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输水管道系统水流冲击截留气团与含气水锤研究

作　者: 郑源
导　师: 索丽生
学　校: 河海大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 输水管道系统截留气团含气水锤试验研究
分类号: TV134
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

输水管道系统水流冲击截留气团与含气水锤研究属于气液两相流的一个分支，该问题涉及到瞬变流、空化、气液两相流和热力学等多领域的理论，因而该问题十分复杂，有必要进行深入研究。本论文通过物理试验与理论分析对输水管道系统中的气体特性、压力水流冲击截留气团和包含气体释放和液柱分离现象的含气水锤进行了深入研究。论文研究的主要内容及创新点如下： 1、管道系统中的气体特性研究已有文献表明，含气输水管道系统中气体多方指数n的变化规律至今还缺乏系统研究。本论文通过物理试验与热力学理论分析对不同瞬变过程中有压输水管道内气体的多方指数n的变化规律进行了研究。试验与理论分析表明，在管道系统发生水力过渡过程时气体多方指数n存在较为显著的变化，并非单一常数，从而提出了相应的四过程：即压缩子过程1、膨胀子过程2、膨胀子过程3和压缩子过程4。在压缩子过程4与膨胀子过程2中，气体多方指数n取值为1.4～1.6；而在压缩子过程1与膨胀子过程3中，气体多方指数n取值近似为1.15。 2、输水管道系统中压力水流冲击气团研究在对输水管道系统气体特性研究的基础上，通过试验对压力水流冲击截留气团进行了研究，着重研究不同的截留气团含量、不同的阀门关闭速度等对水流冲击管道截留气团的影响。试验研究表明，输水管道系统水流冲击气团(囊)造成的冲击压力与气团(囊)的含量有密切关系，截留气团含量太多或太少所产生的冲击压力都不是最大，当截留气团在一个大气压下的初始体积占管道总体积在1～2％左右，水流冲击气团压力最大。本文对水流冲击截留气团进行了数值计算，并将数值计算与试验研究进行了比较，二者相当吻合。本文同时还对输水管道压力水流冲击截留气团近似解析解进行了深入研究。 3、输水管道系统中含气水锤研究通过物理试验，对有压输水管道系统中的气体释放与液柱分离进行了研究，观察其流态、测试液柱分离发生的条件及断流弥合水锤压力，研究了含气量、流速等参数对液柱分离的影响。在试验研究的基础上，建立了含气水锤数学模型，进行数值计算，并与试验结果进行了比较，结果表明，在管道初始流量相同的情况下，球阀关闭速度越快，液体达到汽化压力凡时稳定的时间越长，弥合水锤压力也越大;在球阀关闭速度相同的情况下，管道初始流量越大，液体达到汽化压力凡时稳定的时间越长，弥合水锤压力也越大。对于同一管道系统，在阀的上、下侧管道长度比较接近的情况下，发生在阀下侧含气水锤压力比阀上侧常规水锤还要大，对管道的破坏力更强。因此，对阀下侧的含气水锤的研究应引起人们的重视。 4、空气阀特性研究试验研究了作为水锤防护装置的空气阀的特性，建立了空气阀数学模型，通过合适的计算方法进行数值计算，并与试验进行了比较。研究表明，在管道顶端安装空气阀有助于减缓正压冲击和降低负压。改变空气阀进、排气时阀的流量系数对其压力的影响十分明显;为了改善水锤压力，在保持合适空气阀进气时的流量系数(较高的C‘。)情况下，应尽量减小排气时阀的流量系数(较低的C。。，)。

全文目录

第一章绪论  16-38
  1.1 输水管道系统水流冲击截留气团与含气水锤现象  16-17
    1.1.1 有关概念  16-17
    1.1.2 水流冲击截留气团与含气水锤现象的发生原因  17
  1.2 研究水流冲击截留气团与含气水锤的意义  17-19
  1.3 水流冲击截留气团与含气水锤研究综述  19-36
    1.3.1 管道中的气体特性与水流冲击气团研究  19-21
    1.3.2 水柱分离与断流弥合水锤研究  21-28
    1.3.3 含气水锤防护研究  28-30
    1.3.4 计算分析方法  30-32
    1.3.5 试验研究  32-36
  1.4 本文的主要研究内容  36-38
第二章有压输水管道中的气体特性研究  38-57
  2.1 有压输水管道中气体特性试验研究  38-48
    2.1.1 试验装置  38-43
    2.1.2 气体特性的试验研究  43-48
  2.2 气体瞬变过程中特性分析  48-56
    2.2.1 多方过程  48-51
    2.2.2 瞬变过程中气体特性的理论分析  51-53
    2.2.3 气室能量耗散机理  53-55
    2.2.4 多方指数n的计算取值  55-56
  2.3 小结  56-57
第三章输水管道系统水流冲击截留气团研究  57-97
  3.1 试验装置与仪器、仪表率定  57-64
    3.1.1 试验装置与研究内容  57-61
    3.1.2 仪器、仪表率定  61-64
  3.2 水流冲击截留气团的试验研究  64-71
    3.2.1 截留气团含量对水流冲击气团影响  64-70
    3.2.2 阀门开启速度对水流冲击截留气团影响  70-71
  3.3 输水管道系统水流冲击截留气团数学模型与算法  71-75
    3.3.1 输水管道系统水流冲击截留气团数学模型  71-73
    3.3.2 数值计算  73-74
    3.3.3 算例  74-75
  3.4 计算与试验比较研究  75-78
  3.5 有关参数对水流冲击气团影响  78-79
    3.5.1 多方指数n对水流冲击气团影响  78-79
    3.5.2 阀门开启速度对水流冲击截留气团影响  79
  3.6 水流冲击气团最大压力近似解析解  79-93
    3.6.1 忽略水头损失后的刚性水流模型  79-86
    3.6.2 考虑水头损失后的刚性水流模型  86-93
  3.7 理论分析与模型试验结论对比分析  93-95
  3.8 小结  95-97
第四章输水管道系统含气水锤研究  97-128
  4.1 含气水锤试验研究  97-109
    4.1.1 试验装置组成  97-98
    4.1.2 含气水锤试验研究  98-109
  4.2 含气水锤数学模型与算法  109-117
    4.2.1 气泡离散布置模型  109-112
    4.2.2 计算实例与分析  112-117
  4.3 含气水锤防护研究  117-126
    4.3.1 空气阀概述  117-118
    4.3.2 管道中安装空气阀的试验研究  118-120
    4.3.3 空气阀的水锤数学模型与算法  120-123
    4.3.4 计算实例与空气阀特性研究  123-126
  4.4 小结  126-128
第五章总结与展望  128-131
  5.1 主要结论  128-129
    5.1.1 输水管道系统气体特性研究  128
    5.1.2 输水管道系统压力水流冲击截留气团研究  128-129
    5.1.3 输水管道系统含气水锤研究  129
  5.2 进一步的研究  129-131
    5.2.1 气液两相流理论进一步研究  129
    5.2.2 数值计算方法进一步研究  129-130
    5.2.3 多个空气阀的特性和布置研究  130
    5.2.4 对输水管道系统的水力振动试验研究  130-131
参考文献  131-139
符号说明  139-143
致谢  143-144
学习期间参加的科研项目和发表的主要论文  144

输水管道系统水流冲击截留气团与含气水锤研究

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