管道充水过程气液两相流动力学特性分析

管道充水过程涉及复杂的气液两相瞬变过程,合理分析、评价其两相动力学特性对工程的优化设计、安全运行,以及数值模拟研究具有重要意义。基于量纲分析和相似理论,建立了充水过程的气相模型相似律,认为通气孔排气过程的动力相似律可近似套用重力相似律,据此推导出了管内滞留气囊原、模型的几何比尺关系。将建立的气相模型相似律应用于南水北调北京段西四环暗涵通气孔水工模型试验,分析了充水全过程中两相流各动力学测量参数,得出暗涵合理的充水流量。最后采用定量和定性分析相结合的方法,对管道中滞留气囊对输水能力的影响进行了评价。     

长距离输配水工程充水方案研究

充水水力控制是长距离压力输水隧洞及管道安全运行关键工况之一,针对大伙房水库输水(二期)工程输配水系统复杂的结构和组成,文章对充水过程物理机理及模型、充水分段、充水流量、排气问题、气液两相流态等进行了研究,通过对充水过程管道特征点气团压力变化、管道内水深变化、管道内水深变化与气团体积的关系比较,制定了分十一段小流量充水控制方案和操作方法。文章的研究成果为长距离输水工程制定首次运行充水和事故或检修后再充水方案提供借鉴及参考。     

有压管道充水过程水力特性三维数值模拟

运用Fluent软件建立三维模型,对某调水工程中的一段有压管道充水过程的水力特性进行三维数值模拟计算,采用PISO算法分析了管道充水过程中气体压力、水力要素及两相流流态变化情况。结果表明:充水流量的大小会导致管内气体压力的强烈变化;气体压力变化又会影响进口流速。在水体流到管道后部管壁之前,流线均匀,流态较好;之后气液两相彼此相间,流线错综复杂,流态紊乱,湍流能量较强。建议以"小流量充水原则"对类似输水管道进行试充水操作。     

管道充水水力瞬变模型相似律

管道充水过程是一种非常复杂的水力瞬变过程,水流将经历从无压流变成有压流的流态转换。本文通过分析管道水击与无压非恒定流的模型相似律,证明只要满足管道水击模型相似律,则管道无压非恒定流模型相似律自然满足。在此基础上,对于依靠重力自流充水的管道系统,给出了管道充水模型的相似律、设计方法和实例。实例表明,当管道沿线合理地设置了通气孔时,管道充水的自由液面流动水面气体压力、密度变化非常小,可以视为无压流动,并且当通气孔内风速小于100m/s时,通气孔内气体压强、密度变化微小,可按不可压缩气体考虑。     

检修闸门通气孔的维修改造

深水闸门后部设置的通气孔是深水闸门工程的重要内容之一,通气孔在隧洞或管道充水时有排气作用,在隧洞或管道泄水放空时有补气作用;它在保证泄水时的流态稳定、防止气蚀和振动、减轻闸门的动力荷载等方面有着不可忽视的作用。结合铜山源水库的实例详细介绍了闸门通气孔的维修改造过程,经过改造,取得了很好的效果。     

大型管道输水系统充水过程滞留气泡对输水能力的影响

通常认为长距离大型管道输水系统充水过程中,滞留气泡对系统的高效输水和安全运行有重要影响。为了评估滞留气泡对输水能力的影响,首先对影响管道输水能力的因素进行敏感性分析,并基于气体热力学原理,建立原型、模型之间气泡的几何比尺关系,为评估滞留气泡对输水能力的影响提供理论依据。针对南水北调中线北京段西四环暗涵的现有通气孔设计,结合模型试验结果,分析了原型中滞留气泡对输水能力的影响,认为在现有通气孔布置的情况下,原型中滞留气泡对管道流量或输水能力的影响小于模型中测量所得的1.07%,在实际工程运行中可忽略。     

南水北调西四环暗涵安全输水关键问题

南水北调西四环暗涵是南水北调中线北京段总干渠末端控制性工程,其充水及闸门启闭过渡过程对工程安全运行具有重要的现实意义。通过对西四环暗涵运行中的关键问题进行分析,依据水工模型试验结果和数值模拟结果,对过渡过程中沿线压力变化、通气孔通气性能、管道内气团的变化、运动规律,及其对输水效率的影响等问题进行分析,给出了工程安全运行的方案和运行中需注意的问题,为工程的运行和管理提供了科学依据。     

长距离重力流倒虹吸管道充水过程控制

长距离重力流倒虹吸管道系统在充水过程中由于管道内大量气体存在,运行工况复杂,充水过程中极易造成运行事故。本文以天水市城区引洮供水工程秦州段管道充水过程为例,从充水前准备、管路充水、注意事项、常见问题处理等方面对充水过程控制进行探讨,可为同类工程运行提供参考。     

尾水隧洞通气孔进排气瞬态过程研究

基于一维瞬变流理论和特征线法,采用自由气体空穴模型,并考虑气体的热力学特性,建立了尾水通气孔的过渡过程数学模型。结合该类水电站实际工程的水道布置及机械特性,建立引水发电系统过渡过程整体数学模型,模拟过渡过程工况下通气孔进排气及局部气液两相流。结果表明:通气孔进气可以有效缓解隧洞中的负压,但空气排出时伴随较大的撞击压力,其来源于被空气分隔的液柱重新弥合,发生直接水锤现象。通气孔面积较大时,撞击压力随着面积的增加而减小;通气孔面积较小时,撞击压力随着面积的增加而增加。根据其特性,提出通气孔结构优化方案,即进气时孔口全部打开,排气时只有部分孔口排气,当排气面积占进气面积10%左右时,压力振荡得到较好的控制。     

虹吸管气液两相流压降特性试验

通过系列试验量测了不同安装高度、不同水位差时虹吸管水平管段的压降、含气率及过流量,探讨和分析了虹吸管气液两相流压降的变化规律及气液两相流流型不同时影响管道压降的因素。结果表明,气液两相流管道压降与液相满流时压降规律相同,即压降值随管道水头的增大而增大;但是,与液相有压管流不同,水位差一定时压降值随安装高度的增大而减小。当虹吸管内为气泡流时,气泡存在对沿程阻力系数λ影响很小,可忽略不计。管道实测压降小于计算值的原因是气液两相压降减小率等于流速减小率。当虹吸管内为过渡流和气团流时,气液两相压降减小率与流速减小率相差较大,实测压降的减小不仅与流速减小有关,含气率的大小对气液两相压降的影响也不可忽略,含气率的增大使气液两相流动阻力增大,即压降增大。     

重力流输水管道关阀水锤模拟研究

确定重力流输水管道最合理的关阀时间需要考虑如下因素:一是管道的水锤压力不要过高,防止管道破裂;二是水锤压力不要过低,严禁管道沿线出现断流弥合水锤,防止出现负压压瘪管道;三是要有利于操作方便、保护设备。以北京市某南水北调配套工程为例,选择HAMMER软件模拟管道瞬变流,分析重力流输水管道关阀过程中的水锤现象。结果表明:关阀时间越长,管道最大压力越小,最小压力越大,水流条件越好。蝶阀关闭时间为50 s时管道最大压力达169.27 m,关闭时间为500 s时管道最大压力为65.18 m。在线性关阀时间不小于200 s时,管道沿线不产生负压,且最大压力小于管道的设计压力。综合考虑保护管道、操作方便、便于管理、保护设备等因素,确定蝶阀线性关闭时间为300 s。研究成果对重力流输水管道阀门管理和保护具有参考价值。     

安装有空气阀的输水管路系统空管充水过程瞬态分析

在输水管路系统中,空气阀在预防水柱分离及再弥合水锤方面发挥着关键作用。现有空气阀的应用研究多集中于满管流状态,但对于空管充水阶段空气阀的水锤防护研究较少。为此,本文建立了空管充水过程中空气阀的数学模型,提出了一种基于改进牛顿迭代法和直接求解法相结合的求解空气阀模型的计算方法,分析了进气阀、普通进排气阀和进气微排阀3种类型的空气阀在曲折管线空管充水过程中的水锤防护效果。定量分析表明,为预防空管充水过程中出现的水柱分离及再弥合高压水锤,选择大口径进气,微量排气的空气阀最为合适。该研究对安装有空气阀的输水管路系统的空管充水瞬态分析具有一定的参考价值。     

空气阀在长距离输水工程中的应用

介绍了输水管线中空气的来源、危害以及安装空气阀的必要性,对长距离输水管线中空气阀的设置进行了探讨,并根据国内外对有压输水管道气水两相流的最新理论研究和实验成果,对进排气阀的结构原理进行分析,论述了长距离有压输水管路进排气阀选型设计的相关问题。     

预埋式注灌装置充水过程水力特性数值模拟

为了解预埋式注灌装置对土体局部冲刷的原因,采用k-epsilon Realizable湍流模型和VOF多相流模型相结合的方法对在进口压强P=13.8 kPa这一物理试验工况条件下预埋式注灌装置充水过程中的水气二相瞬态流动进行数值模拟,模拟结果表明:在该工况条件下,0～0.9 s时段预埋式注灌装置出水流道内的水流为瞬变流,出水流道内压强大小随时间产生剧烈波动。各监测点的瞬时压强均大于进口压强,最大压强值是进口压强的3.27倍。出水孔流量变化规律与压强随时间变化规律一致,压强峰值对应瞬时流量峰值,为充水过程结束后恒定流出流量的1.66倍。充水过程中出水流道内反复出现的极端压强使孔口出流流量瞬时陡增,造成出水孔周围的局部土体严重冲刷。研究成果可为优化预埋式注灌装置结构体型,减少出流对果树根区土体冲刷提供指导,对预埋式注灌装置在干旱区节水灌溉领域进一步推广提供技术支撑。     

乌鲁木齐市大西沟管道引水工程水锤防护设计

为了解决乌鲁木齐市大西沟引水工程因管线长、落差大而发生水锤破坏的问题,通过不同防护设备性能比较,结合水力瞬变计算和水锤方案比选最后得到合理的水锤防护方案。结果表明,通过在管线上布置空气阀、三级缓排空气阀、集气罐、超压泄压阀(安全阀)及管道末端调流消能阀关闭时间的控制,可有效地保证管道运行安全。     

城市供水管网黄锈水控制技术

为了控制城镇供水管网中黄锈水污染现象,采用 EPANETH 软件对供水管网进行水力、水质模拟,将阀门的开启度变化作为控制供水管网水流流态的主要因素,模拟不同阀门开启度下的黄锈水浊度,并将数据整理为一个数值模拟矩阵,运用非线性映射原理将该数值模拟矩阵转换为低维的点集。以降低管网中黄锈水浊度为目标,依据非线性映射原理对低维的点集进行聚类分组。在分组的点集里分别选出最具代表性的点,所选点的集合即阀门优化调度的组合。对阀门组合每一开启度下的浊度值进行多次采集,得出最佳开启度组合。模拟结果表明: 最佳的阀门号调度组合为: 5,13,60,36,65,41; 对应的开启度分别为: 50% ,50% ,70% ,50% ,80% ,60% ; 对应阀门处黄锈水的浊度分别降低: 6. 86 NTU、5. 00 NTU、6. 38 NTU、2. 07 NTU、8. 01 NTU、2. 59 NTU。研究结果对于控制城镇供水管网中的黄锈水现象具有参考价值。     

海底输水管道中气阻及水击问题研究进展

针对海底输水管道工程中存在的对输水目标不利的驼峰气阻和水击问题,引入气泡理论和流态分析方法计算分析跨海输水管道中驼峰气阻的形成过程,采用特征线法建立输水管道中加压泵事故断电引发的水击计算模型,介绍了海底输水管道中的水击防护措施,指出空气罐在海底输水系统中有特殊的优势,和管道一体化后可实现海底封闭式供水,描述了空气罐的数学模型。认为海底管线布置应尽量保证地形平缓,应充分重视空气罐防护技术,它们是实现海底输水管道安全运行的关键。     

输水管道水流对截留气团的冲击

从试验、数值计算、理论分析三方面对输水管道系统水流冲击截留气团(囊)进行了研究.试验结果表明,水流冲击截留气团的最大压力与截团在一个大气压下的初始体积占管道总体积的比例多少有关.试验与数值计算结论相符.同时指出,在无法确定输水管道系统截留气团大小时,可采用忽略摩阻的刚性水锤模型进行计算,所得结果与输水管道系统截留气团大小无关,且偏安全.