關(guān)閥規(guī)律對重力輸水管道水錘特性的影響研究

4結(jié)論

基于Flowmaster軟件計算了水庫-管道-閥門-水庫水力系統(tǒng)中關(guān)閥誘導(dǎo)的瞬變流動，分析了不同的關(guān)閥規(guī)律對管道水錘的影響規(guī)律，指出了對于管道防護(hù)的最佳關(guān)閥策略，并得到了以下主要的結(jié)論：在線性關(guān)閥方案中，隨著關(guān)閥時間的增加，水錘的最大壓力逐漸減小。在水力瞬變過程中，由于摩擦阻力的存在，水錘壓力逐漸降低。不同關(guān)閥時長下水錘壓力的衰減過程基本類似。

1兩階段折線關(guān)閥方案均能夠有效減小最大水錘壓力。相比線性關(guān)閥方案，方案a ??b?c 和d分別將最大水錘壓力減小了 6.13%6.86%.5.17% 和 3.92% 。同樣地，三階段關(guān)閥規(guī)律也可以降低最大水錘壓力，相比線性關(guān)閥，方案 e，f，g 和 h 分別將最大水錘壓力降低了 5.92%.4.22%.4.65% 和 2.72% 。

2）綜合來看，兩階段關(guān)閥規(guī)律對于水錘的防護(hù)效果最好，因此在水力管道系統(tǒng)操作中，應(yīng)該按照兩階段關(guān)閥來進(jìn)行操作，進(jìn)而避免關(guān)閥水錘造成的爆管事故。

分析[J].水利水電科技進(jìn)展，2020，40（2）：69-75.

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參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號：TU990 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0041-05

Abstract：Waterhammeriswidelypresentinwatertransmisionpipelinesystems.Inseverecases，pipeburstaccidentscan occur，whichharmsthesafeandstableoperationof water transmissionpipelinesystems.Basedonthis，thispaperuses Flowmastersoftwaretocalculatethetransientflowinducedbyvalveclosinginthereserve-pipeline-valve-reservoirhydraulic system，andanalyzestheinfluenceofdiferentvalveclosinglawsonpipelinewaterhammer.Researchshowsthatinthelinear valveclosingscheme，themaximumpressureofwater hammergraduallydecreaseswiththeincreaseofvalveclosing time.The two-stagebroken linevalveclosingschemecanefectivelyreducethemaximumwaterhammerpresure.Comparedwith the linearvalveclosing scheme，thediferenttwo-stagevalveclosingschemereduces the maximum water hammerpressure by 6.13% ， 6.86% ， 5.17% and 3.92% .Similarly，the three-stage valve closingrule can also reduce the maximum water hammer presure.Comparedwith linearvalveclosing，diferentthree-stagevalveclosingschemesreducethemaximumwater hammer pressure by 5.92% ， 4.22% ， 4.65% and 2.72% ，respectively. Overall，the two-stage valve closing rule has the best effect on protectingwater hammer.Therefore，intheoperationofhydraulicpipelinesystems，thetwo-stagevalveclosingshouldbefollwed to avoid pipe burst accidents caused by valve closing water hammer.

Keywords：water hammer;water pipeline；hydraulic transients；valve closing;water hammer pressure

在輸水工程中，閥門的開關(guān)和泵的啟停等會使管道內(nèi)的流體速度急劇變化，進(jìn)而產(chǎn)生了水錘現(xiàn)象[1-2]。水錘壓力可以達(dá)到正常工作壓力的幾十倍甚至數(shù)百倍，嚴(yán)重地威脅著管道的安全正常運行[3]。因此對于管道系統(tǒng)過渡過程的研究對于保證管道安全非常重要[4]。

FluidDynamics，計算流體動力學(xué)）方法對關(guān)閥水錘進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)閥門快速關(guān)閉后，管道中最大壓力隨著管道流量的增加而線性遞增。李建宇等以重力流輸水工程為研究對象研究了管道末端關(guān)閥水錘現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣閥、排氣閥搭配調(diào)壓塔能有效消除負(fù)壓及斷流彌合水錘引起的壓力。王政平等研究了不同關(guān)閥方案對水錘控制效果的優(yōu)劣，滿足壓力控制標(biāo)準(zhǔn)時，關(guān)閥效率從低到高依次是線性關(guān)閥、兩段折線關(guān)閥和三

目前國內(nèi)外許多學(xué)者針對管道系統(tǒng)的過渡過程展開了研究。陳俊等采用試驗和CFD（Computational段折線關(guān)閥。楊雯等8利用Hammer軟件對長距離多支線的重力輸水管道的關(guān)閥水錘現(xiàn)象進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)閥門同時關(guān)閉時管線產(chǎn)生的壓力最大，且應(yīng)安裝具有進(jìn)/排氣功能的空氣閥用來防止管道中產(chǎn)生水柱分離。黃毅等基于Hammer軟件研究了關(guān)閥方式對長距離輸水工程水錘防護(hù)的影響，發(fā)現(xiàn)快速關(guān)閥會出現(xiàn)負(fù)壓且產(chǎn)生了較大的空腔區(qū)，兩階段關(guān)閥對水錘防護(hù)效果最好。梁興等[研究了高揚程、長爬坡輸水系統(tǒng)中停泵水錘的防護(hù)問題，發(fā)現(xiàn)泵后布置空氣罐能有效提高爬坡段最小水錘的壓力。王勇等采用三維CFD方法研究了不同流動條件下管路系統(tǒng)內(nèi)的水力過渡過程，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)初始流速小不會產(chǎn)生水柱分離，先快后慢的關(guān)閥方式水錘壓力最小。占桂泉等2基于儒科夫斯基公式研究泵后閥門關(guān)閉規(guī)律對管線壓力的影響，發(fā)現(xiàn)高揚程輸水泵站閥門關(guān)閉具有最佳的關(guān)閉時間，并且對該值進(jìn)行了數(shù)值驗證。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在輸水管道水錘防護(hù)方面做出了大量的研究并取得了顯著的成果，對于輸水系統(tǒng)的安全運行有重要指導(dǎo)意義，但目前就輸水管道的防護(hù)中關(guān)于關(guān)閥規(guī)律的研究雖然也有學(xué)者進(jìn)行研究，但還是不夠充分?；诖?，本文以輸水管道系統(tǒng)為研究對象，研究了關(guān)閥規(guī)律對管道水錘的影響，研究結(jié)果為輸水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供參考。

1水力過渡過程的數(shù)學(xué)模型

管道非恒定流動的運動方程和連續(xù)性方程如下[3]

式中： x 為沿管路軸向位置坐標(biāo)； Φ_t 為時間； H 為管路中的水頭； V 為管內(nèi)流體的流速； g 為重力加速度 為管路摩阻系數(shù)； D 為管道的直徑； α 為管路與水平面間夾角； a 為波傳播速度。

由于波速 Ψ_a 遠(yuǎn)大于流體流速 V ，因此忽略瞬變流方程中的 V 和 H 的對流項，采用特征線法將偏微分方程（1）變換為常微分方程，得到特征線方程如下

2 研究對象與方法

基于Flowmaster軟件，對水庫-管道-閥門-水庫系統(tǒng)中的關(guān)閥誘導(dǎo)的水力瞬變過程進(jìn)行計算，如圖1所示，其中管道為鋼管，管徑為 1m ，上游水庫水位為150m ，下游水庫水位為 50m ，管道長度為 20km 。鋼管的摩阻系數(shù)為0.03，水錘波波速為 1000m/s 。正常運行時候管道水流速度為 2.39m/s ，采用電動蝶閥對水力過程進(jìn)行調(diào)控，且蝶閥的關(guān)閉規(guī)律要合理控制，太快會產(chǎn)生較大的水錘壓力，太慢則不滿足運行時快速隔斷水流的要求。本次采用的關(guān)閥規(guī)律有3種，即一段線性、兩段折線和三段折線。

3 結(jié)果分析

3.1 線性關(guān)閥方案

在線性關(guān)閥方案中，關(guān)閥時間分別是20、40和60s 。圖2、圖3和圖4分別是不同關(guān)閥時間下閥后壓力水頭隨時間變化曲線。由圖2一圖4可知，隨著關(guān)閥時間的增加，水錘的最大壓力逐漸減小，即由 374.25m 逐漸降低到 351.51m 。在水力瞬變過程中，由于摩擦阻力的存在，水錘壓力逐漸降低。不同關(guān)閥時長下，衰減規(guī)律基本類似，不同之處就是隨著關(guān)閥時間的增加，第一個壓力峰值的時間也逐漸增加。

3.2 兩段折線關(guān)閥方案

在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)該通過合理的關(guān)閥規(guī)律來降低水錘的壓力，進(jìn)而對輸水管道進(jìn)行防護(hù)。兩階段關(guān)閥是在線性關(guān)閥的基礎(chǔ)上，將關(guān)閥過程分為快關(guān)和慢關(guān)過程。為了進(jìn)一步探討兩階段關(guān)閥規(guī)律對輸水管道水錘的影響，基于 40s 的關(guān)閥時長制定了以下的關(guān)閥規(guī)律，見表1。

圖5是不同關(guān)閥方案下閥前壓力水頭隨時間的變化規(guī)律。由圖5可知，不同關(guān)閥方案下水錘的最大壓力各不相同， a，b，c 和d四種方案下最大的水錘壓力分別是 340.00，337.35，343.46 和 347.99m 。線性關(guān)閥中最大水錘壓力為 362.19m 。由此可知，兩階段折線關(guān)閥方案均能夠有效減小最大水錘壓力。相比線性關(guān)閥方案，方案a ??b?c 和d分別將最大水錘壓力減小了 6.13%.6.86%.5.17% 和 3.92% 。在方案a和b中，特別是在方案a中壓力的最值出現(xiàn)了明顯的突變，壓力的衰減規(guī)律也明顯與方案 ?_c 和d不同，而方案b中雖然也有壓力最值的突變，但是相比方案a來說并不明顯。這說明水力管道瞬變流中，閥門關(guān)閉規(guī)律不僅影響水錘的最值，而且對于壓力衰減的波形也有影響，且在實際工程中的關(guān)閥規(guī)律選擇中，應(yīng)更多地考慮兩階段的關(guān)閥方案，避免使用線性關(guān)閥規(guī)律造成的水錘壓力過大而導(dǎo)致的爆管事故出現(xiàn)。

3.3三段折線關(guān)閥方案

與兩階段關(guān)閥規(guī)律類似，現(xiàn)在定義了三階段的關(guān)閥方案，見表2，其中關(guān)閥規(guī)律為三段折線關(guān)閥。

由此可見三階段關(guān)閥規(guī)律也能有效降低水錘壓力。

圖6為三階段關(guān)閥規(guī)律下閥后壓力水頭變化規(guī)律。由圖6可知，三階段方案 e，f，g 和 h 下最大的水錘壓力分別為340.75、346.91、345.36和 352.33m 。同樣地，線性關(guān)閥中最大水錘壓力為 362.19m 。由此可見，與兩階段關(guān)閥規(guī)律類似，三階段關(guān)閥規(guī)律也可以降低最大水錘壓力，相比線性關(guān)閥，方案 e，f，g 和 h 分別將最大水錘壓力降低了 5.92%.4.22%.4.65% 和 2.72% 。

4結(jié)論

基于Flowmaster軟件計算了水庫-管道-閥門-水庫水力系統(tǒng)中關(guān)閥誘導(dǎo)的瞬變流動，分析了不同的關(guān)閥規(guī)律對管道水錘的影響規(guī)律，指出了對于管道防護(hù)的最佳關(guān)閥策略，并得到了以下主要的結(jié)論：在線性關(guān)閥方案中，隨著關(guān)閥時間的增加，水錘的最大壓力逐漸減小。在水力瞬變過程中，由于摩擦阻力的存在，水錘壓力逐漸降低。不同關(guān)閥時長下水錘壓力的衰減過程基本類似。

1兩階段折線關(guān)閥方案均能夠有效減小最大水錘壓力。相比線性關(guān)閥方案，方案a ??b?c 和d分別將最大水錘壓力減小了 6.13%6.86%.5.17% 和 3.92% 。同樣地，三階段關(guān)閥規(guī)律也可以降低最大水錘壓力，相比線性關(guān)閥，方案 e，f，g 和 h 分別將最大水錘壓力降低了 5.92%.4.22%.4.65% 和 2.72% 。

2）綜合來看，兩階段關(guān)閥規(guī)律對于水錘的防護(hù)效果最好，因此在水力管道系統(tǒng)操作中，應(yīng)該按照兩階段關(guān)閥來進(jìn)行操作，進(jìn)而避免關(guān)閥水錘造成的爆管事故。

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