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。     

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。     

有压管道过渡过程的数值计算

基于理想气体状态方程和全新的圆形管道水体积与水深关系数学模型,按照小流量充水原则,结合空气阀的进、排气性质和泄水管的排水特性,对一定的充水流量和不同的放水流量下有压管道充、放水过程中气体压力的变化进行了数值计算。结果表明:在小流量充水的情况下,管内的气体压力不是很高,放水流量越大,对应管段的气体压力越小、管道越危险。     

长输水管道充水的气液两相流数值模拟

基于缓慢充水过程中管道内气液两相流的流态及其特性,在一系列合理假定的基础上,推导建立了描述充水过程的气液两相流控制方程,给出模型的求解方法和计算流程。采用南水北调工程北京西四环暗涵充水试验数据对模型进行验证,结果表明,数值模型可用于模拟"V"形复杂管道系统缓慢充水过程中管内水流和通气孔气流的两相变化过程。研究成果对长距离输水工程中通气孔、排气阀等调压设施的设计、选型,及后期管道的安全运行、维护管理等具有重要意义。     

南水北调压力管道的水流特征及进排气措施研究

压力管道输水系统的气体积聚及其危害,很多文献中都有论述,但压力管道的水流特征及进排气措施研究却少有记载。目前对于压力管道的进排气阀设置,国内还没有系统的计算方法,实际工作中存在着不少困难。文章根据压力管道的水流流态特征、水运动规律和特点,将管线的纵剖面分解为上坡段、长水平段和下坡段,管线高点、低点和坡度变陡点等特征单元,通过分析压力管道初次运行前的充水过程、检修时的排水过程、以及正常运行过程这三种工况的水流流态,提出了空气阀设置应当遵守区别对待、小流量充水和空气阀类型同其任务相一致原则及其设置方法。     

倒虹吸工程水力学模型试验

为研究大型倒虹吸水力特性,通过新疆北部某倒虹吸工程1∶16的水工模型试验,对不同运行工况下倒虹吸过流能力、水流流态及压力分布等问题进行研究。试验结果表明,水头损失实测值与设计计算值较接近,满足设计要求;在设计流量下管道最大压力位于倒虹吸管最低段末端且小于设计值;但充水过程中,流量由13m3/s增至15m3/s时,发现上游进水口有间歇性立轴漩涡形成。为了保证工程的正常运行,建议对上游沉沙池与消力池之间渠道进行优化。     

长距离有压输水管道充水过程的研究

为研究长距离有压管道充水过程并保证其运行中的安全,针对长距离有压管道的特点,对其充水过程,采取分段处理、依次充水的策略。对于每一段管道,闸门处采用宽顶堰型闸孔出流形式,结合空气阀的排气性质,运用气体状态方程,按小流量充水原则建立数学模型。在不同充水流量和不同空气阀间距下,计算管道内各特征点气体压强变化。计算表明充水流量越大,空气阀间距越长,特征点的气体压强越大,管道越危险。计算结果可为长距离输水管道充水过程的安全评估提供科学依据。     

有压管道充水过程数值模拟

基于明渠非恒定流的运动方程和连续方程,采用Preissmann四点隐式差分格式,结合虚拟流量法,对有压管道充水过渡过程进行了数值仿真模拟,该充水数学模型能模拟管道从无水变为无压流,再过渡到有压流的整个水流运动过程,其中包括漫流和明满过渡流。将该模型应用于南水北调天津干线有压输水系统充水仿真计算了充水过程中出现的水力过渡现象,最不利的情况出现在已经充满后的波动阶段,结果可为具体工程的充水操作预测水锤、规避风险和加强防护提供科学的依据。     

小水电站压力管道水动力学特性研究

为研究我国西南地区小水电站压力管道内水动力学特性,以贵州省小东风水电站为例,采用流体计算软件CFD进行了三维湍流流动数值计算.研究结果表明:水电站平均流量下的压力管道水力损失为0.056 m,水力损失较小;不同流量下压力管道出口的流速均匀度均在92％以上,变化幅度在1％以内;不同流量下压力管道靠近转轮处的弯管内侧均存在...     

竖井及跌水池体形参数对井喷的影响

基于排水系统三维数值模型,研究了不同上下游管道直径比和相对高度、跌水池以及竖井体形参数对井喷压力及强度的影响。模拟结果表明：较小的上下游管道相对高度会导致上游管道内的水流流态为满管流,在上游流量快速增加时会产生较大的井喷压力;减小下游管道直径将会限制进入下游管道的水流流量,进而造成更为严重的井喷事件;跌水池总体积不变情况下增加跌水池高度能够在一定程度上缓解井喷压力;增加竖井的长度对井喷压力影响较小,但会减少喷射水量,增加竖井直径会导致井喷压力先增大后减小。     

埋地压力输水管道的分布式光纤连续监测原型试验

以深圳某水源工程大型埋地压力输水管道为例,应用基于Φ-OTDR光纤干涉原理的振动监测方法,对管道进行原型观测试验。通过运用放空阀模拟爆管泄漏事件,并结合敲击试验,检验分布式光纤的监测效果。试验结果表明,分布式光纤用于埋地压力输水管道泄漏连续监测是可行的。     

输水管线启动填充过程含滞留气团瞬变流数值模拟

针对长距离输水管道系统启动填充过程中水流冲击滞留气团的水气耦合瞬变流现象,考虑水体弹性、气体可压缩性、水-气交界面的动态运动以及多气团间的相互作用,推导建立含多段滞留气团的输水管线启动填充过程的数学模型.提出采用局部插值法动态追踪水气交界面,采用特征线法对数学模型进行求解.计算结果与试验结果的对比验证了该模型能够准确地...     

喀麦隆曼维莱水电站无压引水系统瞬变流分析

针对喀麦隆曼维莱水电站无压引水系统明渠的过流能力及其水力瞬变流特性,基于明渠水流的基本方程,推导得到了相应的特征隐式格式算法以及边界条件,建立了长明渠引水式水电站瞬变流分析的仿真模型,并进一步结合工程实例揭示系统的瞬变流特性。与二维水力仿真分析成果进行比较验证分析,可知该水电站水库和压力前池水位差为1.06 m的情况下,引水明渠过流能力不足以通过4×112.5 m~3/s的额定流量。融合明渠的水力特性和压力前池的水位波动特性,水电站水力—机械系统调节保证计算参数的控制值均满足要求,其中明渠出口(压力前池)最高水位为392.362 m,低于相应的渠道末端顶高程394.270 m,满足布置要求。水电站水力—机械系统的水力干扰和小波动过渡过程均满足稳定性要求,且调节品质优良。研究成果可为工程设计和电站运行提供可靠的技术支撑,在合理选择前池容积的前提下,实现对渠道引水能力、渠堤沿线高度和前池最大水位波动的有效控制。     

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。     

Hydraulic characteristics of a siphon-shaped overflow tower in a long water conveyance system: CFD simulation and analysis

The siphon-shaped overflow tower is a new type of pressure-suppressing structure used in long water conveyance systems,and it plays a crucial role in guaranteeing the system’s stability and safety during hydraulic transient processes.The flow in the tower is characteristic of weir flow in a closed duct,and is thus a complex air-water two-phase flow.Intensive studies of the flow patterns,the pressure pulsations,and the discharge capacity are necessary for better understanding of the flow processes and for the purpose of design.In this paper,we simulate the flow in a siphon-shaped overflow tower under both steady and unsteady flow conditions.Through a steady-flow field simulation,the relationship between the overflow discharge and the pressure in the connected pipeline is analyzed and an empirical formula for evaluating the discharge capacity is provided.Through a transient-flow field simulation,the negative-pressure distributions on the weir crest,the pressure pulsations on the crest and in the falling pond,and the transformation of the air-water two-phase flow in the downstream outlet pipe are analyzed.Moreover,the major influencing factors of the flow patterns,especially,the sectional area of the air vents,are clarified.It is indicated that the siphon-shaped overflow tower can regulate the pressure surge during hydraulic transients and guarantee the safety and stability of the pipeline system,if the shape and the vents are properly designed.     

梯形转叶螺旋流消能装置水力特性研究

在有压输水管道内部装配合适的消能装置是解决供水工程剩余水头的一种重要消能方式。本文介绍了梯形转叶螺旋流消能装置的水力特性试验研究,根据试验数据计算分析了消能装置的消能效果,并对其在不同扭转角度下的消能效率进行了分析,从而确定此类消能装置最高消能效率可达水流压力的80%以上,能对下游建筑物设施起到良好的保护作用。综合试验结果表明,该装置结构基本合理,可作为管道消能装置设计的依据。     

南水北调中线工程PCCP及暗涵输水系统空气阀型式研究

南水北调中线工程惠南庄一大宁段采用2排4 m直径的PCCP管,为大口径长距离管道输水系统,其运行工况复杂,压力变幅大,应充分考虑长距离大型有压输水管道发生破坏性水锤事故的多样性及其特点.针对工程特点着重对空气阀型式、布置等进行分析论证,确保压力输水系统安全、可靠,减少维修,节约运营成本.     

长距离输水工程弥合水锤防护措施研究

为选择合适的弥合水锤防护措施,针对长距离重力有压力流输水的特点,建立了水力暂态条件下空气阀数学模型,并采用Bentley Haestad Hammer软件对某长距离输水工程进行了弥合水锤模拟计算。计算结果表明：不设空气阀、布设复合式进排气阀与布设防水锤空气阀3种工况下瞬态升压分别为157.0,200.6 mH2O及40.0 mH2O,对应升压比分别为3.75,5.62及1.93;不设空气阀与布设复合式进排气阀条件下均发生了弥合水锤,最大空腔体积分别为350 L和775 L,而布设防水锤空气阀可有效避免弥合水锤;3种工况条件下只有防水锤空气阀升压最低,最大水锤升压较不设空气阀条件下降74.5%,且整体波动最为缓和。通过对3种工况条件下空气阀进排气体积及压力变化情况进行比较分析,可知工况2与工况3空气阀组进排气量差值为2 198~5 558 L,最小压力相差-0.05 ~0.01 MPa,最大压力相差0.38 ~0.89 MPa;工况2空气阀在管线末端检修阀关阀过程中发生了剧烈的进排气体积变化,叠加了关阀水锤,而工况3空气阀在整个计算过程中进排气体积变化较为缓和,气体体积流量及水压峰值得到了有效控制,可以认为防水锤型空气阀是弥合水锤的有效防护措施。     

船坞虹吸双廊道消能特性及其体型优化研究

结合某修船坞虹吸双灌水廊道模型试验,建立了其水力特性的三维数值计算模型,使用驼峰压强和灌水流量的试验值验证了数值模型的可靠性。通过分析消能段湍流动能和耗散率发现,消能立柱作用并不明显,水流动能的消散主要靠隔墙立柱后方的水流摩擦和与壁面碰撞。对比设计方案和修改方案的消能段前部流场发现,取消导墙可以改善流态。无导墙的三个修改方案中,灌水流量均有较大提升,取消隔墙立柱后,隔墙上方过流面积增大,降低了水流的掺混程度。综合方案比选,选择对廊道体型改变较少的方案二作为最优方案。