長(zhǎng)距離供水系統(tǒng)水力振動(dòng)特性和減振措施研究綜述

賈俊杰,周建旭,韓玉文

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098;2.惠州市華禹水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,廣東惠州 516001)

長(zhǎng)距離供水系統(tǒng)水力振動(dòng)特性和減振措施研究綜述

賈俊杰1,周建旭1,韓玉文2

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098;2.惠州市華禹水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,廣東惠州 516001)

為保證長(zhǎng)距離供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,分別針對(duì)新型分段低壓供水系統(tǒng)和常用的泵站加壓供水系統(tǒng),歸納總結(jié)已有的理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究成果,分析了長(zhǎng)距離供水系統(tǒng)的水力振動(dòng)特性,并探討了相應(yīng)的減振措施。認(rèn)為在長(zhǎng)距離供水系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制中,應(yīng)充分考慮有壓供水系統(tǒng)內(nèi)水體的高階振動(dòng)特性,結(jié)合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析理論,開展必要的水力振動(dòng)特性及減振措施分析,以保證供水的可靠性。

長(zhǎng)距離供水系統(tǒng);水力振動(dòng)特性;減振措施;線彈性模型;非線性振動(dòng)

建設(shè)跨地區(qū)、跨流域的長(zhǎng)距離供(調(diào))水工程是緩解水資源緊張局面、解決水資源時(shí)空分布不均問題最直接和最有效的方式。近年來我國一些地區(qū)發(fā)生的旱情和隨之產(chǎn)生的缺水問題進(jìn)一步說明了水資源合理調(diào)配的緊迫性和建設(shè)大型供(調(diào))水工程的必要性。20世紀(jì)以來,世界上許多國家都建設(shè)了多座大規(guī)模供(調(diào))水工程,我國也先后修建了包括南水北調(diào)工程在內(nèi)的多座大型供(調(diào))水工程。從大型供(調(diào))水工程供水系統(tǒng)的布置和運(yùn)行方式來看,主要包括分段低壓供水系統(tǒng)、泵站加壓供水系統(tǒng)和明渠無壓供水系統(tǒng)3種形式。

當(dāng)前,包括供水系統(tǒng)在內(nèi)的系統(tǒng)水力振動(dòng)特性和減振措施是工程界和科技界普遍關(guān)注的問題,也是有待深入研究和急需解決的重要課題之一。系統(tǒng)可能的水力振動(dòng)主要包括強(qiáng)迫振動(dòng)引起的水力共振與自激振動(dòng)兩大類,前者是擾動(dòng)源的擾動(dòng)頻率等于或接近系統(tǒng)的某一階固有頻率時(shí)產(chǎn)生的持續(xù)水力振蕩現(xiàn)象;后者則是因?yàn)橄到y(tǒng)本身的不穩(wěn)定性,任何壓力或流量的微小擾動(dòng)都將發(fā)展成持續(xù)的等幅振蕩,即發(fā)生自激振動(dòng)[1]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者主要結(jié)合水力瞬變數(shù)值仿真模擬和系統(tǒng)優(yōu)化布置,對(duì)長(zhǎng)距離供水系統(tǒng)的水力特性開展了深入的研究,也初步探討了系統(tǒng)中可能存在的水力振動(dòng)問題以及相應(yīng)的減振措施[2-4]。對(duì)于分段低壓供水系統(tǒng)而言,其水力振動(dòng)特性涉及有壓管流、不同流態(tài)的堰流和自由水面振蕩等;對(duì)于泵站加壓供水系統(tǒng)而言,其水力振動(dòng)特性還與水力機(jī)械中水體的流動(dòng)及過流特性密切相關(guān),因而其水力振動(dòng)問題更為復(fù)雜[5]。實(shí)踐表明,在長(zhǎng)距離供水系統(tǒng)中發(fā)生的持續(xù)不穩(wěn)定水力振蕩可能包括頻率較高的振蕩模式,因此需要充分考慮有壓供水系統(tǒng)內(nèi)水體的高階振動(dòng)特性。為了確保長(zhǎng)距離供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,應(yīng)重點(diǎn)分析和解決包括供水系統(tǒng)高階水力振動(dòng)特性和減振措施等問題在內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)難題,以提高供水的可靠性。本文分別針對(duì)分段低壓供水系統(tǒng)和泵站加壓供水系統(tǒng),總結(jié)歸納了已有的研究成果,提出應(yīng)考慮有壓供水系統(tǒng)內(nèi)水體的高階振動(dòng)特性,結(jié)合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析理論,進(jìn)一步開展相應(yīng)的水力振動(dòng)特性及減振措施研究。

1 分段低壓供水系統(tǒng)

分段低壓供水系統(tǒng)是一種不同于無壓明渠供水和泵站加壓供水的新型供水方式[6],一般由若干供水單元組成,每個(gè)供水單元的水力元件主要包括保水堰井和有壓箱涵或管道,各供水單元之間通過保水堰井銜接,見圖1和圖2。

圖1 分段低壓供水系統(tǒng)

圖2 典型供水單元

分段低壓供水系統(tǒng)在全線自流的條件下,有效利用水體的勢(shì)能并分段消除多余的水能,逐級(jí)降壓,能夠滿足適時(shí)、適量供水和保護(hù)水質(zhì)的要求。分段低壓供水系統(tǒng)作為一種新型供水方式,國內(nèi)已開展了較為系統(tǒng)的研究,而國外的研究很少。

1.1 系統(tǒng)水力振動(dòng)特性

分段低壓供水系統(tǒng)的水力振動(dòng)特性直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和供水的可靠性。與系統(tǒng)水力振動(dòng)特性密切相關(guān)的水力振蕩是分段低壓供水系統(tǒng)中普遍存在的現(xiàn)象,擾動(dòng)源主要是上游或下游水庫(水池)水位的波動(dòng)、無壓明渠水流的波動(dòng)、閘門的振動(dòng)以及保水堰堰后水躍等[7]。上下庫水位或無壓明渠水流的波動(dòng)作為擾動(dòng)源可能引起系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng),甚至?xí)a(chǎn)生危害較大的水力共振,伴隨嚴(yán)重的壓力和流量的振蕩;同時(shí),閘門作為在水力振動(dòng)分析過程中一個(gè)可變的邊界,閘門邊緣的渦流和從上游傳來的壓力振蕩,使閘門的振動(dòng)成為系統(tǒng)水力振動(dòng)可能的擾動(dòng)源;在不同類型的保水堰堰流流態(tài)下,堰后產(chǎn)生水躍,且伴隨明顯的水面波動(dòng)等復(fù)雜流態(tài),也可能引起系統(tǒng)的水力共振。

長(zhǎng)距離分段低壓供水系統(tǒng)中發(fā)生的水力振蕩,除低頻振蕩外還可能包含頻率較高的振蕩,因此應(yīng)充分考慮有壓輸水箱涵內(nèi)水體的高階振動(dòng)特性。對(duì)于有壓輸水箱涵內(nèi)水體而言,需選擇合理的水力振動(dòng)分析的最小階數(shù),以充分考慮不同頻率擾動(dòng)源的影響,從而全面了解系統(tǒng)的水力振動(dòng)特性?？紤]分段低壓供水系統(tǒng)中主要擾動(dòng)源即調(diào)節(jié)池等自由水面水位的波動(dòng),其擾動(dòng)頻率量級(jí)為10-1～100Hz[8],擬定擾動(dòng)頻率為0.3 Hz,則有壓輸水管涵內(nèi)水體的分析模型需涵蓋該高階頻率特性,當(dāng)有壓箱涵長(zhǎng)度接近1000 m時(shí),其水體至少應(yīng)采用1階彈性模型,而當(dāng)有壓箱涵長(zhǎng)度接近4000 m時(shí),其水體應(yīng)至少采用3階彈性模型,有壓箱涵長(zhǎng)度越大,水體所需的彈性模型階數(shù)越高?？紤]有壓箱涵內(nèi)水體波速不確定性等原因,隨著階數(shù)的增加,模型的精度會(huì)降低,分析表明,在長(zhǎng)距離分段低壓供水系統(tǒng)中,有壓箱涵內(nèi)水體采用3階彈性模型較為適宜[7]。

目前國內(nèi)外對(duì)于分段低壓供水系統(tǒng)振蕩特性的研究不夠完善,主要集中在國內(nèi)開展的一些具體的數(shù)值仿真模擬和試驗(yàn)研究上。研究未能深入考慮串聯(lián)的相鄰供水單元以及多個(gè)存在水力聯(lián)系的串聯(lián)供水單元之間的相互影響,也未涉及長(zhǎng)距離有壓箱涵內(nèi)水體的高階振動(dòng)特性。練繼建等[2-4]建立了分段低壓供水系統(tǒng)供水單元的水流振蕩方程和保水堰自由水面的固有振蕩頻率計(jì)算公式,同時(shí)考慮連通孔的影響,建立了多孔并聯(lián)分段低壓供水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,驗(yàn)證了水力共振是由相鄰供水單元固有振蕩頻率相近所致的觀點(diǎn)。分析供水系統(tǒng)水力振蕩特性的方法主要包括特征線法[9]、Preissman四點(diǎn)隱格式差分方法[10]、U形管模型法[4]、精確模型法[1]、基于水力振動(dòng)理論的線彈性模型法[11]以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法[12]等,其中傳統(tǒng)的特征線法和Preissman四點(diǎn)隱格式差分方法主要用于系統(tǒng)水力振蕩的時(shí)域分析;U形管模型法只考慮了水體的剛性模型,未能模擬水體的高階振動(dòng)特性;有壓箱涵內(nèi)水體的精確模型只適用于系統(tǒng)的頻域分析;而有壓箱涵內(nèi)水體采用基于水力振動(dòng)理論的線彈性模型是一種嶄新的水力振蕩特性分析方法,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)域分析和頻域分析,而且能夠較準(zhǔn)確地反映水體的高階振動(dòng)特性[13]。考慮某一有壓供水單元(圖2),有壓箱涵始端和末端的水位和流量均采用相對(duì)變化值表示,以狀態(tài)方程描述的有壓箱涵內(nèi)水體的m階彈性模型為

式中:Ti、qi分別為中間變量和各階振蕩流量;l、A、D、f和c分別為有壓箱涵的長(zhǎng)度、當(dāng)量面積、當(dāng)量直徑、摩阻系數(shù)和水擊波速;Q0、Zu0和Zd0分別為有壓箱涵內(nèi)的初始流量、有壓箱涵上游側(cè)和下游側(cè)初始水位;qu和zu分別為有壓箱涵上游側(cè)流量和水位變化相對(duì)值;qd和zd分別為有壓箱涵下游側(cè)流量和水位變化相對(duì)值。

在分析單個(gè)供水單元水力振蕩特性的基礎(chǔ)上,結(jié)合保水堰和調(diào)節(jié)池的水力特性,建立整個(gè)供水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析模型,并可以結(jié)合物理模型試驗(yàn)分析系統(tǒng)的水力振蕩特性及可行的減振措施。

1.2 系統(tǒng)減振措施

1.2.1 改變或錯(cuò)開各供水單元的固有頻率

在分段低壓供水系統(tǒng)中,水力共振主要分為兩類:一是系統(tǒng)各有壓供水單元的固有頻率相互接近而引起的水力共振;二是擾動(dòng)源的擾動(dòng)頻率與系統(tǒng)固有頻率接近甚至一致所產(chǎn)生的水力共振。練繼建等[2-4]提出了錯(cuò)開相鄰供水單元的頻率來控制水力振蕩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,如調(diào)整個(gè)別保水堰面積或在維持保水堰面積不變的前提下增大堰后與堰前的面積比。穆祥鵬等[3]比較分析了在檢修閘門和下游箱涵之間設(shè)置調(diào)壓柜或明渠段的減振效果,結(jié)果表明設(shè)置明渠段優(yōu)于設(shè)置調(diào)壓柜。韓玉文[7]采用基于水力振動(dòng)理論的三階線彈性模型模擬有壓箱涵內(nèi)水體的動(dòng)態(tài)特性,結(jié)果表明各供水單元的特征頻率相近或引入的擾動(dòng)頻率與系統(tǒng)的特征頻率相近時(shí)會(huì)發(fā)生劇烈的水力振蕩,而調(diào)整部分供水單元之間的保水堰井長(zhǎng)度后,對(duì)應(yīng)的水位波動(dòng)幅度明顯較小。綜上分析,在設(shè)計(jì)分段低壓供水系統(tǒng)時(shí)應(yīng)合理調(diào)整相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)以錯(cuò)開相鄰單元的頻率,同時(shí)避開常見的擾動(dòng)頻率,從而改善系統(tǒng)的水力振蕩特性。

1.2.2 削減水位波動(dòng)的幅度

作為分段低壓供水系統(tǒng)的首部建筑物,因上游側(cè)明渠水流或水躍等流態(tài)的影響,調(diào)節(jié)池內(nèi)會(huì)發(fā)生不同幅度的水面波動(dòng),也會(huì)影響下游側(cè)分段低壓供水系統(tǒng)的水力振動(dòng)特性,甚至引起共振,因此,在工程中需要采取相應(yīng)的工程措施,如設(shè)置導(dǎo)流板。考慮調(diào)節(jié)池進(jìn)口斜坡段水躍發(fā)生位置和影響范圍的不確定性,在不同位置設(shè)置導(dǎo)流板(圖3),重點(diǎn)觀察和比較分析導(dǎo)流板后調(diào)節(jié)池水位波動(dòng)幅度的變化,水位波動(dòng)幅度均定義為半波幅,見表1。

由表1可知,在斜坡段末端設(shè)置導(dǎo)流板1后,導(dǎo)流板上游水位波動(dòng)幅度較大,水面存在明顯的振蕩現(xiàn)象,導(dǎo)流板下游調(diào)節(jié)池水位較穩(wěn)定,波動(dòng)幅度明顯減小,波動(dòng)幅度的大小主要與調(diào)節(jié)池流量、調(diào)節(jié)池水深、水躍發(fā)生位置等多方面因素有關(guān);設(shè)置導(dǎo)流板1和2后,調(diào)節(jié)池中水面波動(dòng)幅度較僅設(shè)置導(dǎo)流板1時(shí)進(jìn)一步減小,水面趨于平穩(wěn)。導(dǎo)流板的作用及其布置可基于紊流模型理論采用水工水力學(xué)紊流數(shù)值模擬技術(shù)開展進(jìn)一步的驗(yàn)證分析。

圖3 調(diào)節(jié)池中導(dǎo)流板的布置(單位:m)

表1 調(diào)節(jié)池水位波動(dòng)幅度cm

另外,在調(diào)節(jié)池和保水堰井內(nèi)合理位置設(shè)置消渦梁,在防止危害性吸氣漩渦的同時(shí),對(duì)抑制水位波動(dòng)也有一定的作用,可達(dá)到改善水力振蕩的效果[14]。為了盡可能削減保水堰下游堰井的水位波動(dòng),可以考慮在保水堰下游堰井內(nèi)不同的高程設(shè)置消渦梁,比較分析下游堰井中水位波動(dòng)幅度的變化規(guī)律,確定消渦梁的最佳設(shè)置位置。

2 泵站加壓供水系統(tǒng)

泵站加壓供水系統(tǒng)是常用的供水方式,供水系統(tǒng)沿線布置較復(fù)雜,水力元件眾多,任一水力元件過流特性的變化,包括泵站的啟停機(jī)以及工況的切換,都將在整個(gè)供水系統(tǒng)中產(chǎn)生復(fù)雜的過渡過程,涉及水力瞬變流、氣液兩相流和熱力學(xué)等諸多領(lǐng)域,同時(shí),系統(tǒng)的水力振動(dòng)特性也較復(fù)雜[15]。

2.1 系統(tǒng)水力振動(dòng)特性

泵站加壓供水系統(tǒng)中振動(dòng)特性復(fù)雜,擾動(dòng)源種類很廣。除了常見的與水力系統(tǒng)密切相關(guān)的擾動(dòng)源以外,運(yùn)行中的泵本身就是一個(gè)重要的振動(dòng)源,可能發(fā)生水力振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、電磁振動(dòng)等[5]。機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)一般是可以消除或減弱的,而引起水力振動(dòng)的原因錯(cuò)綜復(fù)雜,一旦水流脈動(dòng)壓力頻率與水泵裝置的某些部件(包括進(jìn)、出水管)或者水力系統(tǒng)的固有頻率接近或相等時(shí),就會(huì)引起共振。在泵站加壓供水系統(tǒng)中,因系統(tǒng)中部分水力元件本身的水力性能不穩(wěn)定而產(chǎn)生的自激振動(dòng)是較常見的一種形式,而且危害較大。特別是當(dāng)水泵的揚(yáng)程曲線有局部駝峰形時(shí),水泵在小流量區(qū)運(yùn)行,如在排出管路中存在氣罐、水箱或有空氣積存時(shí)可能發(fā)生自激振動(dòng),即通常所說的“喘振”,自激振動(dòng)頻率較低,若此頻率與輸水管路及水體的固有頻率相等,則將引起管路的共振,從而產(chǎn)生較嚴(yán)重的局部破壞或事故[5]。Pejovic等[16]綜述了泵站加壓供水系統(tǒng)中因水力振動(dòng)引起的多起事故,激振源主要來自運(yùn)行中的水泵本體或閥門,由此引起水力系統(tǒng)強(qiáng)烈的水力共振,甚至引起管橋的坍塌破壞。Misra等[17]結(jié)合一個(gè)由水泵、上游管道、控制閥和下游管道組成的供水系統(tǒng),考慮管道系統(tǒng)的水力特性和自動(dòng)控制閥結(jié)構(gòu)特性的耦合,分析了管道系統(tǒng)自激振動(dòng)的機(jī)理。Karney等[18]結(jié)合理論分析、數(shù)值仿真和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)全面分析了泵站加壓供水系統(tǒng)等水利工程中發(fā)生的水力振動(dòng)問題,指出了水力共振的危害性,以及系統(tǒng)水力振動(dòng)特性分析的重要性。Guo等[19]結(jié)合某一大容量軸流泵站的水力機(jī)械振動(dòng)以及引水隧洞中復(fù)雜的壓力振蕩現(xiàn)象,系統(tǒng)分析了不同泵葉片角度和運(yùn)行轉(zhuǎn)速下,引水隧洞中的壓力振蕩頻率、泵軸的橫向和扭曲振動(dòng)等,指出葉片端的漩渦脫落是系統(tǒng)水力共振的擾動(dòng)源。

以往對(duì)泵站加壓供水系統(tǒng)振動(dòng)特性的研究往往局限于對(duì)機(jī)械和電氣部分動(dòng)態(tài)特性的分析,而忽視了系統(tǒng)與壓力管道內(nèi)水體的耦合關(guān)系,以及各水力元件的影響,并且對(duì)自激振動(dòng)的研究甚少。實(shí)際上,在泵站加壓供水系統(tǒng)中,因水泵的局部“S”形特性產(chǎn)生的自激振動(dòng)與水力機(jī)械振動(dòng)密切相關(guān),同時(shí)涉及氣罐、空氣閥或單向調(diào)壓室等水力元件以及滯留氣體等的動(dòng)態(tài)特性,機(jī)理較為復(fù)雜,應(yīng)深入分析系統(tǒng)自激振動(dòng)的可能性及相應(yīng)的幅頻特性,為避免發(fā)生自激振動(dòng)或設(shè)計(jì)減振措施提供理論依據(jù)。Parrondo 等[20]結(jié)合簡(jiǎn)單的水泵供水系統(tǒng)管路,基于線性化的一維非恒定流基本方程,建立了管道中含有截留氣體的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析模型,分析了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定的臨界條件,指出發(fā)生不穩(wěn)定水力振動(dòng)的可能性,進(jìn)一步結(jié)合數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)分析了水泵在特定工況下運(yùn)行時(shí)供水系統(tǒng)的水力振動(dòng)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)?；谏鲜鲅芯?Parrondo等[21]采用傳統(tǒng)的瞬變流分析特征線法,分析了管道中含有截留氣體的水泵供水系統(tǒng)的水力振動(dòng)特性,以及管路中不同截留氣體體積對(duì)系統(tǒng)水力振動(dòng)特性的影響。對(duì)于泵站加壓供水系統(tǒng)中可能的自激振動(dòng)問題,可結(jié)合相關(guān)集中水力元件節(jié)點(diǎn)水流的連續(xù)性方程和有壓管道內(nèi)水流的動(dòng)力方程,分別采用相應(yīng)的狀態(tài)方程用以描述,建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析模型:

式中:ε、σ和δ均為較小的常數(shù);ε為正數(shù);δ為負(fù)數(shù);x為供水系統(tǒng)特征變量的相對(duì)變化量。式(5)即為系統(tǒng)在一定條件下自激振動(dòng)的數(shù)學(xué)方程,若考慮σ=0,則式(5)為典型的范德波爾方程,工程中許多實(shí)際的自激振動(dòng)問題均可以用范德波爾方程描述。

2.2 系統(tǒng)減振措施

泵站加壓供水系統(tǒng)減振措施通常為設(shè)置“主動(dòng)型”水力元件和“被動(dòng)型”水力元件,其中“被動(dòng)型”水力元件能夠?qū)ο到y(tǒng)局部的流量特性進(jìn)行調(diào)節(jié),空氣罐和單向調(diào)壓室等均為“被動(dòng)型”水力元件。研究表明,“被動(dòng)型”水力元件運(yùn)行較為可靠,設(shè)置位置合適能有效削減系統(tǒng)的水力振動(dòng)。

由于諸如漏水閥門等水力元件本身的不穩(wěn)定特性可能會(huì)引起泵站加壓供水系統(tǒng)較大的水力振動(dòng),而合理設(shè)計(jì)和設(shè)置空氣罐等水力元件可以有效抑制這種水力振動(dòng)。Gardner等[22]結(jié)合某一漏水閥門、氣室、壓力管道和水庫系統(tǒng),分析了氣室減振的機(jī)理,證明水力系統(tǒng)中設(shè)置尺寸合理的阻抗式氣室能有效降低可能的壓力振蕩;Shinichi等[23]指出,因水力元件本身不穩(wěn)定導(dǎo)致的流量脈動(dòng)是水力控制系統(tǒng)中最常見的擾動(dòng)源之一,可以通過設(shè)置蓄能器等“被動(dòng)型”水力元件有效降低,但不易有效降低高頻脈動(dòng),因此提出了一種新型的“主動(dòng)型”蓄能器,可以產(chǎn)生反相流以有效降低和消除水力系統(tǒng)中產(chǎn)生的高頻流量脈動(dòng);周建旭等[24]應(yīng)用有壓輸水系統(tǒng)水力振動(dòng)理論,比較分析了阻抗式調(diào)壓室和氣墊式調(diào)壓室的減振效果,指出氣墊式調(diào)壓室的減振效果優(yōu)于阻抗式調(diào)壓室;高松竹等[25]結(jié)合脈動(dòng)型水力擾動(dòng)系統(tǒng),詳細(xì)分析了不同位置和不同容積空氣罐對(duì)壓力脈動(dòng)控制效果的影響,結(jié)果表明通過優(yōu)化空氣罐容積和安裝位置,可以提高空氣罐控制壓力脈動(dòng)的效果。另外,類似于水電站輸水系統(tǒng)和其他形式的供水系統(tǒng),分別從泵站加壓供水系統(tǒng)的水力、機(jī)械和電氣角度入手,消除可能導(dǎo)致水力振動(dòng)的擾動(dòng)源也是一種有效的減振措施。

在以往研究中,針對(duì)不同的泵站加壓供水系統(tǒng),通?；诤?jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型分析某一水力元件的減振效果和減振機(jī)理,或者僅從數(shù)值分析的角度研究各類減振措施,今后可結(jié)合氣體動(dòng)力學(xué)方程和振動(dòng)分析理論對(duì)空氣罐等水力元件的減振特性和機(jī)理進(jìn)行深入的理論分析,探索此類水力元件在各類供水系統(tǒng)中的布置原則和影響因素,以有效抑制系統(tǒng)的水力振動(dòng)。

3 結(jié) 語

對(duì)于分段低壓供水系統(tǒng),其水力振動(dòng)特性主要表現(xiàn)為自由水面的水位波動(dòng)和系統(tǒng)的水力振蕩,甚至是共振。除了采用導(dǎo)流板或消渦梁在一定程度上削減水面波動(dòng)的幅度以外,還可以在消除可能擾動(dòng)源的基礎(chǔ)上,通過合理調(diào)整保水堰井等結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù),以錯(cuò)開各供水單元的固有頻率,同時(shí)避開常見的擾動(dòng)頻率,從而改善系統(tǒng)的水力振蕩特性。

對(duì)于泵站加壓供水系統(tǒng),其水力振動(dòng)特性較為復(fù)雜,擾動(dòng)源種類也很多,因水泵局部的不穩(wěn)定特性可能會(huì)引起危害較大的自激振動(dòng)。為此,首先應(yīng)從系統(tǒng)的水力、機(jī)械和電氣角度開展可能的擾動(dòng)源分析,消除可能導(dǎo)致水力振動(dòng)的振源,同時(shí),在供水管路中合理設(shè)計(jì)和設(shè)置空氣罐、單向調(diào)壓室等“被動(dòng)型”水力元件,以有效削減系統(tǒng)的水力振動(dòng)。

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Reviews on hydraulic vibration characteristics and vibration reduction measures of long-distance water supply system

//JIA Junjie1,ZHOU Jianxu1,HAN Yuwen2(1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Huizhou Huayu Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Co.,Ltd., Huizhou 516001,China)

To ensure stable operation of the long-distance water supply system,the existing theoretical discussions, experimental researches and numerical simulations of the stepped low-pressure water supply system and the commonly used water-pumping system are summarized.The hydraulic vibration characteristics and methods of the long-distance water supply system are comprehensively analyzed,and the relevant vibration reduction measures are discussed.The results indicate that,for the layout,design and operation of the long-distance water supply system,high-order vibration characteristics of flows in the pressurized water supply system should be fully considered.The analysis of hydraulic vibration characteristics and vibration reduction measures should be carried out by means of the analytical theories of dynamic system,so as to guarantee the reliable operation of the long-distance water supply system.

long-distance water supply system;hydraulic vibration characteristic;vibration reduction measure;linear elastic model;nonlinear vibration

10.3880/j.issn.10067647.2013.03.019

TV698.1+62

A

10067647(2013)03008906

2012-08-02 編輯:駱超)

國家自然科學(xué)基金(90610027,51079051);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2010B01714)

賈俊杰(1986—),男,陜西寶雞人,碩士研究生,主要從事水利水電工程研究。E-mail:jjj19860404@163.com