张峰水库输水二干管线工程重力流水力过渡过程的数值模拟思维导图

水锤基本特性方程包括运动方程和连续性方程1

(1)运动方程:

式中:v、H:分别为产生水锤时管中的流速和测压管水头;

f、D、g:分别为管道摩阻系数、管径、重力加速度;

x、t:分别为水锤波传播的距离、时间。

(2)连续性方程:

根据流量和流速的关系Q=AV,用V=Q/A代替方程式(1)和(2)中的V值,经推导得水锤基本方程的另一种形式:

从公式(5)、(6)、(7)的对比中可以看出,如果令C2=dx/dt,则式(5)中前一括号内可写成dQ/dt,如令1/=dx/dt,则后一括号内的值可写成dx/dt,即令:

AP和BP直线,并交于P点。

如果把式(10)写成下列形式:dx=±C•dt

则dx是表示在dt时段内水锤波面以波速C沿管路移动的距离,例如,在t0时,管路A处生产或传出一正水锤波+C,在t0+t时移动了x距离而到达P点(即对应+1/C线上的P点),如下图所示:

同理在管路B点生产或传出一反向水锤波-C,在t0+t时也到达P点。所以我们把这种斜率为±1/C的直线分别称之为正水锤特征线和负水锤特征线,它们实质上反映了水锤波的传播过程,把+1/C值分别带入公式(9)和(10)中。

本段重力流采用玻璃钢管,管径DN800 mm,计算可得水锤波波速c=929.49 m/s。

张峰水库位于山西省晋城市沁水县郑庄镇张峰村沁河干流上,距晋城市城区90 km,水库总库容3.94亿m3,是以城市生活和工业供水、农村人畜饮水为主,兼顾防洪、发电等综合利用的大(2)型水库枢纽工程。

(1)工程规模:二干起点为总干末端调蓄水池,输水线路全长18.28 km(总干末端蓄水池至二干末端蓄水池),向南供巴公地区工业用水,设计流量1.11 m3/s,管道及其建筑物的级别为3级,采用20年一遇洪水设计、50年一遇洪水校核。

(2)重力流工程组成;二干起点为总干末端调蓄水池,向正南方向在唐庄西约1 km处穿S331公路,经北陈、窑则头(在桩号R4+249穿铁路,在桩号R6+777处穿过许河)在桩号R9+350到达界牌岭,然后向南(在桩号R10+216.69穿S227公路,在桩号R10+567.22穿铁路)经莒山煤矿、双王庄、南庄、东、西板桥村至渠头村西南侧的二干末端蓄水池。输水线路全长约18.1km(总干末端蓄水池至二干末端蓄水池),向南供巴公地区工业用水,设计流量1.11 m3/s。重力流系统布置图见图2,供水管道采用玻璃钢管,管径DN800 mm,糙率率选用0.009。供水管道水锤计算的基本资料见表1。

总干末端调蓄水池水位(920.5 m)～二干末端蓄水池水位771.0 m,其中的管道长度18.1km,管道采用DN800 mm玻璃钢管,该区段静水头为149.5 m,设计流量Q=1.11 m3/s。

重力流最终的削能减压措施为网孔套筒式减压阀。

计算流量为设计流量Q=1.11 m3/s,摩阻系数分别取f=0.0089、f=0.0090、f=0.0095计算。本课题研究的主要水力过渡过程的数值模拟即:阀前输水管道压力控制在1.3倍的工作压力以下,确定套筒阀阀的关闭规律;模拟计算分析压力管线的压力分布情况。

本研究在设计流量工况、不同摩阻系数、调流调压阀不同关阀规律(时间)条件下,根据重力流供水工程水锤计算的有关技术要求,模拟计算整个供水系统的水锤压力。在本工程重力流的相关技术资料已经提出的基础上,通过模拟计算提供重力流最大水锤压力分布状况,提供最大水锤压力的包络线及对应的时间过程,校核该供水工程的设计方案的合理性。

管材为玻璃钢管,管径DN=800 mm,水击波速c0=929.49m3/s,设计流量Q设=1.11 m3/s,分20段计算。静水头H0=149.5 m,计算中取摩阻系数f=0.0089、f=0.0090和f=0.0095,分别在调流调压阀不同关阀规律(时间)和不同摩阻系数下计算关阀时间分别为200 s、350 s、400 s时的关阀水锤压力特征值。

为避免阀门使用中出现震动和超常的噪声,阀门的最小进口水头与阀门最大出口水头之差控制在规范运行的条件下,在供水系统稳态运行研究的基础上,以关阀指数不同进行模拟计算的工况优化,通过模拟计算提供重力流最大水锤压力分布状况,提供最大水锤压力的包络线及对应的时间过程,校核该供水工程的设计方案的合理性,计算结果见表2。

鉴于以上计算结果,现列出设计流量Q设=1.11 m3/s,摩阻为0.0 095、关阀指数为1、关阀时间为400时的个参数关系图:

在上图和上表中,y表示调节阀开度相对值,当y=0.0时,表示阀门全关;当y=1.0,表示阀门全开。表示阀门局部阻力系数。

(1)从调流调压阀防护下的水锤模拟计算的压力管路最大压力的分布结果可以看出,该阀作为压力管路的主要安全防护手段,效果较好.但该阀门在供水工程的运行中,要经过调节阀门的合理现场调试,才能真正实现水锤的消除。

(2)模拟计算结果(见前面的分析)提出了调流调压阀防护下对于该系统压力管路安全防护的最优关闭行程;供水工程利用调流调压阀防护下作为压力管路的主要安全防护手段,满足系统的水力过渡过程情况下的特殊安全要求。

(3)压力管路最大及最小水锤压力包络情况的分析,为压力管路的合理设计提供了技术支持。

(4)需要说明的是:本研究计算结果是数值模拟的,所采用的数据全部以山西省水利水电勘测设计研究院提出的数据为计算的基准。而且在压力管路的3个区段内,设计中已经考虑了数量不同的进排气阀,因此本研究的结论是偏于安全的。随着供水工程工程建设完成后,调流调压阀水力特性的确定,该系统的水锤压力分布可进一步优化。事故水锤下的过渡过程,很大程度上取决于调流调压阀的水力特性,因此调流调压阀的选择必须从制造工艺、制作质量、运行的灵活性等方面严格要求。

(5)重力流水锤的分析计算中,水柱分离及其再弥合的计算由于涉及到两相流的问题,其物理模型与数学模型的建立都有一定的近似性,因而其计算的准确可靠性比单相流的情况稍差。有关理论研究的实验研究表明:当系统中有明显的凸部时,有可能在局部位置产生明显的水柱分离,本研究系统中调流调压阀防护下的水力过渡工程模拟结果表明:没有水柱分离的现象发生,说明调流调压阀防护下进行系统安全防护的方案选择是合理的。

(6)重力流水锤的分析计算说明,山西省水利设计院提出的该供水系统的布置是基本合理的,建议采用调流调压阀进行供水系统的水锤防护措施是可行的。