大型灌區(qū)自壓輸水管道水錘防護(hù)措施研究進(jìn)展

馬習(xí)賀,王振華,3*,何新林,李文昊

1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832000

2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832000

3.賓夕法尼亞州立大學(xué)生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)與管理系,美國 賓夕法尼亞 16082

2016年8月，國務(wù)院發(fā)布的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》國發(fā)〔2016〕43號提出，提升國家水資源安全保障科技支撐能力，開展水資源系統(tǒng)智能調(diào)度與精細(xì)化管理研究，大力發(fā)展水資源的高效開發(fā)和節(jié)約利用技術(shù)[1]。新疆地區(qū)地處我國西北內(nèi)陸，由于降水量少，蒸發(fā)量大等自然因素導(dǎo)致干旱缺水。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和區(qū)域人口的增多，農(nóng)業(yè)用水劇增，用水矛盾日益突出。大型自壓管道輸水是充分利用地表水資源通過兩地高差勢能進(jìn)行重力長距離輸水的方式，結(jié)合新疆綠洲灌區(qū)已經(jīng)大規(guī)模實(shí)施的膜下滴灌系統(tǒng)，形成大型自流灌區(qū)現(xiàn)代化管道化輸配水的自壓滴灌系統(tǒng)模式，該灌溉模式具有提高水利用系數(shù)、節(jié)約水資源，減少能源損耗、綠色環(huán)保，適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行管理方便等諸多優(yōu)勢。當(dāng)前新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)已經(jīng)在南北疆不同灌區(qū)進(jìn)行了試點(diǎn)示范并取得了理想效果。但在輸水過程中，最易發(fā)生且難控制的水錘問題。自壓輸水管道因無水泵加壓，故無停泵水錘危害[2]，在正常運(yùn)行過程中，閥門的突然關(guān)閉，會使管道始末端的高差遠(yuǎn)低于管道中最大靜水壓，流速的急劇變化會瞬間產(chǎn)生升壓很大的關(guān)閥水錘[3]。關(guān)閥水錘一旦發(fā)生，會誘發(fā)產(chǎn)生斷流彌合水錘。水錘波的傳遞周而復(fù)始，水柱中斷、彌合不斷進(jìn)行，對管道造成連續(xù)沖擊，若水錘壓力超過管道承壓閾值時(shí)，會造成管道爆裂等事故，輸水的安全性很難控制。因此對于大管徑大高差自壓輸水管道，必須提前進(jìn)行水錘防護(hù)措施的安置，對長距離輸水過程中的關(guān)閥水錘以及斷流彌合水錘防患于未然。本文通過重力流輸水管道水錘的防護(hù)措施展開分析研究，為自壓管道輸水過程中水錘防護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1 管網(wǎng)管徑鋪設(shè)選擇中水錘防護(hù)

復(fù)雜地形條件下重力流輸水系統(tǒng)管道供水方式受地形約束較大[4]，管線高度和長度決定了閥門前端的最大水錘壓力[5]。采用多級重力流管道分段輸水，將長距離管道分成幾個(gè)較短的管道，能夠有效降低管道靜水壓力、降低管材耐壓等級和工程造價(jià)、簡化輸配水條件、減少管理人工、在技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)。根據(jù)水錘發(fā)生機(jī)理，利用減壓水池對管線進(jìn)行壓力分級，可以使管道進(jìn)水口反射回來的水錘波較早地回到管道末端，從而避免過高的水錘升壓[6]。在管道布置中通過加大局部管道埋深，降低管道高程等措施改變平、縱布置，可以避免產(chǎn)生負(fù)壓并防止因地形高點(diǎn)引發(fā)的斷流彌合水錘[7]。輸水管道通過孔口排氣引起的瞬變壓力與孔口的大小有關(guān)[8]，當(dāng)孔口直徑占管道直徑比例約為0.2時(shí)，會產(chǎn)生最大瞬變壓力，并且隨著孔口直徑的增大會逐漸減小隨后消失[9]，因此在管網(wǎng)優(yōu)化布置中選擇合適的孔口直徑尤為重要。同時(shí)在管道與閥門的結(jié)合處應(yīng)采用彈性較好的大小頭，提高管束之間的焊接質(zhì)量可有效減少管網(wǎng)漏水量[10]。

2 充放水過程中水錘防護(hù)

長距離重力流輸水管路在充放水過程中，充水流量越大，管道內(nèi)特征點(diǎn)的氣體壓強(qiáng)最大值越大，排氣就會不暢，容易引發(fā)氣爆等水錘破壞事故；充水流量越小、越緩慢則越不會使管道內(nèi)氣體產(chǎn)生較大的壓力變化，從而有效防止水錘的發(fā)生。放水流量越大，管道內(nèi)氣體壓力達(dá)到最小值所用時(shí)間越短，能達(dá)到的最小壓力值也越小，會導(dǎo)致管道局部出現(xiàn)真空，繼而發(fā)生管道凹陷等破壞[11]。孫巍等[12]認(rèn)為管道初次充水啟動應(yīng)控制充水流速不超過0.3 m/s。在工程實(shí)際中，應(yīng)該采取分段處理，依次充、放水的策略，嚴(yán)格執(zhí)行末端閥門的控制規(guī)律，科學(xué)地確定充放水流量，保證管道安全運(yùn)行[13]。通常情況下充水歷時(shí)較長，保水是保證管路適時(shí)運(yùn)行和防止水體脫空的重要技術(shù)。銜接池長輸水管道溢流堰是管路中用于保水的輸水結(jié)構(gòu)，它能夠避免管道尾部閥門、閘門等保水形式突然關(guān)閉導(dǎo)致的水錘壓力，并且能夠保持管路始終處于有壓滿管狀態(tài)。在實(shí)際工程中為防止壓力輸水管路進(jìn)氣和脫空，可以增加銜接池的面積和尾部溢流堰的靜水淹沒度[14]。該技術(shù)在自壓管道水流控制中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 不同類型的水錘防護(hù)設(shè)備及其組合方式

3.1 不同類型的水錘防護(hù)設(shè)備

在長距離、高揚(yáng)程、大流量、多起伏的復(fù)雜有壓輸水系統(tǒng)中，管道駝峰等部位較容易聚集氣體，如果排氣不暢，管道內(nèi)將會形成氣堵現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會造成氣爆事故。在水力過渡過程中，當(dāng)管路中壓強(qiáng)下降至當(dāng)時(shí)水溫的汽化壓力以下時(shí)，水流會發(fā)生汽化現(xiàn)象，造成水柱分離，甚至誘發(fā)形成斷流彌合水錘。因此，應(yīng)注重管道排氣和負(fù)壓控制等問題。選擇具備在水氣相間條件下自動大量排氣且緩沖關(guān)閉功能的排氣裝置，可有效消減管道中斷流彌合水錘升壓和氣囊運(yùn)動所帶來的危害，保證輸水管道的安全運(yùn)行[15]。目前實(shí)際工程中常用的有空氣閥、超壓泄壓閥、止回閥、調(diào)壓塔以及抗水錘氣壓罐等多種水錘防護(hù)設(shè)備，眾多專家學(xué)者對不同的水錘防護(hù)設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用上的防護(hù)效果進(jìn)行了研究，并且得出了安全合理的水錘防護(hù)經(jīng)驗(yàn)[16-20]。下面就常用水錘防護(hù)設(shè)備在實(shí)際工程的應(yīng)用做了簡單介紹。

3.1.1 空氣閥 空氣閥又叫排氣閥、通氣閥，是一種性能優(yōu)良的進(jìn)排氣設(shè)備，其利用氣囊的壓縮與膨脹對管道進(jìn)行注水和排氣，分離空氣與水，具有恒速緩沖功能且構(gòu)造簡單、不受安裝條件限制等特點(diǎn)，多用于設(shè)備流量較小、揚(yáng)程較高、控制壓力變化范圍較廣的情況，可作為消減斷流彌合水錘的最基本防護(hù)措施[19]。在合理位置安裝合適進(jìn)排氣孔徑的空氣閥，可在管路中出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)快速補(bǔ)充空氣，降低管線負(fù)壓，也可排出管道運(yùn)行過程中產(chǎn)生的滯留氣團(tuán)，使水充滿管道，有效防止水柱分離再彌合產(chǎn)生的巨大瞬變壓力[21,22]。張健等[23]提出了空氣閥在不同工況管路中設(shè)置的通用準(zhǔn)則和公式。鄭源等[24]研究表明安裝空氣閥較沒有安裝空氣閥的管路中水錘最高壓力降幅達(dá)84%左右、最大真空度降低60%。胡建永等[25]認(rèn)為空氣閥的進(jìn)排氣特性和水錘防護(hù)效果與進(jìn)排氣系數(shù)具有較大關(guān)系，當(dāng)空氣閥具有較高的進(jìn)氣流量系數(shù)Cin時(shí)，應(yīng)盡量降低排氣流量系數(shù)Cout。劉梅清等[26]認(rèn)為當(dāng)空氣閥進(jìn)排氣流量系數(shù)Cin/Cout＞0時(shí)水錘防護(hù)作用才較為明顯?？諝忾y孔徑對水錘防護(hù)也具有較大影響，楊開林等[27]研究認(rèn)為存在一個(gè)可以抑止液柱彌合沖擊壓力或高度真空的最優(yōu)空氣閥孔徑。但是管道允許吸入的氣體量有限，空氣閥進(jìn)、排氣的阻力不相同會使管道中殘留的自由空氣重新生成氣液兩相流，不能保證負(fù)壓持續(xù)時(shí)間較長的管道系統(tǒng)安全運(yùn)行。如果管道中的空氣排出過快，會使分離水柱彌合時(shí)產(chǎn)生撞擊，水流速度瞬降，形成附加水錘壓力，可達(dá)到管道正常工作壓力的2.5倍[28]。在工程實(shí)際應(yīng)用中，減小空氣閥的排氣面積，緩沖閉合流速控制在0.2～0.5 m/s范圍內(nèi)，最高排氣速度不超過管道流速，可在一定程度上將水錘升壓控制在規(guī)范要求的管道承壓值范圍內(nèi)并減少空氣閥的破壞現(xiàn)象[29]。但是過低的排氣速度會導(dǎo)致斷流空腔發(fā)生不排氣壓縮工況，產(chǎn)生管道的“氣堵”問題，壓力反而升高[30]。趙莉等[31]認(rèn)為在任何流態(tài)情況下都能高速進(jìn)氣和恒速緩沖排氣的新型的缸式恒速緩沖排氣閥可作為長距離輸水工程中的理想防護(hù)設(shè)備。

3.1.2 調(diào)壓塔 調(diào)壓塔的工作原理是通過儲存一定體積的水，利用壓差向管道內(nèi)注水，升壓時(shí)壓縮空氣消能緩沖，降壓時(shí)補(bǔ)水防負(fù)壓[32]。單向調(diào)壓塔是有壓供水系統(tǒng)常用的平壓措施，相比補(bǔ)氣措施更加經(jīng)濟(jì)可靠[33]。在管道沿線根據(jù)具體情況增加箱內(nèi)水位或增設(shè)多個(gè)單向調(diào)壓塔可以有效消除管道中出現(xiàn)的負(fù)壓及水柱分離現(xiàn)象，避免斷流空腔再彌合水錘的過高升壓[34]。單向調(diào)壓塔通常是修建在工程布置的指定位置，然后根據(jù)水錘計(jì)算結(jié)果確定其高度與面積，但是該方法缺乏理論指導(dǎo)，對節(jié)點(diǎn)布置多且復(fù)雜的長距離管道很可能漏掉危險(xiǎn)的節(jié)點(diǎn)。張健等[35]通過理論分析及優(yōu)化，在考慮多種因素的情況下給出了在適用范圍內(nèi)多個(gè)串聯(lián)單向調(diào)壓塔的位置設(shè)置及高度計(jì)算的基本公式，從理論上明確了單向調(diào)壓塔布置的基本原理。雙向調(diào)壓塔相比單項(xiàng)調(diào)壓塔管可以在管內(nèi)壓力較高時(shí)通過排水來緩沖泄壓，能夠更好地進(jìn)行主干管道、支干管道水錘防護(hù)[36]，但單向調(diào)壓塔安裝高度低、水箱體積小，更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用[22]。

3.1.3 止回閥 止回閥調(diào)節(jié)可以有效進(jìn)行水錘防護(hù)，具有廣闊的水錘防護(hù)理論研究和技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展前景[16]。止回閥有緩閉止回閥、梭式止回閥等多種類型，也有較多學(xué)者對止回閥的水錘特性以及其他特性進(jìn)行了研究，并根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[37-39]。可控緩閉止回閥在正常關(guān)閥時(shí)，可以保證管路系統(tǒng)中不會產(chǎn)生過高的水錘升壓并且能夠很好地抑制管路中水的倒流[40]。

3.1.4 超壓泄壓閥 通常布置在管道高程較低位置，在突發(fā)事件發(fā)生過程中，可以及時(shí)將傳遞增壓的水流排泄出去，提高管路對水錘正壓的防護(hù)能力[41]。超壓泄壓閥的類型較多，可根據(jù)實(shí)際工程的具體防護(hù)要求來選用。

3.1.5 消能箱 具有水力摩阻和調(diào)蓄水池的雙重性質(zhì)，可消減過高的水流余能?？梢院喕癁樘摂M閥門和普通水池相串聯(lián)的調(diào)壓室形式進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

3.2 不同的防護(hù)措施組合方式

在管路中設(shè)置調(diào)壓塔、空氣閥等其他工程措施進(jìn)行聯(lián)合水錘防護(hù)，可以在事故發(fā)生時(shí)及時(shí)向管線中補(bǔ)水或補(bǔ)氣，以減小輸水系統(tǒng)壓力的劇烈下降，避免因負(fù)壓破壞造成爆管事故[42,43]。蔣琳琳等[44]認(rèn)為通過在管路中設(shè)置空氣閥以及超壓泄壓閥，可以有效控制主干線末端的水錘升壓并降低管路沿線最大壓力。董玉娥等[3]、榮禹等[45]認(rèn)為采用減壓池或減壓閥對長距離管道進(jìn)行壓力分級，結(jié)合減壓恒壓閥，在管線重要部位安裝箱式雙向調(diào)壓塔或超壓泄壓閥進(jìn)行突發(fā)高壓保護(hù)，末端采用兩階段關(guān)閉緩閉蝶閥，控制末端閥門開度以預(yù)防關(guān)閥水錘，管道沿線每隔800～1000 m安裝恒速緩沖排氣閥，保證管道在任何水流狀態(tài)下高速大量的及時(shí)排氣，對于水資源的安全輸送以及避免斷流彌合水錘的形成都有顯著的作用，同時(shí)利用輸水中的重力勢能，采取分段水力發(fā)電消能，有效的實(shí)現(xiàn)輸水的安全及能源的轉(zhuǎn)化。楊玉思等[2,19]在管線中恰當(dāng)位置設(shè)置減壓池，并配合空氣閥、調(diào)壓塔、超壓泄壓閥和緩閉止回閥等防護(hù)措施可以對多處斷流彌合水錘進(jìn)行防護(hù)。孫巍等[12]認(rèn)為采用活塞式調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)原水管道輸送系統(tǒng)的水量、水壓，緩閉氣缸式進(jìn)排氣閥控制管道排氣與進(jìn)氣，末端閥門采用液控蝶閥，在突發(fā)情況下能按程序啟閉，可消除破壞性水錘。薛長青等[46]認(rèn)為采用空氣閥、調(diào)壓室和調(diào)壓塔的聯(lián)合水錘防護(hù)措施，能避免管道中產(chǎn)生汽化壓力，防止發(fā)生液柱分離及再彌合現(xiàn)象，有效減小管線最大水錘壓力。邢海仙等[47]認(rèn)為液控止回閥、水錘預(yù)作用閥與防水錘型空氣閥的組合方案，可以有效解決遠(yuǎn)端的彌合水錘，并且易于控制、便于調(diào)節(jié)。韓建軍等[48]采用分階段關(guān)閥的方式結(jié)合超壓泄壓閥，既能解決關(guān)閥過快引起的水錘升壓和降壓問題，又能節(jié)省關(guān)閥時(shí)間。張杰[49]認(rèn)為液力自動閥、注氣微排閥、水擊瀉放閥與水擊預(yù)防閥的水錘防護(hù)方案能有效消除管道系統(tǒng)負(fù)壓水錘，且能把管道系統(tǒng)水錘壓力控制在安全范圍。張玲[50]通過在管線上布置空氣閥、三級緩排空氣閥、集氣罐、超壓泄壓閥(安全閥)及管道末端調(diào)流消能閥關(guān)閉時(shí)間的控制，可有效地保證管道運(yùn)行安全。

4 閥門啟閉對水錘的影響

重力流輸水流態(tài)是氣液兩相并存的，在長距離的輸水管道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分重視壓力調(diào)節(jié)和水錘控制的問題。閥門作為流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，廣泛應(yīng)用于有壓管道輸水系統(tǒng)中，并且選擇合理的閥門類型可以有效減小水錘的產(chǎn)生幾率[51]，虞之日等[52]認(rèn)為末端閥采用活塞閥可取得較好效果。但閥門在啟閉過程中會引起流場結(jié)構(gòu)的變化以及復(fù)雜渦系的產(chǎn)生，產(chǎn)生水力瞬變，如果閥門動作不當(dāng)，管網(wǎng)中流量劇烈變化，從而引起壓強(qiáng)急劇升高和降低的交替變化，加劇流動損失并對管道產(chǎn)生劇烈的沖擊與振動，可能給整個(gè)輸水系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來威脅[53,54]。合理的改變閥門開度，可以實(shí)現(xiàn)管道中流量調(diào)節(jié)以及壓力改變的目的[55]。董茹等[56]認(rèn)為單獨(dú)關(guān)閉管線末端閥門時(shí)，閥門關(guān)閉過快會產(chǎn)生較大的水錘升壓和降壓；同時(shí)關(guān)閉末端閥門較單獨(dú)關(guān)閉管線閥門時(shí)的水錘升壓和降壓均較大；當(dāng)閥門同時(shí)關(guān)閉且較快時(shí)，閥下游會引發(fā)彌合水錘，其壓力比閥門上游正水錘大得多，具有更強(qiáng)破壞力。因此，末端閥門的關(guān)閉方式和關(guān)閉時(shí)間對管道水錘升壓變化的影響很明顯。供水管道距離長，摩阻損失大，且管道存在多處局部凸起，最優(yōu)關(guān)閥規(guī)律在瞬變過程中能夠起到很好的削峰降壓作用。進(jìn)行水錘最優(yōu)閥調(diào)節(jié)時(shí)，以米塞斯應(yīng)力為優(yōu)化控制對象，可以使管道最大應(yīng)力控制在一定范圍內(nèi)，同時(shí)也有較好的抑振效果[57]。封金磊[58]對減小關(guān)閥水錘的蝶閥調(diào)節(jié)措施進(jìn)行了優(yōu)化，對兩階段關(guān)閥、三階段關(guān)閥作了對比分析，并對雙閥調(diào)節(jié)的中間閥門位置和關(guān)閉時(shí)間做了研究。

4.1 關(guān)閥方式

管道內(nèi)水錘壓力的大小不僅取決于管道內(nèi)介質(zhì)的流速，而且還與閥門的關(guān)閉特性有關(guān)[59]。國內(nèi)外很多學(xué)者對重力流的關(guān)閥規(guī)律及其引起的壓力變化進(jìn)行了研究。Cabelka[60]提出不同的閥門關(guān)閉方式會對水錘作用產(chǎn)生不同的影響；Srinivasa[61]提出了分段關(guān)閉閥門的方式；Ruuse[62]于1966年在世界上首次確定閥門的最優(yōu)關(guān)閉規(guī)律，它可將管道最大壓力控制在規(guī)定范圍內(nèi)，之后Wylie[28]建立了簡單和復(fù)雜管道系統(tǒng)的閥調(diào)節(jié)方法。于靜潔等[63]通過不同方法研究確定了供水管網(wǎng)在事故時(shí)的閥門關(guān)閉方案。黃源等[53]通過粒子群算法優(yōu)化多階段線性關(guān)閥曲線，認(rèn)為蝶閥可在前20%的時(shí)間內(nèi)快速關(guān)閥至開合度80%左右，然后緩慢至完全關(guān)閉。葉青旺等[64]認(rèn)為日常啟閉閥門時(shí)關(guān)閥要遵循“前快后慢”的原則，開閥要遵循“前慢后快”原則。孫巍等[13]認(rèn)為在管線停水檢修時(shí)，針對檢修閥門可采用250s內(nèi)兩階段關(guān)閥方式，前100 s內(nèi)相對快速的關(guān)閉80%；后150 s內(nèi)緩慢至完全關(guān)閉。鄂加強(qiáng)等[65]通過對新型旋球閥建立了動力學(xué)模型，求解分析認(rèn)為在水流為5 m/s的情況下，閥門在軸上的扭矩不得大于5500 N·m，關(guān)閉時(shí)應(yīng)小于4650 N·m，否則易引起水錘現(xiàn)象。周晉軍等[66]對山地灌溉管道在流量相等的情況下PVC球閥快速關(guān)閉時(shí)上下游凸起部位不同坡段的水錘壓力值、水錘壓力最大值的變化進(jìn)行了研究。得出當(dāng)球閥關(guān)閉時(shí)間相同時(shí)，凸起部位上游球閥關(guān)閉時(shí)的水錘壓力最大值以及水錘壓力遞減速率均大于下游球閥關(guān)閉時(shí)的變化規(guī)律。實(shí)際工程中應(yīng)避免閥門快關(guān)以及同時(shí)關(guān)閉的操作方式，應(yīng)通過試驗(yàn)研究選擇合理的關(guān)閥方式，避免產(chǎn)生過高的水錘壓力。

4.2 關(guān)閥時(shí)間

控制管道末端閥的關(guān)閉時(shí)間，可以穩(wěn)定管路的升壓值，使水錘壓力與關(guān)閥后期壓力波動的峰值相當(dāng)，可以預(yù)防因關(guān)閥太快引起的直接水錘，進(jìn)而消除水錘危害[67]。閥門的啟閉動作越慢、時(shí)間越長，流速的變化梯度就越小，越不易產(chǎn)生水錘，閥門的啟閉動作越快、時(shí)間越短，水的汽化穩(wěn)定時(shí)間越長，流速變化梯度越大，彌合水錘壓力就會越大[68]。張健平等[69]建立了完整的用于分析水力過渡過程的梭式止回閥水錘數(shù)學(xué)模型，通過模型驗(yàn)證了最大水錘壓力發(fā)生在閥門進(jìn)口處、隨著關(guān)閥時(shí)間的延長呈現(xiàn)先快速降低而后緩慢減小的規(guī)律，并得出閥門的關(guān)閉時(shí)間在2～3 s之間最為合適，完全關(guān)閥后逆流量為零。石喜等[70]通過對閥門關(guān)閉方案產(chǎn)生的瞬變流動進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，認(rèn)為管網(wǎng)最大水錘壓力隨關(guān)閥時(shí)間的延長而減小，當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)間一定時(shí)，最大水錘壓力的大小在曲線關(guān)閉規(guī)律下小于直線關(guān)閉，兩階段直線關(guān)閉規(guī)律小于線性關(guān)閉。兩階段關(guān)閥能夠在較短時(shí)間內(nèi)關(guān)閥，通過延長第一階段關(guān)閉時(shí)間可以降低最大水錘壓力波動，同時(shí)能夠保證第二階段慢關(guān)過程的安全進(jìn)行。對于不同工況，需要詳細(xì)的計(jì)算并調(diào)試，以期得到最優(yōu)的閥門啟閉時(shí)間[71]。

5 模擬軟件在水錘防護(hù)上的應(yīng)用

對于在瞬態(tài)工況下運(yùn)行的閥門，其模型建立以及水力性能預(yù)測都不能完全按照通常的穩(wěn)態(tài)理論進(jìn)行，動態(tài)仿真軟件可以更加準(zhǔn)確地模擬閥門開啟過程中的瞬態(tài)特性[72]。湯躍等[55]采用動網(wǎng)格技術(shù)模擬閥門開啟過程中水流的瞬態(tài)變化情況，證明在閥門快速調(diào)節(jié)的過程中，其開度在10%～20%范圍時(shí)，水錘壓力迅速降低，閥門后出現(xiàn)強(qiáng)烈的旋渦，開度小于50%時(shí)，動、靜阻力系數(shù)值有較大的區(qū)別，且隨著閥門開度的降低而增大。開度大于50%時(shí)，則兩者差別較小。同時(shí)通過結(jié)合Flowmaster和Fluent兩款分析軟件，確定了閥門調(diào)節(jié)過程中復(fù)雜的邊界條件。方成躍等[73]通過流體仿真軟件Flowmaster，得出管道水錘波發(fā)生變化時(shí)，波速變化界面會出現(xiàn)壓力波散射現(xiàn)象，且壓力波的變化周期與波速大小成反比。當(dāng)管道中出現(xiàn)局部波速變化時(shí)，對管道水錘的影響與其位置密切相關(guān)。在關(guān)閥引起的水錘現(xiàn)象中，閥門前波速下降可有效改善管路的動態(tài)特性，而在管路前端與中段則效果不明顯，甚至引起管道內(nèi)水錘惡化。薛永飛等[74]采用CFD模擬了閥門的關(guān)閉過程，得出管道壓力波動在閥門關(guān)閉的動態(tài)過程中的變化規(guī)律，同時(shí)得出上游管道壓力增加，流速減小，閥后渦系擴(kuò)散，系統(tǒng)能量耗散等結(jié)論。李樹勛等[75]依據(jù)實(shí)際工況的疏水閥-管道-凝結(jié)水回收裝置模型，采用特征線法，用MATLAB軟件編程進(jìn)行數(shù)值求解，研究表明疏水閥在開啟過程中，水錘壓力會隨著管道末端流量的增加而增大；等百分比流量特性下水錘壓力約為快開流量特性下的50%；疏水閥流量系數(shù)減小，閥開啟時(shí)刻水錘壓力幅值則相應(yīng)減??；并認(rèn)為在管道結(jié)構(gòu)上采用加裝多級節(jié)流件的疏水閥可以很好的減緩水錘危害。劉曉初等[76]利用Bentley Hammer水錘模擬軟件分析認(rèn)為，水錘緩沖罐在太陽能智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)中具有良好的緩解水錘壓力的作用。借助計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件來解決實(shí)際工程中的問題是今后重要的研究趨勢，研發(fā)設(shè)計(jì)切合實(shí)際的新軟件、新程序顯得尤為重要。

6 總結(jié)與展望

自壓管道輸水具有諸多優(yōu)勢，是自流灌區(qū)水資源高效利用的重要輸水方式，在管道輸水過程中尤其要預(yù)防關(guān)閥水錘的發(fā)生，國內(nèi)外學(xué)者也對此做了大量的實(shí)踐研究，得出了重要的水錘防護(hù)經(jīng)驗(yàn)。水錘的產(chǎn)生與管道的管線布置方式、初始流速、水錘波速、管道水力特性、閥門特性以及其啟閉時(shí)間與角度等有著密切的關(guān)系。根據(jù)管道輸水工程的地形、地質(zhì)條件等綜合各項(xiàng)影響要素，利用相關(guān)優(yōu)化方法結(jié)合MATLAB等數(shù)值模擬軟件計(jì)算得出合理的管線布置以及最優(yōu)管徑，并選擇合適糙率滿足耐壓閾值的管材。經(jīng)過縝密的計(jì)算分析，選用經(jīng)濟(jì)安全、管理方便的水錘防護(hù)措施，并且利用ANSYS等仿真模擬軟件進(jìn)行水錘模擬計(jì)算，得出最優(yōu)的關(guān)閥規(guī)律。由于大型管道輸水工程龐大而且復(fù)雜，因此可以進(jìn)行水錘模擬試驗(yàn)的小比例模型有待實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行水錘計(jì)算時(shí)，需要更加精確的推導(dǎo)出閥門以及防護(hù)設(shè)備邊界條件的相關(guān)參數(shù)以及計(jì)算公式，以使編程計(jì)算的結(jié)果更符合實(shí)際工況。根據(jù)復(fù)雜的瞬間流態(tài)問題，具有更佳仿真效果的動態(tài)模擬軟件仍需要進(jìn)一步研究開發(fā)。

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