4、分的管段作为整体，从非定常方程组出发，分别确定气阀，空穴和上、下游管系的边界条件，使计算真正符合这类长距离输水管道运用的实际情况，从而为阀的特性参数的确定，气阀选型及安装位置的确定等工程问题的解决提供实验和计算依据，也为安装有气阀的输水管道水流特性的深入研究提供一个范例。选型时气阀的流量特性是重要参数，为此在水工模型试验时实测了气阀在排（补）气时的流量特性，并与计算得到的流量特性比较，二者规律基本吻合，这一结果说明：(1)空气通过气阀可视为等熵流动，其质量流量可用流体力学[2]中等熵流动公式计算。(2)穴内空气

5、参数变化满足恒温气体定律，可按此定律进行定量计算。(3)气阀工作时，其上游管内水流量是按正弦规律变化的，这也符合振荡流动的一般规律。安装有气阀的输水管段内的流动是具有瞬变特性的两相流动，可以通过边界条件将它们耦合成一体，不但使气阀的计算更加科学合理，也使这类输水管道水流特性研究进一步深化。1有气阀管系的整体特性安装有气阀的输水管系整体特性包括气阀特性、空穴内气体特性和上、下游管系内水流特性。试验测试和计算都已表明，安装有气阀的输水管系，在气阀不工作时管内是正常有压流动，气阀工作时管内存在空穴，一方面空气通过气阀

6、流入或流出，另一方面还有水流入和流出空穴，结果形成过阀的气流量、空穴体积及空气质量和管系内水流量连续同步变化的非定常流动。所以可通过边界条件将它们耦合成一体，作到既体现它们间的内在联系，也反映出各自不同的特性。因为它们都具有非定常流动特性，在计算时使用一组非定常流方程组为控制方程，而以边界和初始条件体现它们间的差异，使计算结果能反映出各自的特性和相互联系的规律。1.1气阀特性本文主要研究通过气阀的瞬时质量流量的变化规律。根据流体力学[2]理论，安装在长距离输水管道系统中的气阀，其补气和排气过程可视为等熵流动，并

7、可根据气流马赫数的大小，分别按亚声速和临界声速计算质量流量。另外，由于流入和流出时工作参数不同，计算公式也有区别。1.1.1过阀气流的压力特性对于空气这种特定气体，其滞止压力Po，临界压力Pcr都有固定值，但对于一定马赫数的气流，其压力区间也是确定的[2]，即有Pcr/Po=0.528.另外，对于已建成的输水系统，管外大气压力Pa也是已知的，且当流入气阀时有Po=Pa，则可得到下面关系式：(1)1.1.2气阀的流量特性通过气阀的空气流满足等熵流动的条件，并且对于空气绝热指数K=1.4，再引入P′=P/Pa，就得

8、到一组计算气阀质量流量qm的公式：(2)式中：ρa、Ta——大气密度和绝对温度；R、T、P——空气的气体常数和绝对温度及绝对压力；C、A——阀的流量系数和开启面积，下标“in”和“out”分别代表流入和流出。显然，向管内补气时流量为正，且随管内压力降低补气流量增大，向管外排气时为负，且随管内压力升高排气流量亦增大。1.2空穴特性无论是补气还是排气，气阀附近的管系内都将出现空穴，由于穴内