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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

郑源  
【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。。,)。


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