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冷凝水管道气液两相瞬变流压力动态响应研究

冷凝水管道气液两相瞬变流压力动态响应研究

作者：韩旭哈尔滨商业大学

学位级别：硕士

冷凝水管道的安全输送是维持管道系统正常运行的基本保障,但气液两相瞬变流的存在直接威胁着冷凝水管道的安全性。因此,有必要研究冷凝水管道气液两相瞬变流流动问题。由于新型材料的兴起,粘弹性管道逐渐进入人们的视野,而针对粘弹性管... 详细信息

冷凝水管道的安全输送是维持管道系统正常运行的基本保障,但气液两相瞬变流的存在直接威胁着冷凝水管道的安全性。因此,有必要研究冷凝水管道气液两相瞬变流流动问题。由于新型材料的兴起,粘弹性管道逐渐进入人们的视野,而针对粘弹性管道的气液两相瞬变流研究仍需进一步探索。为解决粘弹性管道气液两相瞬变流流动问题,本文进行了如下研究,并为今后的相关研究提供参考:首先,研究气液两相瞬变流理论。介绍气液两相流的重要参数,引出流型概念并介绍流型的划分方法,根据两种划分依据将流型进行分类,并介绍各种流型的特点,讨论影响流型的因素;给出粘弹性管道气液两相瞬变流的基本方程;考虑到非稳态摩阻和粘弹性效应对瞬变流基本方程的影响,分别给出非稳态摩阻模型和基于粘弹性效应的数学模型;另外,基于离散蒸汽空腔模型(DVCM)和离散气体空腔模型(DGCM)分别给出气液两相瞬变流波速的数学模型。其次,通过在不同水锤工况以及在不同管材条件下进行实验研究。利用弹性管道(钢管)瞬变流模拟实验台,分别进行水泵及水箱两种压力供给条件下的模拟实验;利用气动电磁阀,分别布置在实验管段的前端和末端,实现上、下游不同工况的激励;调节球阀的不同开度模拟不同流量下的工况;设计并搭建局部实验管段,通过替换不同粘弹性管材进行瞬变流实验,即无规共聚聚丙烯管(PP-R)、硬聚氯乙稀管(U-PVC)以及聚乙烯塑料管(PE)。结果显示:前端关阀相比末端关阀所产生的水锤波压力更高;弹性管道发生水锤时产生的压力波比粘弹性管道高,粘弹性管道对于水锤压力波的能量吸收效果较好;前端关阀和末端关阀时,粘弹性管道的压力波传播过程延迟于弹性管道的传播;PP-R管和PE管的粘弹性效应强于U-PVC管。最后,利用OLGA软件对粘弹性管道气液两相瞬变流进行数值模拟。首先,介绍OLGA软件和PVTsim软件的模块功能;根据弹性管道与粘弹性管道瞬变流实验数据,利用OLGA软件建立模型,给定基础参数,对应实验工况模拟管道模型水锤工况,得到压力变化,对比弹性管道与粘弹性管道的压力变化区别,研究粘弹性管道的压力动态响应。结果显示:相同工况相同管径下,弹性管道的压力动态响应时间先于粘弹性管道;U-PVC管的压力动态响应特性较接近钢管的压力动态响应特性,PP-R管和PE管的压力动态响应特性相似;前端关阀比末端关阀所表现的粘弹性效应更显著;相同工况不同温度时,无论是弹性管道还是粘弹性管道,当温度升高,管道发生水锤的反应时间延迟。在此基础上,提出了更换粘弹性管材;利用OLGA软件择优管材以及管道尺寸;利用OLGA软件模拟不同环境温度;避免事故工况的发生;降低含气率等防护措施,以避免或减少冷凝水管道气液两相瞬变流所导致的危害。

关键词：冷凝水管道气液两相瞬变流弹性管道粘弹性管道压力动态响应

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黏弹性管道中气液两相瞬变流实验及模型

哈尔滨工业大学学报 2018年第2期50卷 89-93,172页

作者：朱炎吴晨光袁一星石振锋哈尔滨工业大学市政环境工程学院哈尔滨150090 哈尔滨工业大学数学系哈尔滨150001

为了给管道安全设计提供建议,以及使基于瞬变流理论的管道故障检测技术在黏弹性输水管道中得以应用,对黏弹性管道中气液两相瞬变流进行研究.首先,在重力流有机玻璃管道中进行快关阀气液两相瞬变流实验.其次,以离散蒸汽空腔模型(DVCM)和... 详细信息

为了给管道安全设计提供建议,以及使基于瞬变流理论的管道故障检测技术在黏弹性输水管道中得以应用,对黏弹性管道中气液两相瞬变流进行研究.首先,在重力流有机玻璃管道中进行快关阀气液两相瞬变流实验.其次,以离散蒸汽空腔模型(DVCM)和离散气体空腔模型(DGCM)为基础,用体积含气率对瞬变流波速进行修正,建立两个将非稳定摩阻和管壁黏弹性影响考虑在内的一维气液两相瞬变流模型.实验和模型结果表明:在初始流型为泡状流的低压系统中,DVCM能准确模拟实验波速,而DGCM求得的平均波速值比实验波速大.在模拟初始流型为泡状流的瞬变流时,DVCM模拟结果与实验值吻合得很好,而DGCM模拟结果的最大峰值更大,对管道设计来讲更为安全;在气液两相瞬变流过程中,气体的可压缩性使得管壁的黏弹性效应对压力的衰减作用大为削弱,导致非稳定摩阻的影响不可忽略,且由于气体存在使得整个瞬变流过程中压力衰减变慢.

关键词：气液两相瞬变流非稳定摩阻黏弹性离散蒸汽空腔模型离散气体空腔模型

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有压输水管道系统气液两相瞬变流研究综述

河海大学学报（自然科学版） 2002年第6期30卷 21-25页

作者：郑源刘德有张健索丽生河海大学水利水电工程学院江苏南京210098

综述一个多世纪以来,有压输水管道系统中有关气体释放、空穴流及液柱分离、计算分析方法、水锤防护及实验研究等方面的主要研究进展,并提出还需对气液两相瞬变流基本理论、空气进排气阀的特性、截留气团的动态特性和动力特性、实际工程... 详细信息

综述一个多世纪以来,有压输水管道系统中有关气体释放、空穴流及液柱分离、计算分析方法、水锤防护及实验研究等方面的主要研究进展,并提出还需对气液两相瞬变流基本理论、空气进排气阀的特性、截留气团的动态特性和动力特性、实际工程优化设计理论等诸多方面进一步研究.

关键词：有压输水管道系统液柱分离气液两相瞬变流水锤综述

有压管道水流冲击气团的局部三维流场数值模拟研究

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有压管道水流冲击气团的局部三维流场数值模拟研究

作者：喻宇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着经济的快速发展,城市内部或周边的水资源不能满足日益增长的用水需求。这时,人们不得不往更远的地方寻找水源,并且在水源和城市间建立长距离输水工程。在这类工程中,由于地形复杂,起伏不平,管道长达几公里甚至几十公里,在驼峰处、... 详细信息

随着经济的快速发展,城市内部或周边的水资源不能满足日益增长的用水需求。这时,人们不得不往更远的地方寻找水源,并且在水源和城市间建立长距离输水工程。在这类工程中,由于地形复杂,起伏不平,管道长达几公里甚至几十公里,在驼峰处、封闭端及阀门处很容易积聚空气,形成大体积气团。若没有足够的排气阀或安装位置不对,将导致管道中的空气不能及时排出。此种情况下突然启动水泵或打开有压输水管道中的阀门,就会产生压力水流冲击气团现象,在气团附近可能会引发异常压力,这种气液两相瞬变流现象所产生的压力将远大于一般水锤压力,是导致爆管的主要因素之一。当管道中存在多个气团时,水锤波叠加产生更大的水锤压力,使爆管事故更易发生。因此,研究此类气液两相瞬变流具有重要的理论意义和实用价值。本文利用气液两相流理论和计算流体动力学基本原理,建立了关于有压管道水流冲击气团现象的物理模型,采用VOF模型(Volume of Fluid Model)对水流冲击气团的局部流场进行数值模拟,得到了局部流场变化规律。通过对不同管径,不同长度,数十种工况的局部流场模拟分析表明:当模型中的管段长度为10m时,水流冲击气团产生的峰值压力趋于稳定,为设定局部流场的管道长度提供了依据。借助于VOF模型的界面跟踪技术,模拟研究得到了不同管径、不同气团个数和不同维数之间的局部流场变化规律,结果表明气团在压缩与膨胀过程中伴随着分解和破裂,导致异常压力的发生;当管道中含有多个气团时,气团之间会相互影响,使局部流场震荡严重。本文推导了气体多变过程方程,通过模拟分析和计算,将气体的多变过程分为四个子过程,分别为:加速压缩过程、减速压缩过程、加速膨胀过程和减速膨胀过程,气团压力在前两个子过程中不断升高,在减速压缩过程结束时达到峰值,随后不断下降直到另一个加速压缩过程开始。此外,将论文研究方法应用于一个实际算例中,通过对长距离输水管道充水阶段和事故停泵两种情况下的局部流场模拟,得到了局部流场变化规律,为长距离输水工程的优化设计及安全运行提供了参考依据。

关键词： VOF模型有压管道水流冲击气团局部流场气液两相瞬变流

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长距离泵输水系统水锤分析与防护研究

长距离泵输水系统水锤分析与防护研究

作者：杨宝奎西安理工大学

学位级别：硕士

由于我国工业的迅速发展、人民生活水平的提高和城镇化进程的加快,城市的需水量增加很快,就近取水已远远不能满足人民生活和生产的需要,加之我国水资源时空分布又极不均匀,由此带来的水资源供需矛盾日益加剧,很大程度上制约了社会经济... 详细信息

由于我国工业的迅速发展、人民生活水平的提高和城镇化进程的加快,城市的需水量增加很快,就近取水已远远不能满足人民生活和生产的需要,加之我国水资源时空分布又极不均匀,由此带来的水资源供需矛盾日益加剧,很大程度上制约了社会经济的发展和人民生活水平的提高。为满足用水需求,确保供水,以南水北调工程为显著标志的跨流域调水、远距离输水工程越来越多,其管线往往受多种因素的影响,将呈现出起伏变化复杂的显著特点。当系统发生水锤事故时,在管道的局部位置,会因水锤降压的影响而出现吸气、气体释放、液体汽化乃至水柱分离现象;当水锤升压时,又可能会造成升压很高的断流弥合水锤,这些现象将使整个输水系统无法安全运行。因此,对泵输水系统水锤进行正确的分析,对其过渡过程进行准确的预测,从而合理地选择防护措施,是优化工程设计、确保工程安全运行的关键,对于保障生活生产用水及社会经济的发展,具有非常重要的意义。本文的主要内容如下:(1)阐述论文的研究目的意义,输水系统水锤现象的发生机理、分类、研究理论及分析计算方法,简述水锤研究的现状。(2)总结并给出目前国内外常用的主要水锤波速计算方法。论述水锤的基本微分方程及特征线计算方法,运用特征线法建立简单管路系统与复杂管路系统中常见的边界条件,包括(上、下游)水库、(正常运行工况)水泵、(管道中、末端)阀门、串联管系与分叉管系。(3)简述水锤计算中常用的压力管道分段方法,对调整波速法进行研究,提出了改进的调整波速法。(4)建立水泵机组事故停机边界条件,包括单泵、串联泵、并联泵、带旁通管泵组,并进行数值计算。(5)简述水力瞬变过程中空穴的成因及其流态特征,建立计算气液两相瞬变流的主要数学模型。(6)论述长距离泵输水系统常用的水锤防护措施及其装置构成、防护机理、设计要点、特性等。建立相应的边界条件,包括简单调压塔、单向调压塔、空气阀、两阶段可控蝶阀。阐述管道进排气设计及空气阀存在的问题。(7)通过编制的计算机程序,对陕西榆林某电厂供水工程进行水锤分析计算,并提出合理的防护措施。

关键词：长距离输水系统水锤防护气液两相瞬变流水柱分离阀控制空气阀

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水电站长输水道管流气泡动力特性研究

水利学报 1998年第11期29卷 6-16页

作者：杨开林董兴林中国水利水电科学研究院水力学所

本文以水电站瞬变过程中调压室漏空压力钢管中的气液两相流作为研究对象，在模型实验的基础上，探讨了气泡对管道水压变化的影响及其数学描述．由流动的连续性，导出了瞬变过程中计算调压室进气流量的公式；引入了气团质点的新概念，将... 详细信息

本文以水电站瞬变过程中调压室漏空压力钢管中的气液两相流作为研究对象，在模型实验的基础上，探讨了气泡对管道水压变化的影响及其数学描述．由流动的连续性，导出了瞬变过程中计算调压室进气流量的公式；引入了气团质点的新概念，将每一时间步长内进入压力管道的空气视为一个质点；发展了用拉格朗日研究固体质点运动的方法研究气团质点在管道中运动的原理和方法；研究了采用Ｗｙｌｉｅ的自由气体———离散模型计算瞬变压力变化过程．数值计算和模型实验数据的对比表明，本文所发展的数学模型能够较好地描述调压室漏空压力钢管中气液两相流的压力变化过程．

关键词：气液两相瞬变流水电站压力铜管动力特性