本文關(guān)鍵詞：管道快速充水瞬變流的數(shù)值研究

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【摘要】：管道充水瞬變流是水利工程中較為常見的一種現(xiàn)象。在復(fù)雜管路系統(tǒng)的快速充水過(guò)程中,水氣兩相的相互作用通常會(huì)引發(fā)較為劇烈的壓力波動(dòng),威脅輸水系統(tǒng)的安全運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)管道充水瞬變流的準(zhǔn)確預(yù)測(cè),制定有效的防護(hù)措施,本文采用界面追蹤法,建立了較為完善的管道充水預(yù)測(cè)模型,進(jìn)行了多種布置形式的管道充水瞬變流分析。針對(duì)廣泛采用的恒定摩擦充水假設(shè),通過(guò)引入恒定、準(zhǔn)恒定和非恒定摩阻模型,研究了恒定、準(zhǔn)恒定和非恒定摩擦系數(shù)對(duì)水庫(kù)-閥門-管道系統(tǒng)的充水瞬變流的影響。研究發(fā)現(xiàn)由準(zhǔn)恒定和非恒定摩阻模型確定的變化的摩擦系數(shù)降低了充水流速,增大了閥門出口的節(jié)點(diǎn)壓力。并且,隨著充水水頭的減小和開閥時(shí)間的延長(zhǎng),由恒定摩阻模型確定的恒定的摩擦系數(shù)和由準(zhǔn)恒定和非恒定摩阻模型確定的變化的摩擦系數(shù)預(yù)測(cè)的充水瞬變流結(jié)果差異增大。為了解決現(xiàn)有具有大氣出流邊界的分支管道充水模型不能有效預(yù)測(cè)水柱分離現(xiàn)象的問(wèn)題,對(duì)一般分叉點(diǎn)能量方程引入速度頭項(xiàng),結(jié)合水柱分離模型,提出了一種具有大氣出流邊界的分支管道充水模型。通過(guò)對(duì)分支管道充水瞬變流分析發(fā)現(xiàn),隨著向上傾斜分支管線坡度的增加,水柱分離再?gòu)浐纤N減弱,隨著向下傾斜分支管線坡度的降低,水柱分離再?gòu)浐纤N增強(qiáng)。為了解決現(xiàn)有具有大氣出流邊界的分開再匯合管道充水模型不能有效預(yù)測(cè)水氣兩相相互作用的問(wèn)題,通過(guò)首次引入等質(zhì)量的氣體狀態(tài)方程,建立了一種具有大氣出流邊界的分開再匯合管道充水模型。通過(guò)對(duì)分開再匯合管道充水瞬變流分析發(fā)現(xiàn),隨著水庫(kù)距離和旁通管尺寸的增大,管內(nèi)不含氣時(shí)的壓力極值降低,隨著次干管長(zhǎng)度的增加,管內(nèi)含氣時(shí)的壓力極值增大�；谏鲜鼋⒌木哂写髿獬隽鬟吔绲姆种Ч艿莱渌Ｐ秃头珠_再匯合管道充水模型,提高了預(yù)測(cè)水柱分離現(xiàn)象的計(jì)算精度,擴(kuò)展了管道充水模型的適用范圍。針對(duì)現(xiàn)有管道充水模型缺乏有效淹沒(méi)出流邊界模塊的問(wèn)題,基于氣體孔口出流邊界方程,通過(guò)引入淹沒(méi)水深項(xiàng),提出了一種淹沒(méi)出流邊界的管道充水模型。該模型具體可等效為管內(nèi)氣體壓力低于淹沒(méi)水深的盲端邊界模型和管內(nèi)氣體壓力高于淹沒(méi)水深的淹沒(méi)出流邊界模型。通過(guò)對(duì)淹沒(méi)出流邊界的串聯(lián)管道充水瞬變流分析發(fā)現(xiàn),隨著下游水庫(kù)淹沒(méi)水深的增加,氣體出流速度降低,系統(tǒng)壓力極值增大。該模型填補(bǔ)了帶有淹沒(méi)出流邊界的管道充水模型的空白,揭示了實(shí)際工程中淹沒(méi)深度對(duì)管道充水瞬變流特性的影響規(guī)律。為了解決管道充水過(guò)程中求解空氣閥模型的牛頓迭代法可能存在虛假數(shù)值振蕩的問(wèn)題,通過(guò)對(duì)空氣閥內(nèi)氣體壓力的二次判斷,形成了求解空氣閥模型的改進(jìn)牛頓迭代法,結(jié)合直接求解法,確立了一種更為準(zhǔn)確的適用于管道充水過(guò)程中的空氣閥模型的求解方法。采用所確立的空氣閥模型求解方法,有效分析了空氣閥種類、口徑和流量系數(shù)對(duì)管道充水過(guò)程中發(fā)生的水柱分離現(xiàn)象的防護(hù)效果的影響。結(jié)果表明,具有小口徑和小排氣流量系數(shù)的進(jìn)氣微排閥水錘防護(hù)效果最佳。該求解方法提高了在管道充水過(guò)程中空氣閥模型的計(jì)算精度,有效預(yù)測(cè)了空氣閥的水錘防護(hù)效果。本文的研究成果為管道充水瞬變流的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提供了理論依據(jù),對(duì)保障管路輸水系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要工程意義。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TV134

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1279306