长距离输水系统气液相流态过渡过程特征及模型

长距离输水工程已成为城市可持续发展的必然趋势，是城市的生命线工程。输水系统在平稳运行时，一般不存在安全隐患，而在水力过渡过程中由于输水管道中压力及流量的改变有可能引起管道振动，严重的甚至会发生管道爆裂。根据对实际工程爆管原因的调查，气体存在是水力过渡过程诱发爆管的主要原因。实际输水管道中是气水两相共同流动的状态，排气不畅及气体在局部位置的聚积使得某些管段气液两相流的流型十分复杂。因此，综上述，对于长距离输水系统气液两相流水力过渡过程的研究对提高输水安全性意义重大。 通过装置实验采用高速拍照的方式对管道中气泡运动速度及气液两相流流型进行研究。在气泡受力分析的基础上提出了气泡运动模型，该模型可以用于预测水平管道内气泡运动的速度。在长距离输水的设计流速和合理的气量范围内，研究不同气水比下的气液两相流流型，得到适用于长距离输水的气液两相流流型判别图。通过实验发现下降管段由于浮力作用，气体很容易聚积形成气囊，为了在工程实际中更好地对下降管段的气液两相流流型进行识别，以弯头下游下降管段不远位置的高频压力信号为基础，对信号进行滤波、特征提取后，结合支持向量机能够很好地预测下降管段中开始出现气囊的状态。实际工程中，相较于管道爆裂管道振动现象更为普遍，又通过对不同位置处不同气液两相流流型下的管道振动进行研究，发现管道中气体越多振动越剧烈。根据不同的液柱分离模型，分别建立了以离散蒸汽空腔模型（DVCM）和离散气体空腔模型（DGCM）为基础的水力过渡过程计算模型，充分考虑暂态过程中的不稳定摩阻以及管材粘弹性等因素，对经典模型做出修正。 通过实验结果发现水平输水管道中当水流速度小于1.2 m/s时，就会出现气泡聚积从而形成小的段塞，这很有可能导致下降管段气囊的形成，因此实际工程中输水流速要尽量大于1.2 m/s。通过气泡运动模型可知，在输水管道的末端应更多的设置排气阀以利于气体排出。下降管段的高频压力信号及振动主频特征可作为判断下降管中流型的主要指标，且在工程实际能够很好地指导排气阀工作。将自由气体存在、暂态不稳定摩阻、管材粘弹性等因素考虑在内水力过渡过程计算模型比传统的计算模型更加精准。 2100433B

气液相流态过渡过程是长距离输水工程运行的重要水力特征。随着经济的发展和人们需水要求的日益增长，为了解决日趋尖锐的水资源供需矛盾、水资源污染及水资源分布不均等问题，越来越多的城市兴建了大型输水工程，把几十公里以外甚至更远的水源引至城市。长距离输水工程是由若干水泵、阀门等设备以及管道组成的输水系统。长距离输水系统运行时，原水中气体的聚集、逸出均能造成供水压力的变化，因此，正确有效的调控系统内的气液两相流是系统安全运行的重要条件。调控的关键因素为把握气液相的流态过渡过程。此项研究包括：以气液两相流机理为基础，研究长距离输水系统气液相流态过渡过程特征；构建气液相流态过渡过程模型，并对其求解确定相关参数；基于气液相流态过渡过程模型的长距离输水系统运行工况模拟。其研究成果可以为解决因某种原因发生的管线爆裂、工况紊乱以及降低能耗、长距离输水工程的安全运行提供合理的依据。

水力过渡过程属工程水力学的一个分支，是一门较为专业的学科。《有压输水系统水力过渡过程》主要介绍水电站、水泵系统等有压管道中的瞬变流，立足于教学及科研成果，系统介绍有压输水系统水力过渡过程的基本概念、基础理论，重点阐述水轮机组、调速器、调压室、调压阀及水泵系统等边界条件方程，以及相应的数学求解方法，并探讨水力过渡过程的控制方法 。

目录

第一章 水力过渡过程概述 1

第一节 基本概念 1

第二节 管道中的水击现象 1

第三节 水力过渡过程研究的历程及现状 3

第四节 研究水力过渡过程的意义和目的 5

第二章 基本方程 7

第一节 基本假定 7

第二节 运动方程 7

第三节 连续方程 9

第四节 水击波速计算 10

第三章 水力过渡过程实用解法 15

第一节 特征线方程 15

第二节 有限差分方法 17

第三节 基本边界方程 20

第四节 工业管路系统典型边界 25

第五节 时间步长和管道分段 29

第六节 带插值的特征线方法 30

第四章 水轮机组过渡过程 33

第一节 概述 33

第二节 水轮机组特性 33

第三节 水轮机组过渡过程类别及历程 37

第四节 水轮机特性曲线的处理 42

第五节 水轮机组边界方程及解法 47

第六节 调节 保证计算及控制措施 51

第七节 蜗壳和尾水管当量管 55

第八节 水斗式机组过渡过程 58

第九节 调速器方程 61

第五章 调压室水力过渡过程 65

第一节 调压室的作用和要求 65

第二节 调压室类型及设置条件 65

第三节 调压室水位波动计算 72

第四节 调压室稳定性 76

第五节 调压室数值计算 81

第六章 水电站调压阀 87

第一节 调压阀的作用 87

第二节 调压阀水力计算 88

第三节 调压阀流量特性 90

第七章 水泵系统水力过渡过程 91

第一节 水泵运行特征 91

第二节 水泵量纲全特性曲线 95

第三节 水泵事故停运边界方程 102

第四节 水泵启动边界方程 109

第五节 水柱分离及弥合计算方法 110

第六节 水泵系统水锤防护措施 112

参考文献 122 2100433B

喷灌是发展节水农业的有效途径，气液两相射流喷头为国内原创的新型喷灌装备，现有喷头喷洒模型缺乏多因素影响下的水滴运动及分布描述而显得科学依据不足，不能真实反映气液两相流情况下的水流运动规律。本项目以气液两相射流喷头外流场水力特性为研究对象，拟对水流空间破碎机理及模型进行深入系统的研究。具体内容包括：研究喷头出口含气率、工作压力、雷诺数及风速对水滴运动的影响；对喷洒水流外部流场进行数值模拟，揭示水滴运动特性参数的变化规律；对喷洒水流中的水滴形成、水滴运动及分布参数进行测量及定量表达，建立气液两相射流喷头水滴运动及分布模型；提出气液两相射流喷头水流空间破碎机理，构建相应的水量分布三维空间结构模型。预期研究结果对气液两相射流喷头的结构优化及灌水效率等参数的预测具有重要学术价值和实际意义。