管道水力瞬变

水电工程中的管道水力瞬变问题，主要有水轮机突甩负荷和水泵事故断电(又称为动力丢失)，调压室系统的涌浪波动，管道系统的水力振荡。

在水力瞬变过程中可发生下述现象：

1. 管道水压急剧上升;

2. 水压急剧下降到蒸汽压力而导致液体汽化和液柱分离，并在液柱重新聚合时产生巨大的冲击压力;

3. 管道水力共振;

4. 水轮机机组转速上升超过允许值，或水泵反向飞逸转速超过允许值。这些现象可导致管壁破裂、水轮机和泵部件损坏，造成灾难性事故，应在设计和运行中尽量避免。

分析水力瞬变问题时，须考虑管道边界条件，如水库、管道分叉、阀门、调压室(包括气垫式)、水泵或水轮机特性(一般由模型转轮试验特性曲线确定)、机组转动惯量(GD2)以及调速器特性等的影响。

由于管道中液体流量变化引起的压力增减现象，即管道非恒定流(unsteady flow in pipe)。习惯上也称为水击、水锤(water hammer)。

引起管道水力瞬变的主要原因是：

1. 阀门发生偶然的或是预定的变化;

2. 泵或水轮机的启动和停止;

3. 水轮机输出功率的变化;

4. 上游水库或水池水位的改变;

5. 水库上的波浪;

6. 水轮机调速器的振荡;

7. 泵或水轮机中叶轮或导叶的振动;

8. 可变形的一些附件(如闸门)的振动;

9. 旋涡引起的引水管或水轮机尾水管的不稳定。

控制水力瞬变的常用方法是：

1. 合理选择控制阀门，包括水轮机导叶和水泵逆止阀的启闭规律;

2. 在水电站管道上设置普通调压室或气垫式调压室;

3. 在泵站管道上设置单向调压室和蓄能器(空气罐);

4. 采用减压阀;

5. 设置空气阀或真空破坏阀防止液体汽化;

6. 增大管径;

7. 增大机组转动惯量等。

这些方法可以单独使用，也可以同时采用几种方法，需通过多种方案的技术经济比较确定。 2100433B

本书在总结国内外研究成果的基础上，从生产实际中所涉及的瞬变流问题出发，结合作者多年的研究成果，着重讲述瞬变流的基本理论及其工程应用。主要内容包括瞬变流基本理论、泵及泵站分析、液柱分离和弥合水击、弥合水击数学模型及数值解法、管网系统分析、瞬变流在堵塞检测中的应用、瞬变流在泄漏检测中的应用、长距离输油管道的水力瞬变分析。

本书可供流体力学、油气储运工程等相关专业的本科、硕士、博士研究生学习使用，也可供从事液体管道瞬变流工作的科研、教学、设计人员参考。

第一章　绪论

第一节　研究的目的及意义

第二节　研究现状和发展动态

第二章　瞬变流基本理论

第一节　瞬变流分析基本方程

第二节　瞬变流方程的数值解法

第三节　边界条件的建立和求解

第三章　泵及泵站分析

第一节　离心泵及其特性

第二节　泵站分析

第三节　泵站的运行控制

第四节　泵站的水力瞬变

第四章　液柱分离和弥合水锤

第一节　气体释放

第二节　液柱分离和断流空腔

第三节　断流空腔与弥合水锤升压的关系

第四节　完全断流型空腔弥合水锤的形成过程分析

第五节　断流空腔弥合水锤的防护措施

第六节　小结

第五章　断流空腔弥合水锤数学模型及数值解法

第一节　断流空腔弥合水锤数学模型

第二节　断流空腔弥合水锤的数值模拟

第三节　断流空腔弥合水锤工程实例分析

第六章　管网系统分析

第一节　管网的稳态流动分析

第二节　管网的瞬态流动分析

第七章　瞬变流在管道堵塞检测中的应用

第一节　基于瞬态压力信号分析的堵塞检测

第二节　基于小波变换的信号分析方法

第三节　基于小波变换的堵塞点识别技术

第四节　应用实例分析

第八章　瞬变流在泄漏检测中的应用

第一节　基于瞬态模型的泄漏检测方法

第二节　基于瞬态负压波的泄漏检测方法

第九章　长距离输油管道水力瞬变分析

第一节　水力瞬变分析软件介绍

第二节　基于SPS的原油管道停输再启动分析

第三节　基于TLNET的原油管道泄漏量分析

参考文献

前言

绪言

第1章水力机械的基本知识及其过渡过程概念

1.1水力机械的工作特点及其相似性

1.2水轮机的单位参数

1.3泵参数之间关系

1.4水力机械的比转速

1.5水力机械的特性曲线

1.6水力机械工作环境及其过渡过程的种类

1.7水利水电工程过渡过程数字仿真的意义

参考文献

第2章管道瞬变流

2.1瞬变流计算用基本方程

2.2管道瞬变流特征线法

2.3传递函数形式的压力管道数字模型

参考文献

第3章复杂管网系统组成及其边界条件

3.1引水系统的组成

3.2基本边界条件

3.3多管系统中的补充边界条件

3.4变特性串联管系的近似方法

参考文献

第4章系统调压元件的瞬变模型

4.1调压室的功用及设置调压室的原则

4.2调压室的水位波动及对调压室的基本要求

4.3调压室的基本布置方式及其类型

4.4调压室动态数学模式

4.5气垫式调压室

4.6进气阀对水锤的防护模型

参考文献

第5章明流、明流管道流的联合计算及明满交替流计算

5.1明渠流基本方程

5.2明渠流特征线显式格式

5.3普赖斯曼有限差分格式

5.4明渠流与管道流联合计算模型

5.5明满交替流动的数值解法

5.6明满流特征隐式格式法矩阵方程自生成系统

5.7明满交替流计算模式的试验验证

5.8工程应用实例及尾水洞洞型优化

参考文献

第6章叶片式水力机械边界模型

……

第7章水力机械的调节方式及导叶和桨叶的运动方程

第8章线性系统小波动状态空间法数字仿真

第9章计算机控制系统—离散连续系统的仿真计算

第10章大波动过渡过程的优化和计算

第11章水轮发电机组导叶最优控制

第12章双重调节机瞬变过程的数字仿真

第13章自适应建模与程序通用化

第14章各类水力机械装置系统动态仿真范围、极值工况及仿真计算的参考标准2100433B