氣動移水水力過渡過程仿真研究

張衛(wèi)東，肖龍洲，蔡標(biāo)華，劉 承

(1. 海軍駐431廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205；3. 武漢大學(xué)，湖北 武漢 430072)

氣動移水水力過渡過程仿真研究

張衛(wèi)東1，肖龍洲2，蔡標(biāo)華2，劉 承3

(1. 海軍駐431廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205；3. 武漢大學(xué)，湖北 武漢 430072)

氣動移水方式因其系統(tǒng)管路簡單方便操作，在航空、船舶、化工等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。然而在完成移水閥門關(guān)閉過程中存在劇烈水錘沖擊，對系統(tǒng)存在較大的危害。本文通過對典型的2個水箱間氣動移水的瞬態(tài)閥門啟閉過程進(jìn)行仿真，詳細(xì)分析了閥門操作時間、供氣壓力以及操作閥門位置對系統(tǒng)水錘的影響。根據(jù)仿真結(jié)果可知，在適當(dāng)控制關(guān)閥時間和供氣壓力的基礎(chǔ)上，操作遠(yuǎn)離供水水箱的閥門可有效降低系統(tǒng)水錘沖擊壓力，抑制水錘對系統(tǒng)的破壞。

水錘；壓縮空氣；移水；沖擊壓力

0 引 言

傳統(tǒng)的流體輸送方式除利用泵增壓輸送外，利用壓縮空氣增壓移水在航空、船舶、化工等領(lǐng)域也廣泛運用。其輸水管路簡單，只需要提供壓縮氣源即可完成輸水。然而在氣動移水過程中，閥門的啟閉往往會誘發(fā)劇烈的水錘。作為一種非定常流動現(xiàn)場，水錘的出現(xiàn)會對系統(tǒng)管路造成較大的沖擊，甚至破壞相關(guān)管道設(shè)備[1-4]。目前針對泵供水系統(tǒng)管路水錘的研究較多[5-8]，然而針對氣動供水方式下的水錘研究較少。與泵移水不同，氣源在水箱內(nèi)的壓力并不穩(wěn)定，氣動移水在關(guān)閥過程中系統(tǒng)管路更易誘發(fā)劇烈的壓力脈動。特別是在高速移水過程中，關(guān)閥引起的水錘對系統(tǒng)存在巨大的危害，需要引起重視。

本文針對典型的艦船上水箱間的氣動移水過程，采用商業(yè)軟件PIPENET對移水工程中閥門的瞬態(tài)啟停過程進(jìn)行仿真計算。氣動移水系統(tǒng)由供水水箱、受水水箱、管道和控制閥門組成，受水艙氣體壓力始終為0 MPa（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相對值），供水艙內(nèi)有高壓氣體，在壓差的作用下實現(xiàn)供水艙向受水艙的移水，并隨著移水過程氣壓不斷降低。當(dāng)滿足移水要求的數(shù)量后，關(guān)閉管路系統(tǒng)上的控制閥門。通過對氣動移水系統(tǒng)過渡過程仿真，得到水錘發(fā)生的位置規(guī)律及其壓力變化特點，計算分析水艙供氣壓力、系統(tǒng)流速、關(guān)閥時間、閥門特性和控制閥位置對于水錘的影響并總結(jié)規(guī)律，然后根據(jù)此規(guī)律提出初步的水錘抑制方案。

1 系統(tǒng)組成

圖1所示為氣動移水系統(tǒng)圖，其主要部件包括：1號和2號水箱（互為供水水箱和受水水箱）、3個控制閥門（閥門1、閥門2、閥門3）、供氣閥1和供氣閥2、排氣閥1和排氣閥2等部件。

圖 1 氣動移水系統(tǒng)圖Fig. 1 Sketch of the conveying water system

氣動移水系統(tǒng)管路全長115 m，采用鋼管布置，鋼管規(guī)格為Φ108×5。閥門1和閥門2置于水箱出口處，閥門3布置于距離2號水箱約99 m處。水箱為圓柱型，體積60 m3，直徑為4.37 m，高4 m。

系統(tǒng)運行時供水水箱排氣閥關(guān)閉，供氣閥開啟接通氣源水艙增壓，而排水水艙供氣閥關(guān)閉，排氣閥打開接通大氣。待供水水箱充壓達(dá)到指定值時，關(guān)閉供氣閥，開啟控制閥。此時，供水水箱內(nèi)介質(zhì)在氣壓的作用下排向受水水箱，進(jìn)而實現(xiàn)水箱間的移水。當(dāng)移水達(dá)到指定量時，關(guān)閉控制閥，停止移水。

2 數(shù)值仿真方法

本次采用商業(yè)軟件PIPENET對船舶泵閥系統(tǒng)的水力過渡過程進(jìn)行計算分析。PIPENET系列軟件已在國際范圍內(nèi)廣泛的運用于石油化工、造船、工業(yè)循環(huán)水以及跨流域輸送等行業(yè)，具備強大的工程管網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)值計算、模擬仿真和系統(tǒng)優(yōu)化等功能。

2.1 水錘計算的特征線法

泵站水錘的計算是對整個水泵抽水裝置進(jìn)行計算分析，包括管道內(nèi)點及與管道連接的泵裝置中的各部分（邊界點）。在水錘計算中，對于管道系統(tǒng)內(nèi)點的計算是求解水錘基本方程，即由運動方程和連續(xù)性方程組成的雙曲型偏微分方程組。為了實現(xiàn)計算機的編程計算，需采用特征線方法將該偏微分方程組離散化，為此，先沿特征線方向?qū)⑺D(zhuǎn)換為水錘全微分方程：

由式（1）和式（2）進(jìn)行有限差分近似，可以得到對應(yīng)于圖2所示的水錘離散特征線方程。

圖 2 特征線法示意圖Fig. 2 Method of characteristics

解上述方程可得：

式中：

2.2 仿真模型及工況

圖3所示為PIPENET仿真模型示意圖，左端為供水水箱，右端為受水水箱，從供水水箱至受水水箱，沿程布置3個控制閥，分別對應(yīng)圖1中閥1、閥3和閥2。供水水箱對應(yīng)圖1中1號水箱，受水水箱對應(yīng)圖1中2號水箱。仿真過程中主要對3個閥門的關(guān)閉時間以及水箱供氣壓力2個變量進(jìn)行控制。供氣壓力分別設(shè)定為 0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa和 0.7 MPa，關(guān)閥時間分別設(shè)定為0.5 s、1.5 s、2.5 s、3.5 s、5.0 s。

圖 3 PIPENET仿真模型示意圖Fig. 3 Schematic drawing of the numerical model

3 計算結(jié)果與分析

3.1 不同閥門操作時間系統(tǒng)水錘對比

在氣動移水管路上的閥門突然關(guān)閉，無論是閥前還是閥后都會誘發(fā)不同程度的沖擊。圖4所示為閥門3關(guān)閉過程中管道壓力線。由圖可知，閥前整體沖擊壓力要高于閥后，且越靠近閥門，管道在關(guān)閥過程中的最高壓力也越大。與此相反，閥后的沖擊相對較小，但最小壓力則更低。圖5～圖7所示為閥門3關(guān)閉過程中閥前閥后的瞬時壓力以及系統(tǒng)瞬時流量隨時間的關(guān)系（供氣壓力0.7 MPa，t=0 s時開始關(guān)閥，t=3.5 s時閥門關(guān)閉）。關(guān)閥過程中系統(tǒng)流量變化相對平穩(wěn)，但出現(xiàn)劇烈的壓力波動。由圖可知在閥門關(guān)閉過程中由于水擊波的傳遞，閥前出現(xiàn)瞬時的壓力沖擊達(dá)110.46 m，在閥門關(guān)閉后，閥前也產(chǎn)生了連續(xù)的壓力沖擊，幅值高達(dá)80 m。由于閥后管路較短，故閥后壓力沖擊頻率較高幅值較小，且壓力波動衰減較快。

圖 4 供氣壓力0.7 MPa，開/關(guān)3.5 s，管道壓力線（閥門3）Fig. 4 The distribution of the piping pressure (operating valve 3,air pressure 0.7 MPa, operating time 3.5 s)

圖 5 供氣壓力0.7 MPa，開/關(guān)3.5 s，閥前壓力變化曲線（閥門3）Fig. 5 The variation of pressure at the inlet of the valve (operating valve 3, air pressure 0.7 MPa, operating time 3.5 s)

圖 6 供氣壓力0.7 MPa，開/關(guān)3.5 s，閥后壓力變化曲線（閥門3）Fig. 6 The variation of pressure at the outlet of the valve (operating valve 3, air pressure 0.7 MPa, operating time 3.5 s)

圖 7 供氣壓力0.7 MPa，開/關(guān)3.5 s，系統(tǒng)流量隨時間變化曲線（閥門3）Fig. 7 The variation of the flow rate (operating valve 3, air pressure 0.7 MPa, operating time 3.5 s)

圖 8 不同關(guān)閥時間閥前壓力隨時間變化曲線（閥門3）Fig. 8 The variation of the pressure at the inlet of the valve under different operating time (valve 3)

圖8所示為不同關(guān)閥時間閥前壓力隨時間變化曲線（操作閥門3，供氣壓力0.7 MPa）。由圖可知，隨著關(guān)閥時間從5 s減少至0.5 s，閥前最大沖擊壓力由89.29 m增加至795 m，且閥前伴隨空化現(xiàn)象。由圖可知在關(guān)閥時間5.0 s和2.5 s時，閥前最大壓力出現(xiàn)在閥門關(guān)閉前，可見閥門處的水錘壓強受到降壓順行波影響開始減小。關(guān)閥時間0.5 s時，水錘最大沖擊壓力出現(xiàn)閥門關(guān)閉時，此時系統(tǒng)出現(xiàn)直接水錘，沖擊壓力達(dá)到最大。

表1所示為不同關(guān)閥時間下系統(tǒng)過渡特性對比表。當(dāng)關(guān)閥時間控制在1.5 s時，閥前水錘引起的最大沖擊壓力可降低至231.8 m。然而此時閥后仍然存在較大的沖擊壓力，且伴隨空化現(xiàn)象產(chǎn)生。當(dāng)閥門關(guān)閉時間增長至3.5 s時，閥后最大沖擊壓力降低至15.1 s，且空化現(xiàn)象消失?？梢娫鲩L關(guān)閥時間，可有效降低閥前和閥后的水錘沖擊壓力，并防止閥后空化現(xiàn)象的產(chǎn)生。

表 1 不同關(guān)閥時間下系統(tǒng)過渡特性對比表（操作閥門3）Tab. 1 Comparisons of the system transient characteristics under different operating time

3.2 不同供氣壓力下系統(tǒng)水錘對比

供氣壓力對系統(tǒng)水錘的相關(guān)動態(tài)特性也存在較大影響。圖9所示為不同供氣壓力下閥門3關(guān)閉過程中閥前壓力隨時間的變化曲線（關(guān)閥時間2.5 s）。隨著供氣壓力的降低，閥前關(guān)閥水錘最大沖擊壓力不斷降低，水錘沖擊波的振幅也有明顯衰減。當(dāng)供氣壓力為0.7 MPa時，閥前最大沖擊壓力可達(dá)142.4 m，然而當(dāng)供氣壓力降低至0.1 MPa時，關(guān)閥過程中，閥前甚至因水錘波的傳遞出現(xiàn)了空化現(xiàn)象。表2所示為不同供氣壓力下系統(tǒng)過度特性對比表。當(dāng)供氣壓力為0.7 MPa和0.1 MPa時，閥后都出現(xiàn)了空化現(xiàn)象，但供氣壓力為0.5 MPa和0.3 MPa時，閥后空化現(xiàn)象消失。由此可見，閥前壓力過高或過低都會誘發(fā)系統(tǒng)管網(wǎng)的空化現(xiàn)象，實際操作中應(yīng)根據(jù)具體使用工況，確定供氣壓力。

圖 9 不同供氣壓力下閥前壓力隨時間變化曲線（關(guān)閥時間2.5 s）Fig. 9 The variation of the pressure at the inlet of the valve under different air pressure (operating time 2.5 s)

表 2 不同供氣壓力下系統(tǒng)過度特性對比表Tab. 2 Comparisons of the system transient characteristics under different air pressrue

3.3 不同位置閥門關(guān)閉系統(tǒng)水錘對比

圖 10 關(guān)閥時間為1.5 s時，系統(tǒng)最大壓力隨供氣壓力變化曲線Fig. 10 The maximum transient pressure in the system versus air pressure (operating time 1.5 s)

圖 11 關(guān)閥時間為2.5 s時，系統(tǒng)最大壓力隨供氣壓力變化曲線Fig. 11 The maximum transient pressure in the system versus air pressure (operating time 2.5 s)

在1號水箱向2號水箱供水過程中，操作不同的閥門對系統(tǒng)的水錘沖擊壓力也存在較大影響。圖10和圖11分別比較了關(guān)閥時間為1.5 s和2.5 s時，系統(tǒng)最大壓力（包括閥前壓力和閥后壓力）隨供氣壓力的變化曲線。由圖可知，操作閥門1系統(tǒng)產(chǎn)生的最大壓力在不同供氣壓力下都要高于操作閥門2?？梢娫跉鈩庸┧^程中，選擇關(guān)閉靠近供水水箱的閥門（閥門1）時，系統(tǒng)水錘最大沖擊壓力高于受水水箱處閥門（閥門2）。此時最高壓力主要是由于閥后的負(fù)壓水錘引起。當(dāng)操作閥門為位于中間位置的閥門3時，關(guān)閥時間對系統(tǒng)最大沖擊壓力有明顯的影響。在關(guān)閥時間為1.5 s時，系統(tǒng)最大沖擊壓力隨供氣壓力增加明顯增大。在供氣壓力為0.1 MPa時，閥門3和閥門2關(guān)閉引起的沖擊壓力幅值相當(dāng)，且最大壓力都發(fā)生在閥前。然而，當(dāng)供氣壓力增大至0.3 MPa以上時，閥門3關(guān)閉引起的最大沖擊壓力明顯增大，且主要發(fā)生在閥后。當(dāng)關(guān)閥時間增加至2.5 s時，閥門3關(guān)閉引起的系統(tǒng)最大水錘沖擊壓力則明顯降低，甚至低于閥門2關(guān)閉引起的最大壓力，且最大壓力主要發(fā)生在閥前。

圖12和圖13進(jìn)一步比較了供氣壓力為0.7 MPa和0.5 MPa時，系統(tǒng)最大壓力（包括閥前壓力和閥后壓力）隨供氣關(guān)閥時間的變化曲線。當(dāng)關(guān)閥時間為0.5 s時，關(guān)閉靠近受水水箱的閥門（閥門2）時，系統(tǒng)水錘最大沖擊壓力更大?？梢娫跉鈩庸┧^程中，當(dāng)關(guān)閥時間極短系統(tǒng)發(fā)生直接水錘時，閥門2相對閥門1關(guān)閉引起的水錘沖擊更為劇烈。然而當(dāng)關(guān)閥時間增加至1.5 s以上時，關(guān)閉靠近受水水艙閥門（閥門2）時，系統(tǒng)最大水錘沖擊壓力相對較小。此外，當(dāng)關(guān)閥時間繼續(xù)增加，閥門3和閥門2關(guān)閉時系統(tǒng)最大壓力相當(dāng)。雖然如此，閥門3引起的最大壓力主要發(fā)生在閥后，而閥門2引起的最大壓力主要發(fā)生在閥前。

圖 12 供氣壓力為0.7 MPa時，系統(tǒng)最大壓力隨關(guān)閥時間變化曲線Fig. 12 The maximum transient pressure in the system versus air pressure (air pressure 0.7 MPa)

4 結(jié) 語

本文通過商用軟件PIPENET對氣動移水閥門啟閉的瞬態(tài)水錘進(jìn)行了仿真計算，詳細(xì)比較了閥門啟停時間、供氣壓力、操作閥門位置對系統(tǒng)供水過程中水錘的影響，根據(jù)結(jié)論提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，具體結(jié)論如下：

圖 13 供氣壓力為0.5 MPa時，系統(tǒng)最大壓力隨關(guān)閥時間變化曲線Fig. 13 The maximum transient pressure in the system versus air pressure (air pressure 0.5 MPa)

1）延長閥門關(guān)閉時間及降低供氣壓力可有效抑制閥前和閥后的水錘最大沖擊壓力；

2）操作閥門的位置對水錘沖擊壓力有較大影響，靠近供水水箱的閥門關(guān)閉時閥前沖擊壓力較小，而閥后沖擊壓力較大且伴隨嚴(yán)重的汽蝕。選擇關(guān)閉靠近受水水箱的控制閥，雖然閥前沖擊壓力有所提高，但閥后沖擊壓力明顯降低，且汽蝕現(xiàn)象也可得到有效控制；

3）在適當(dāng)延長開閥時間的基礎(chǔ)上，選擇關(guān)閉靠近受水水箱或中間位置的控制閥都可有效抑制水錘。

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Numerical investigation on hydraulic transient process of conveying water by compressed gas

ZHANG Wei-dong1, XIAO Long-zhou2, CAI Biao-hua2, LIU Cheng3
(1. The Navy Representative Department Resident in No. 431 Plant, Huludao 125004, China;2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China;3. Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Conveying water by compressed gas is widely used in many fields such as ship, aeronautics, chemical industry due to the simple piping system and operation. However as the control valve shutting down after transferring water fierce water hammer is induced and causes great damages to the system. This paper simulated the typical procedure of moving water between two water tanks and investigated the influence of operating time, gas pressure and the position of the control valve on the water hammer in the piping system. According to the numerical results, by controlling the operating time and gas pressure, operating the control valve far away from the supplying water tanks can decrease the shock pressure of the water hammer and attenuate the damage induced by water hammer.

water hammer；compressed gas；conveying water；shock pressure

TU991.39

A

1672-7649(2017)11-0085-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.016

2017-04-06

張衛(wèi)東(1971-)，男，高級工程師，研究方向為船舶輔機。