断流空腔弥合水锤其防护的理论研究和数值模拟

【摘要】：我国分布在地形复杂、地势起伏较大地区的长输管线逐年增多,此类工程在泵站启停、泵机组调速、各中间站的流程切换或分输站的启停、事故工况停机以及调节阀动作失灵、误关闭等操作过程中,极易产生水锤增压波和减压波以较大的速度向上下游传播,使管线中出现液柱分离和弥合水锤现象,造成危害很大的断流空腔弥合水锤,因此深入研究断流空腔弥合水锤及其防护措施对保障长输管道安全可靠运行具有重要的意义。断流空腔弥合水锤是一个十分复杂的流态多样的气液两相流瞬变问题,本文主要针对断流空腔弥合水锤及其综合防护措施进行了相关的理论研究分析和数值模拟计算,主要完成内容及取得的成果和认识如下： (1)通过对液柱分离和弥合水锤现象的理论研究,从微观气泡动力学和宏观角度深入分析液柱分离过程中压力的降低和气体的释放、液柱分离的形成过程及其影响因素,研究了断流空腔的分类以及断流空腔与弥合水锤升压的关系,从整体上理解断流空腔弥合水锤全过程的实质及规律； (2)通过对两阶段缓闭蝶阀、空气阀、单向调压塔等断流空腔弥合水锤防护措施的工作原理、性能特点及其选用的技术要求的研究分析,总结出断流空腔弥合水锤综合防护措施确定需要的基础数据,提出断流空腔弥合水锤综合防护措施的防护目标及选用原则； (3)通过研究水锤数值解法的基本原理,推导其求解过程,利用特征线法将水锤基本微分方程式转换成相容性方程得到其近似的数值解,建立各种工况下的内外边界条件,得到一般水锤计算的数学模型； (4)以断流空腔弥合水锤的理论研究和数值解法为基础,考虑断流空腔的型态,建立并求解断流空腔弥合水锤的数学模型：完全断流型蒸气腔离散模型和完全断流型空气腔离散模型； (5)以断流空腔弥合水锤的数学模型为基础,结合水锤综合防护措施,选用VisualBasic6.0作为开发语言,编制断流空腔弥合水锤及其防护的数值模拟的软件； (6)以某工程因事故停泵导致多处液柱分离的断流空腔弥合水锤为例,结合不同的水锤防护措施,根据实际工况选用完全断流型蒸气腔离散模型或完全断流型空气腔离散模型,利用编制的软件进行数值模拟,通过得到的数值模拟结果绘制出最低、最高水头包络线以及主要点的水锤瞬态曲线和其他相关水锤数据,分析泵站和管路系统在不同防护措施下的断流空腔弥合水锤全过程,最后通过对比各种水锤防护措施的效果,得到适用于该工程最安全可靠的断流空腔弥合水锤综合防护措施。