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万家寨引黄工程北干线水力过渡过程数值模拟研究

王栋  
【摘要】: 一个点上的水流状态,如压力、流速和流量不随时间变化而变化,称为恒定流。如果水流状态随时间变化而变化,则称为非恒定流。在实际工程中,由于流量调节或事故等原因导致长距离输水系统的恒定流条件被破坏,系统内发生非恒定流的现象称为输水系统的水力过渡过程。过渡过程发生时,输水系统沿线的水力参数随时间变化发生急剧变化,往往超出恒定流的设计范围,从而对输水系统造成不利影响,尤其是在有压输水管路中,由于流速的急剧变化会导致液体内部压强迅速地交替升降而产生水锤。如果处理不当,将导致输水管道系统发生强烈的振动,管道严重变形甚至爆裂。因此对输水系统过渡过程进行研究,同时进行必要的系统安全计算,对于输水工程的设计和安全运行都是十分必要的。 本文在总结前人研究成果的基础上,系统阐述了非恒定流的基本理论及其计算方法,应用特征线法建立了明渠非恒定流计算模型以及减压阀防护措施下的重力流关阀水锤计算模型,并选取了合理的数值计算方法,开发了水力过渡过程计算机分析系统。本文结合万家寨引黄工程北干线输水工程,对水力过渡过程进行了数值计算和理论分析,在寻求过渡过程的通用解法的同时,也为工程的设计和运行提供了科学的依据和建议。本文的研究主要包括以下几个方面: (1)总结了前人研究的成果,系统阐述了非恒定流的基本理论及其特征线法,介绍了明渠非恒定流及水锤计算的初始条件及边界条件,分析了各种水锤防护措施(套筒阀、活塞式减压阀、进排气阀等)的工作机理及适用条件。 (2)以山西省万家寨引黄工程北干线输水工程1#隧洞为例,在建立数学模型的基础上,采用计算机模拟对系统稳态运行状况分析,分析不同流量变化下的各种情况(最终流量、设计流量),为输水系统的合理设计和安全高效运行提供技术依据。 (3)以山西省万家寨引黄工程北干线输水工程2#倒虹为例,进行重力流关阀水锤分析计算,采用特征线法结合阀门对应的边界条件方程,建立了水力计算模型,对活塞式减压阀防护措施下的重力流倒虹输水系统进行了数值模拟,提出了重力流倒虹输水系统安全运行条件下的最优防护方案。 (4)采用界面性强、面向对象的可视化编程软件Visual Basic 6.0作为开发语言,开发出界面友善、操作简单、功能齐全、性能可靠的明渠非恒定流数值模拟系统以及重力流关阀水锤水力过渡过程数值模拟系统。 (5)最后对上述研究成果进行分析,探讨模拟计算误差的原因,提出了供水工程水力过渡过程计算中有待进一步研究的问题。


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