THEORETICAL,NUMERICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF WATER HAMMER IN PIPE SYSTEM WITH COLUMN SURGE CHAMBER

1 .　INTRODUCTIONWaterhammerreferstoanon linear phe nomenonwherepressuresurgesoccurfollowingasuddenchangeinflowvelocityina pipesystem .Thechangeinflowvelocitymaybeinducedbyvalveoperation ,pumpstart uporshut down ,fluidinjectionordischarge ,thesuddencessationofen ergysupplierdevicescausedby powerfailureorpipemovementundercertainexternalactionsuchasimpactandearthquake ,etc .Theseinducenon linear pressuresurgesorwaves propagationthroughoutthepipesystematacousticspeed .Thesurgepressurecouldha…     

溪洛渡水电站尾水系统水力动态特性试验研究

结合溪洛渡水电站引水发电系统整体水工模型试验，揭示了水电站三机一室一洞典型尾水系统布置条件下的一些特殊的水力动态特性，试验表明，模型试验中所发现的一些动态水力特性，如调压室涌波的伴生振荡、明满流的发生条件、调压室不同连接型式对水锤波的反射等，对工程设计的影响是重要的，其研究成果可为工程设计提供更为可靠的设计依据。     

两种新型调压室的设计及试验论证

调压室是保证水力发电运行稳定性及供电质量的常用解决方案。以差动式及阻抗式调压室为对比对象,设计了瓣膜隔离强冲击式及涌波发电掺气耗能式两种水能自耗式调压室,侧重优化了传统调压室的消能方式,一方面通过减小调压室水位波动振幅而降低其工程造价,另一方面通过加速调压室水位波动衰减而更好地保证水电站的供电质量。通过一系列的模型试验对两种调压室的技术可行性进行了论证。结果表明：瓣膜隔离强冲击式调压室在技术上可行,各方面性能较好,可像差动式调压室一样适用于中高水头的水电站;涌波发电掺气耗能式调压室在控制涌波高度及波动衰减时长上有一定的效果,可作为传统阻抗式调压室的技术改进方案。     

基于调节保证的上游调压室最佳 位置的确定

通过分析设有上游调压室水电站机组甩负荷蜗壳压力变化的特点,得出当调压室最高涌浪引起的压力上升与水流惯性引起的压力上升相等时,对应的调压室位置为最佳位置。继而结合阻抗式调压室最高涌浪计算式及水击压力计算公式,推导得出基于调节保证的调压室最佳位置计算式,同时通过数值计算对计算式进行了验证,并探讨了计算式的适用条件。最后结合工程实例分析了最佳位置随阻抗孔口面积的增大、调压室面积放大系数K的减小,而减小的规律性。     

Analytical study on water hammer pressure in pressurized conduits with a throttled surge chamber for slow closure

This paper presents an analytical investigation of water hammer in a hydraulic pressurized pipe system with a throttled surge chamber located at the junction between a tunnel and a penstock,and a valve positioned at the downstream end of the penstock.Analytical formulas of maximum water hammer pressures at the downstream end of the tunnel and the valve were derived for a system subjected to linear and slow valve closure.The analytical results were then compared with numerical ones obtained using the method of characteristics.There is agreement between them.The formulas can be applied to estimating water hammer pressure at the valve and transmission of water hammer pressure through the surge chamber at the junction for a hydraulic pipe system with a surge chamber.     

上游串联双调压室系统合理尺寸选择的研究

为了研究上游串联双调压室系统(主调压室为阻抗式,副调压室为简单式)合理的主、副调压室尺寸,结合长引水隧洞水电站工程实例,采用水锤计算的特征线法,运用过渡过程软件建立模型,对压力引水系统过渡过程进行计算研究。分析了主、副调压室不同直径组合下的调压室最高涌浪水位、波动衰减率和蜗壳末端最大水锤压力的变化规律。研究表明:对于布置双调压室系统,随着副调压室直径增大,主调压室阻抗孔对水锤压力的影响减弱;阻抗孔直径有一个临界值点,低于该点,副调压室最高涌浪水位随阻抗孔直径的增加而降低,高于该点,则上升;若副调压室直径过大,则主、副调压室水位波动衰减较慢。研究结论对类似工程合理地选择主、副调压室直径有一定参考作用。     

设置尾水连通管的抽水蓄能电站引水发电系统小波动稳定分析

设置尾水连通管后,可缓解抽水蓄能电站相继甩负荷工况尾水管最小压力,但其对系统小扰动稳定性的影响还不清楚。本文建立了设有尾水连通管的抽水蓄能电站引水发电系统小波动状态方程,利用状态空间法对小扰动下机组转速、调压室水位等状态变量波动过程进行了稳定性分析,并与基于特征线法的弹性模型计算结果进行了对比,验证本文理论分析模型的正确性。同时基于理论模型,研究了尾水连通管对于系统小波动稳定性产生的影响,并对连通管管径及位置进行了敏感性分析,得出以下结论:尾水连通管及其管径的大小、设置位置对于系统小波动稳定域、机组转速变化及调压室水位波动过程产生的影响基本可以忽略;设置尾水连通管后,系统小波动过渡过程中,尾水支管流量发生变化,使得两侧尾水支管压力平衡,但并不增加整体系统的阻抗。     

调压室对水电站输水系统小波动过渡过程的影响

为了减小水电站输水系统过渡过程中产生的水锤压力,常常会在输水系统中设置调压室。通过基于不考虑水体弹性的理论推导以及考虑水体弹性的数值模拟,对无调压室及有调压室两种方案下输水系统小波动的过渡过程进行比较分析,以便较为全面地对设置调压室或不设置调压室是否会对水电站输水系统小波动的过渡过程产生影响展开研究。研究结果表明：在相同布置条件下,无调压室及有调压室两种方案的输水系统的小波动过渡过程均是稳定的;设置有调压室的输水系统小波动的过渡过程要优于未设置调压室的输水系统小波动的过渡过程。从研究结果来看,设置调压室对水电站输水系统的小波动过渡过程具有改善作用。     

火电厂补给水系统气垫式调压室的数值模拟

火电厂补给水系统具有管道布置受地形影响起伏波折和管道长的特点，在断电停泵时管道上凸点容易产生负压。气垫式调压室是工程中消除管道负压的重要措施之一，文中研究了以气垫式调压室及水泵为边界的管道水力过渡过程，建立了数学模型，并对实际工程的补给水系统进行了计算，结果表明设置气垫式调压室后管道由于断电停泵而产生的负压完全消除，说明气垫式调压室解决火电厂补给水系统管道的负压问题效果显著。气垫式调压室在火电厂补给水系统中已得到成功应用。     

气垫调压室与常规调压室双室引水系统的计算

建立了描述具有上游气垫式调压室的水电站双室引水发电系统过渡过程状态方程,介绍了其数值解法并编制了计算程序。结合某一实际工程计算了上下游调压室的水位波动、气压室的压力变化和高压管道的水击压力,并讨论了气压室的初始状态对调压室底部压力的影响。     

气垫式调压室水位和气室压力波动及状态方程多方指数影响计算研究

气垫式调压室水位和气室压力波动是规划和设计气垫式调压室所关心的问题。笔者使用四阶龙格—库塔法计算了气垫式调压室水位波动过程以及气室压力变化过程,分析了气体状态方程多方指数对调压室涌浪水位和气室压力的影响。指出在水力计算中以控制气垫式调压室最高和最低涌浪水位为计算目的,气体状态方程多方指数宜取1.0,以控制气室最高和最低压力为计算目的,多方指数宜取1.4。     

上游并联双调压室水电站瞬变流特性分析

由于长引水式水电站受地质地形条件、工程施工条件和系统运行稳定性等因素限制,为保证其安全运行,设置并联双调压室。通过建立调压室上游侧各支路阀门瞬变流水力特性的分析模型,以及考虑并联调压室水力特性的稳定性分析模型,深入分析了系统特殊的爆管瞬变流过程和水力振动特性。结果表明:在对应不同的爆管口直径同一爆管点位置,蝶阀至调压室之间管段最大瞬时流量为额定流量的1.14~2.21倍。随着爆管口直径的加大,不同特征管段的最大瞬时流量增大。考虑同一爆管口直径对应不同的爆管点位置,蝶阀至调压室之间管段最大瞬时流量为额定流量的1.25~1.67倍。随着爆管点和调压室距离增大,不同特征管段的最大瞬时流量增大。在任一支路爆管等不利情况下,通过相应支路阀门的控制可以降低复杂的瞬变流过程对另一正常运行支路的影响。研究所得水力—机械系统特征值分析成果对揭示引水系统水力振动特性具有参考价值。     

连接管长度对调压井水位波动和水锤压力的影响

本文目的在于回答调压井连接管较长时，其内水体惯性对调压井水位波动和水锤压力有何影响，有多大影响，设计中能不能忽略。文中首先通过理论和解析方法研究了连接管影响的性质和规律；然后针对典型的水库——调压井——阀门引水系统，用特征线法计算，详细分析了不同连接管长度下调压井水位波动幅值、阀门端水锤压力上升率、水锤穿井率的变化规律；最后以某抽水蓄能电站为实例进行了对比计算。研究表明，连接管增长使调压井水位波动幅值减小，但幅度有限，通常可忽略；连接管使水 锤压力和穿井率增大，在实际工程可能的范围内其增幅有时较大，应加以考虑。     

气垫调压室模型律和减压试验

气垫式调压室的优点很多，目前国内尚未修建，缺乏工程运行经验。为了掌握气室水力过渡特性，积累气室设计，运动经验，本文以减压模型为试验主要研究手段，系统地论述了气室水力过渡基本方程，减压模型相似律，模型设计和试验条件。通过试验取得了气室水力过渡的压力，水位波动过程和稳定等项资料，并为结合工程确定了合理的气室布置方案。     

带连通阀的阻抗调压室水锤防护特性研究

在大流量输水工程中,水泵抽水断电后,管线往往会有较强的压力波动,易造成沿线水位压力较低。结合某大流量输水工程,建立了带连通阀的阻抗调压室数学模型,对比分析了简单调压室、阻抗调压室和带连通阀的阻抗调压室的水锤防护特性,验证了带连通阀的阻抗调压室的优越性,并研究了其连通阀关闭规律对调压室水锤防护特性的影响。研究表明：与简单调压室和阻抗调压室相比,带连通阀的阻抗调压室水锤防护效果更佳,可有效提高调压室最低水位和沿线最小压强,减小占地面积;水泵抽水运行断电后,连通阀须尽早关闭,且存在较优关闭速率。     

阻抗式调压室底板压差的影响因素分析

底板压差是阻抗式调压室结构设计中一项重要参数。增大阻抗孔面积是减小压差最直接有效的方法。当增大阻抗孔大小无法满足设计要求时,研究了调压室水位波动周期和导叶关闭规律对底板压差的影响,阐明改变调压室水位波动周期和优化导叶关闭规律对降低压差间接起到积极作用。     

随机分析方法及其在水击和调压室涌浪中的研究进展

介绍了随机分析方法在水利工程中的应用,包括工程上建立随机模型的方法和对模型的求解研究。综述了1997年以后水电站水击与调压室涌浪随机分析的现状、新的研究方法和研究成果。主要研究成果有:证明了调压室涌浪随机模型存在唯一的均方解;推导出了水头损失和最大相对涌浪值的密度函数计算公式;求解了调压室涌浪解过程的联合密度函数和简单水力系统的水头均值过程等。针对研究现状,提出了水电站水击与调压室涌浪随机分析的3点建议。     

水电站混合型调压井水力特性数值模拟研究

混合型调压井水流流态复杂,常规解析法和图解法均不能精确求出混合型调压井涌浪水位波动、压力差变化、调节保证变化等。基于数学模型进行混合型调压井水力特性数值模拟,并通过模型试验验证数值模拟成果可靠性,论证混合型调压井可行性。结果表明:数值模拟和模型试验基本吻合,数值模拟成果是可行的。调压井最高涌波水位低于调压井顶高程,最低涌浪水位大于需要最小淹没水深,调压井底板受到的向上最大压力差较小,水位波动经过上下往返运动,波动不断减少,最后稳定。机组转速、蜗壳和尾水管压力均在合理的范围内,因此调压井底板高程和顶高程、阻抗孔口大小、稳定断面设计是合理的。     

水电站调压室的稳定性研究

调压室的几何形状与断面尺寸是和水头损失是密切相关的,减少尾水调压室的水头损失是优化调压室系统设计的重要内容之一.对待建及已建电站的调压室的稳定性进行分析,具有非常重要的现实意义.文章讨论了"理想"调速器情况下,忽略压力管道水流、机组和负载频率的调节过程中,调压室所需满足的断面要求.最后,重点探讨了不同水位波动情况对调压...     

气垫式调压室测压管道模型试验系统及其数据采集

利用模型试验和数值仿真分析方法来研究气垫式调压室的测压管道动态信号的响应特性,其结果可用于研究不同长度、不同管径的测压管道系统对不同动态信号的响应特性以及对信号幅值、相位的影响规律。为保证模型试验计算数据的准确性,试验装置及其布置应尽可能和实际情况相符,同时模型试验采集到的实测数据必须真实有效。考虑到模型试验中数据采集的海量、高速特点,采用了PCL-818HD数据采集卡的DMA方式进行数据采集,并通过自行编写的后处理程序,完成采集通道的数据剥离和数据整理,提取适用数据。对比分析表明,模型试验和数值仿真分析的结果基本一致,即本模型试验及其数据采集系统能够获得准确有效的数据,完全可据此进行测压管道参数的选择。