基于考虑含气量变化浆体水击模型的复合管道水击数值计算

作者在提出了考虑含气量变化的同液两相流浆体水击基本方程的基础上,建立了考虑含气量变化的浆体水击模型。运用该模型对某电厂除灰系统管道进行了水击数值计算,根据计算结果提出了合理的建议,该建议已被采纳和应用。同时将计算结果与原有清水水击模型和浆体水击模型的计算结果进行比较,结果表明：该水击计算模型在进行同液两相流水击计算时精度高,可用于工程计算。     

固液两相流不稳定流方程及水击压力的计算

本文根据固液两相流的特点，推求了固液两相流不稳定流的连续方程和运动方程．并进而采用特征线法求出了计算水击压力的差分方程。在固体物料长距离输送的管道的水击计算中．不仅考虑了固液两相流的特征．而且也考虑了长距离管道摩阻大、初始压力大，水击压力波衰减及充装效应显著等特点．提高了计算精度。     

基于井场实测数据水击压力波波速特征分析

【目的】停泵水击压力波诊断技术用于快速定位井底裂缝进液位置，但技术关键之一的油井套管中水击压力波波速的确定仍有诸多难题。为优选现场水击波速计算方法，探讨水击波速变化规律，【方法】基于某水平页岩气井采集的19段高频停泵水击压力信号，使用反射法、倒谱法、半周期法、全周期法、傅里叶基频法及傅里叶三次谐波法等6种方法求解每段水击波速，并使用箱型图对比各方法的求解稳定性来优选求解方法；同时分析优选方法的求解结果，总结现场施工水击波速的变化规律，并基于波速相对残差法及段间波速差法，分析脱离该井波速变化规律的离群点。【结果】结果显示：对于6种波速求解方法，其结果在箱型图中离群次数分别为8、3、0、0、16和4次；对于稳定性较好的半周期、全周期及倒谱法，求解结果表明施工深度每接近井口100 m,波速降低约8 m/s;同时，波速异常段分析指出离群波速值集中在第18—20段。【结论】结果表明：最适用于水力压裂现场的波速求解方法是基于时域的半周期法、周期法和倒频域的倒谱法，其稳定性最佳；水击波速存在随施工深度减小而减小的规律，且与固井质量及固井段长相关。研究成果可为水击波速诊断技术提供波速计算的技术参考。     

采用纵向翼形管模拟水击波速

在水击模型实验中，采用纵向翼形管是模拟水击波速的有效途径之一。为了便于确定翼缘长度，满足模型设计，本文应用结构力学方法和平面有限元方法研究了翼级长度，管壁厚度，管道半径，管材的弹模等关键参数对水击波速的影响，揭示了该结构型式的管道在内水压力作用下变形量与水击波速间的内丰规律，并将理论计算与实验结果进行了对比，两者十分吻合。     

流固耦合对水击波速的影响

针对经典水击理论忽略流体和管道动态耦合对水击波速的影响,推导出考虑流体-结构相互作用下流体连续方程,有效地计入了管道流速,研究出管道结构动态特性对水击流速的影响以及对轴向应力波波速的影响,并据此得出流固耦合作用使得水击流速值低于经典值的结论。     

水头压力及管道特性对水击波速变化的影响

把Pearsall提出的可变波速公式引入特征线法中，对二相流的水击波速在发生水击时的变化情况进行了计算分析，研究水中含有气泡的管路在水击时管道初始水头及管道特性等敏感因素对水击波速变化的影响，指出上游水头降低、相对管壁厚增加、管材弹性模量增加都会引起水击波速变化的加剧．     

关于浆体水击压力波波速的实验研究

在浆体水击的研究中,压力波波速是一个重要参数,它不仅关系到压力的增高,管道壁厚的选择,而且关系到管道运行中泵站及阀门的启闭.本文重点分析了影响浆体水击压力波波速的因素,推导了不同条件下浆体水击压力波波速的公式,并通过实验,对公式进行了验证.     

水击基本方程的改进

本文首先指出了当前用于水击计算的数学模型中的连续性方程式在恒定流时不能成立的问题,并通过进一步的理论推导,得到了新的水击波速计算公式和新的连续性方程。新的水击波速计算公式表明水击波速并非是一个常量,它的大小随流体动能沿程变化率与压强势能沿程变化率之比的变化而变化,同时也随管道断面相对变化量与压强相对变化量之比的变化而变化。新的连续性方程改善了老方程存在的不合理现象。本文还通过对水击现象的计算比较,进一步说明了老方程的确存在不合理现象,而新方程的计算结果是合理的。最后,分析指出了当前用于水击计算的连续性方程式在恒定流时不能成立的原因所在。     

磨细石灰岩-水玻璃系统灌浆材料的性能及其影响因素

 研究了白云质石灰岩 水玻璃灌浆材料的粘度、凝胶时间、结石体强度、固砂强度等性能，结果表明：浆材粘度小，流动性好，凝固时间在6～20 h内可调，40℃养护下结石体强度达1～3 MPa，固砂强度达2～6 MPa。从石灰岩角度研究了不同品质石灰岩、石灰岩细度、不同液固比等对浆材固砂强度的影响，结果表明：白云质石灰岩中MgO含量越高，细度越大，浆材固砂强度越高。以石灰岩∶水玻璃∶水=1∶0.6∶0.1为配方(重量比)的浆材，综合性能好，可实现单液灌浆。     

输水管线空气阀进排气孔径的合理选择

输水管线空气阀进排气孔径的选择,包括防水锤型空气阀低压进排气孔、缓冲板小排气孔和高压微量排气孔,不仅影响输水的安全性,而且严重影响工程投资。为了合理选择各种类型空气阀进排气孔径,本文首先提出了气体流量与流量系数、孔径、气压的函数关系,以及输水管液柱弥合水击压力与输水管直径、水击波速和空气阀流量改变量的函数关系;然后,建立了空气阀进排气孔径与输水管线充水和排水流速、负压控制要求及水击压力之间的函数关系,同时考虑了管材刚度和位置高程的影响。最后,分别以重力流输水管线和泵站加压输水管线为例,应用所得理论公式分别计算确定了复合式空气阀和防水锤型空气阀进排气孔孔径,结果表明按照本文公式确定的空气阀进排气孔径,不仅比按照常规经验确定的空气阀孔径小得多,而且可以有效削减输水管的液柱弥合水击压力。     

两相流水击模型对输送防护措施效果的计算分析

本文针对固液两相流的特点，建立了水击计算的运动方程及连续方程，并采用新方程对矿山常采用的容积泵输送中使用的储气罐、泄压阀、缓闭逆止阀等减缓水击压力的防护措施进行了计算分析，得出储气罐、泄压阀减压效果最好的结论。     

输水管道含沙水锤模型及特性研究

水锤现象的准确描述对于长距离供水工程安全稳定运行有着至关重要的影响,但传统的水锤模型缺乏对于输水管道含沙水锤的深入探讨与分析。本文基于费祥俊阻力模型定义了管路当量摩阻,借鉴韩文亮浆体水锤波速公式推导了非均质流含沙水锤特征线方程,采用特征线法计算得到了不同泥沙颗粒参数下RPV系统的关阀水锤压力,并与清水水锤计算压力对比。结果表明：清水水锤数值计算瞬态压力与实验数据较为吻合;含沙水锤压力增量与含沙量呈正相关而与颗粒直径无关,含沙量100 kg/m³时最大水锤压力为77.91 m,较清水计算结果高出7.71%;由当量摩阻换算得到的管路糙率与含沙量和颗粒直径呈正相关,与初始流速呈负相关。相关研究成果为高含沙流域长距离供水工程安全运行与水锤防护提供了参考。     

Water hammer in the pump-rising pipeline system with an air chamber

Water hammer following the tripping of pumps can lead to overpressure and negative pressure. Reduction in overpressure and negative pressure may be necessary to avoid failure, to improve the efficiency of operation and to avoid fatigue of system components. The field tests on the water hammer have been conducted on the pump rising pipeline system with an air chamber. The hydraulic transient was simulated using the method of characteristics. Minimizing the least squares problem representing the difference between the measured and predicted transient response in the system performs the calibration of the simulation program. Among the input variables used in the water hammer analysis, the polytropic exponent, the discharge coefficient and the wave speed were calibrated. The computer program developed in this study will be useful in designing the optimum parameters of an air chamber for the real pump pipeline system. The correct selection of air chamber size and the effect of the inner diameter of the orifice to minimize water hammer have been investigated by both field measurements and numerical modeling.     

含重力流支线的泵站加压供水系统水锤防护

针对含重力流支线的长距离泵站加压供水系统的水锤防护问题,以我国东北某大型供水工程为典型示例,开展水力过渡过程仿真。基于特征线法建立水力系统数学模型,分析无防护事故停泵的极端工况下水泵特性参数变化及干线管道沿线压力分布。通过理论分析,提出重力流支线末端调流阀在相继关阀工况下引起的水锤波在某同一位置发生干涉相长时可产生最大水锤升压。对比调流阀相继关阀工况与同时关阀工况,相继关阀工况所得最大水锤升压比传统认为引起最大水锤升压的同步关阀工况高4.4%。给出相继关阀工况下各阀门具体是在何时开始相继动作的计算式,可为含重力流支线输水系统的水锤防护措施的校核提供理论依据。通过优化干线泵后阀关闭规律和空气阀布设方案的联合防护措施,有效缓解水泵断电过程中的水力不稳定特性,降低机组最大反转转速94.95%,同时有效降低输水干线水锤正压极值33.82%、负压极值89.24%,水锤防护效果显著。本研究为含重力流支线的长距离泵站加压供水系统的水锤及其防护提供理论支撑和实践参考。     

事故停泵水锤计算模型参数局部敏感性分析

数值模拟的方法为管道输水工程采用合理的水锤防护提供了良好的技术支撑。基于特征线法,采用扰动分析的方式（固定步长5%,扰动范围±25%）,并结合修正的Morris筛选法,对事故停泵工况时水锤计算模型进行了参数局部敏感性分析,以加强对模型参数的识别和不确定性的分析。分析结果表明：所研究的条件在事故停泵工况时,模型中的7个参数与最大水锤压力值的敏感性大小依次为泵后阀关阀时间、管道管径、输水流量、摩阻系数、水击波波速、机组转动惯量、管道长度。     

阀门关闭速度对TVD格式数值模拟水击影响分析

采用总变差减小（TVD）格式模拟了一维有压管道水击过程,对管道中阀门突然关闭和缓慢关闭引起的水击压强进行了数值计算。通过改变阀门关闭速度,分析TVD格式对水击数值模拟精度的影响。结果表明,与传统经典差分二阶MC格式相比,阀门关闭速度越快,TVD格式捕捉激波间断的能力越强,模拟水击波效果越好;当阀门关闭速度缓慢到一定程度,TVD格式与MC计算方法所得结果基本吻合,与解析解最大误差不超过2%。说明TVD格式是数值模拟水击现象行之有效的方法之一。     

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。