張峰水庫輸水二干管線工程重力流水力過渡過程的數(shù)值模擬

   摘 要:在供水工程中,當(dāng)突然啟動、停止或?yàn)檎{(diào)節(jié)流量而起用閥門時所產(chǎn)生的水錘壓力往往較大,破壞性強(qiáng),常造成意外損失。因此,對關(guān)閥水錘進(jìn)行正確的計算分析,做出必要的防護(hù)措施尤為重要。本文以張峰水庫輸水二干管線工程為工程背景,進(jìn)行重力流的水力過渡過程數(shù)值模擬,并對計算結(jié)果做出分析。

　　關(guān)鍵詞:重力流;關(guān)閥水錘;調(diào)流調(diào)壓閥

 

　　

 

　　由于壓力管路中流速的突然變化,引起管中水流壓力急劇上升或降低的現(xiàn)象稱為水錘或水擊。水流是具有慣性的,在供水工程中,當(dāng)突然啟動、停止或?yàn)檎{(diào)節(jié)流量而起用閥門,都將使水流速度發(fā)生變化而產(chǎn)生慣性力,慣性力的大小等于水流質(zhì)量m與加速度的乘積,方向與加速度方向相反。在出水管路中,這個慣性力就表現(xiàn)為水錘壓力。突然啟動、停止或?yàn)檎{(diào)節(jié)流量而起用閥門所產(chǎn)生的水錘壓力往往較大,一般可達(dá)正常壓力的1.5～4倍或更大,破壞性強(qiáng),常造成意外損失。所以對關(guān)閥水錘必須進(jìn)行認(rèn)真分析,并做出較精確的計算,以便采取必要的防護(hù)措施。

 

　　重力流水錘是在突然停電或者在閥門關(guān)閉太快時,由于壓力水流的慣性,產(chǎn)生水流沖擊波,就像錘子敲打一樣,所以叫水錘。水流沖擊波來回震蕩產(chǎn)生的力,有時會很大,從而破壞閥門。當(dāng)打開的閥門突然關(guān)閉,水流對閥門及管壁,主要是閥門會產(chǎn)生一個壓力,由于管壁光滑,后續(xù)水流在慣性的作用下,壓力迅速達(dá)到最大,并產(chǎn)生破壞作用,這就是水力學(xué)當(dāng)中的“水錘效應(yīng)”,也就是正水錘。在長距離供水工程中必須考慮這一因素。相反,關(guān)閉的閥門在突然打開后,也會產(chǎn)生水錘,叫負(fù)水錘,也有一定的破壞力,但沒有前者大。水錘效應(yīng)具有很強(qiáng)的破壞作用,可導(dǎo)致管子的破裂或瘡陷、損壞閥門和緊固件,為了消除水錘效應(yīng)的嚴(yán)重后果,在管路中需要設(shè)置一系列緩沖措施和設(shè)備。

 

　　通過計算機(jī)數(shù)值計算方法來模擬各種工況條件下輸水管路系統(tǒng)的水錘狀況,包括壓力、流量等,進(jìn)而分析超常水錘壓力可能出現(xiàn)的情況,校核閥門和壓力管路的承受壓力,針對計算分析結(jié)果采用必要的水錘防護(hù)措施,尋求閥門的最優(yōu)關(guān)閉規(guī)律,來確保整個供水工程的安全運(yùn)行,為供水工程的安全運(yùn)行和供水工程的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)依據(jù),因此意義重大。

 

 

　　1.1 水錘基本方程

 

　　水錘基本特性方程包括運(yùn)動方程和連續(xù)性方程1

 

　　(1)運(yùn)動方程:式中:v、H:分別為產(chǎn)生水錘時管中的流速和測壓管水頭;

　　 f、D、g:分別為管道摩阻系數(shù)、管徑、重力加速度;

　　 x、t:分別為水錘波傳播的距離、時間。

　　(2)連續(xù)性方程:

　　1.2 水錘特征線方程及其解法

　　根據(jù)流量和流速的關(guān)系Q=AV,用V=Q/A代替方程式(1)和(2)中的V值,經(jīng)推導(dǎo)得水錘基本方程的另一種形式:

　　從公式(5)、(6)、(7)的對比中可以看出,如果令C2=dx/dt,則式(5)中前一括號內(nèi)可寫成dQ/dt,如令1/=dx/dt,則后一括號內(nèi)的值可寫成dx/dt,即令:

　　AP和BP直線,并交于P點(diǎn)。

　　如果把式(10)寫成下列形式:dx=±C•dt

　　則dx是表示在dt時段內(nèi)水錘波面以波速C沿管路移動的距離,例如,在t0時,管路A處生產(chǎn)或傳出一正水錘波+C,在t0+t時移動了x距離而到達(dá)P點(diǎn)(即對應(yīng)+1/C線上的P點(diǎn)),如下圖所示:

　　同理在管路B點(diǎn)生產(chǎn)或傳出一反向水錘波-C,在t0+t時也到達(dá)P點(diǎn)。所以我們把這種斜率為±1/C的直線分別稱之為正水錘特征線和負(fù)水錘特征線,它們實(shí)質(zhì)上反映了水錘波的傳播過程,把+1/C值分別帶入公式(9)和(10)中。

　　兩組方程式說明:式(11)是(12)成立的條件;而式(13)是式(14)成立的條件,即對正特征線方程式(12)成立,對負(fù)特征線方程式(14)成立。由此可見,特征線即反映了水錘波面沿管路傳播過程,也確定了管路中流量和水頭的關(guān)系。1.3 重力流水錘波速的計算

　　本段重力流采用玻璃鋼管,管徑DN800 mm,計算可得水錘波波速c=929.49 m/s。

 

　　2.1 張峰水庫二干管線計算主要技術(shù)資料

　　2.1.1 張峰水庫輸水工程簡介

　　張峰水庫位于山西省晉城市沁水縣鄭莊鎮(zhèn)張峰村沁河干流上,距晉城市城區(qū)90 km,水庫總庫容3.94億m3,是以城市生活和工業(yè)供水、農(nóng)村人畜飲水為主,兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用的大(2)型水庫樞紐工程。

　　2.1.2 二干重力流段供水工程簡介

　　(1)工程規(guī)模:二干起點(diǎn)為總干末端調(diào)蓄水池,輸水線路全長18.28 km(總干末端蓄水池至二干末端蓄水池),向南供巴公地區(qū)工業(yè)用水,設(shè)計流量1.11 m3/s,管道及其建筑物的級別為3級,采用20年一遇洪水設(shè)計、50年一遇洪水校核。

　　(2)重力流工程組成;二干起點(diǎn)為總干末端調(diào)蓄水池,向正南方向在唐莊西約1 km處穿S331公路,經(jīng)北陳、窯則頭(在樁號R4+249穿鐵路,在樁號R6+777處穿過許河)在樁號R9+350到達(dá)界牌嶺,然后向南(在樁號R10+216.69穿S227公路,在樁號R10+567.22穿鐵路)經(jīng)莒山煤礦、雙王莊、南莊、東、西板橋村至渠頭村西南側(cè)的二干末端蓄水池。輸水線路全長約18.1km(總干末端蓄水池至二干末端蓄水池),向南供巴公地區(qū)工業(yè)用水,設(shè)計流量1.11 m3/s。重力流系統(tǒng)布置圖見圖2,供水管道采用玻璃鋼管,管徑DN800 mm,糙率率選用0.009。供水管道水錘計算的基本資料見表1。

　　總干末端調(diào)蓄水池水位(920.5 m)～二干末端蓄水池水位771.0 m,其中的管道長度18.1km,管道采用DN800 mm玻璃鋼管,該區(qū)段靜水頭為149.5 m,設(shè)計流量Q=1.11 m3/s。

　　重力流最終的削能減壓措施為網(wǎng)孔套筒式減壓閥。

　　2.1.3 本研究的主要內(nèi)容及工況

　　計算流量為設(shè)計流量Q=1.11 m3/s,摩阻系數(shù)分別取f=0.0089、f=0.0090、f=0.0095計算。本課題研究的主要水力過渡過程的數(shù)值模擬即:閥前輸水管道壓力控制在1.3倍的工作壓力以下,確定套筒閥閥的關(guān)閉規(guī)律;模擬計算分析壓力管線的壓力分布情況。

　　2.2 張峰水庫二干管線重力流水錘計算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果分析

　　本研究在設(shè)計流量工況、不同摩阻系數(shù)、調(diào)流調(diào)壓閥不同關(guān)閥規(guī)律(時間)條件下,根據(jù)重力流供水工程水錘計算的有關(guān)技術(shù)要求,模擬計算整個供水系統(tǒng)的水錘壓力。在本工程重力流的相關(guān)技術(shù)資料已經(jīng)提出的基礎(chǔ)上,通過模擬計算提供重力流最大水錘壓力分布狀況,提供最大水錘壓力的包絡(luò)線及對應(yīng)的時間過程,校核該供水工程的設(shè)計方案的合理性。

　2.2.1 模擬計算的工況優(yōu)化和計算結(jié)果分析

　　管材為玻璃鋼管,管徑DN=800 mm,水擊波速c0=929.49m3/s,設(shè)計流量Q設(shè)=1.11 m3/s,分20段計算。靜水頭H0=149.5 m,計算中取摩阻系數(shù)f=0.0089、f=0.0090和f=0.0095,分別在調(diào)流調(diào)壓閥不同關(guān)閥規(guī)律(時間)和不同摩阻系數(shù)下計算關(guān)閥時間分別為200 s、350 s、400 s時的關(guān)閥水錘壓力特征值。

　　為避免閥門使用中出現(xiàn)震動和超常的噪聲,閥門的最小進(jìn)口水頭與閥門最大出口水頭之差控制在規(guī)范運(yùn)行的條件下,在供水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行研究的基礎(chǔ)上,以關(guān)閥指數(shù)不同進(jìn)行模擬計算的工況優(yōu)化,通過模擬計算提供重力流最大水錘壓力分布狀況,提供最大水錘壓力的包絡(luò)線及對應(yīng)的時間過程,校核該供水工程的設(shè)計方案的合理性,計算結(jié)果見表2。

　　鑒于以上計算結(jié)果,現(xiàn)列出設(shè)計流量Q設(shè)=1.11 m3/s,摩阻為0.0 095、關(guān)閥指數(shù)為1、關(guān)閥時間為400時的個參數(shù)關(guān)系圖:

　　分析本段重力流的計算結(jié)果,關(guān)閥指數(shù)為2時,各個摩阻系數(shù)計算下的最大壓力值均超過穩(wěn)態(tài)工況壓力的1.3倍,但均在穩(wěn)態(tài)工況壓力的1.5倍范圍內(nèi)。其他工況下計算的最大壓力均在穩(wěn)態(tài)工況壓力的1.3倍以內(nèi)。計算中關(guān)閥時間小于200 s時,最大壓力均超出穩(wěn)態(tài)工況壓力的1.5倍范圍,因此關(guān)閥時間設(shè)置在350以上。計算關(guān)閥時間超出400 s后,最大壓力值變幅較小,結(jié)果表明關(guān)閥時間在400 s以內(nèi)即可滿足供水系統(tǒng)的運(yùn)行要求,因此建議關(guān)閥指數(shù)取y=1,關(guān)閥時間取350 s~400 s。在滿足供水系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上,通過上述的分析,在大量的計算方案比較研究的基礎(chǔ)上,建議調(diào)流調(diào)壓閥閥門開度與流阻系數(shù)滿足下列要求,調(diào)節(jié)閥特性曲線圖見圖6,建議調(diào)節(jié)閥特性數(shù)據(jù)表見表3。在上圖和上表中,y表示調(diào)節(jié)閥開度相對值,當(dāng)y=0.0時,表示閥門全關(guān);當(dāng)y=1.0,表示閥門全開。表示閥門局部阻力系數(shù)。

　　2.2.2 模擬計算結(jié)果分析

　　(1)從調(diào)流調(diào)壓閥防護(hù)下的水錘模擬計算的壓力管路最大壓力的分布結(jié)果可以看出,該閥作為壓力管路的主要安全防護(hù)手段,效果較好.但該閥門在供水工程的運(yùn)行中,要經(jīng)過調(diào)節(jié)閥門的合理現(xiàn)場調(diào)試,才能真正實(shí)現(xiàn)水錘的消除。

　　(2)模擬計算結(jié)果(見前面的分析)提出了調(diào)流調(diào)壓閥防護(hù)下對于該系統(tǒng)壓力管路安全防護(hù)的最優(yōu)關(guān)閉行程;供水工程利用調(diào)流調(diào)壓閥防護(hù)下作為壓力管路的主要安全防護(hù)手段,滿足系統(tǒng)的水力過渡過程情況下的特殊安全要求。

　　(3)壓力管路最大及最小水錘壓力包絡(luò)情況的分析,為壓力管路的合理設(shè)計提供了技術(shù)支持。

　　(4)需要說明的是:本研究計算結(jié)果是數(shù)值模擬的,所采用的數(shù)據(jù)全部以山西省水利水電勘測設(shè)計研究院提出的數(shù)據(jù)為計算的基準(zhǔn)。而且在壓力管路的3個區(qū)段內(nèi),設(shè)計中已經(jīng)考慮了數(shù)量不同的進(jìn)排氣閥,因此本研究的結(jié)論是偏于安全的。隨著供水工程工程建設(shè)完成后,調(diào)流調(diào)壓閥水力特性的確定,該系統(tǒng)的水錘壓力分布可進(jìn)一步優(yōu)化。事故水錘下的過渡過程,很大程度上取決于調(diào)流調(diào)壓閥的水力特性,因此調(diào)流調(diào)壓閥的選擇必須從制造工藝、制作質(zhì)量、運(yùn)行的靈活性等方面嚴(yán)格要求。

　　(5)重力流水錘的分析計算中,水柱分離及其再彌合的計算由于涉及到兩相流的問題,其物理模型與數(shù)學(xué)模型的建立都有一定的近似性,因而其計算的準(zhǔn)確可靠性比單相流的情況稍差。有關(guān)理論研究的實(shí)驗(yàn)研究表明:當(dāng)系統(tǒng)中有明顯的凸部時,有可能在局部位置產(chǎn)生明顯的水柱分離,本研究系統(tǒng)中調(diào)流調(diào)壓閥防護(hù)下的水力過渡工程模擬結(jié)果表明:沒有水柱分離的現(xiàn)象發(fā)生,說明調(diào)流調(diào)壓閥防護(hù)下進(jìn)行系統(tǒng)安全防護(hù)的方案選擇是合理的。

　　(6)重力流水錘的分析計算說明,山西省水利設(shè)計院提出的該供水系統(tǒng)的布置是基本合理的,建議采用調(diào)流調(diào)壓閥進(jìn)行供水系統(tǒng)的水錘防護(hù)措施是可行的。