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非恒定摩阻及阀门关闭规律对水锤波的影响

非恒定摩阻及阀门关闭规律对水锤波的影响

作者：张大帅西安理工大学

学位级别：硕士

水锤现象是有压管道运行中经常遇到的问题之一,其瞬间产生的压力波对管道安全运行产生的影响较大,甚至造成管道系统破裂损坏。因此,研究水锤发生过程中的压力传播变形规律,进而采取相应的防治措施保障有压管道系统的安全运行是该领域研... 详细信息

水锤现象是有压管道运行中经常遇到的问题之一,其瞬间产生的压力波对管道安全运行产生的影响较大,甚至造成管道系统破裂损坏。因此,研究水锤发生过程中的压力传播变形规律,进而采取相应的防治措施保障有压管道系统的安全运行是该领域研究的主要问题之一。近年来,随着传感器等相关技术的发展,及发动机在液体火箭的广泛应用,人们开始尝试对有压管道水锤过程进行精确控制,提高发动机的运行可靠性。由于水锤发生及传播过程复杂,受多种因素的影响。因此,研究水锤现象中各因素的影响,是实现对水锤精确控制的关键。基于此,本文重点从非恒定摩阻和阀门关闭规律两方面展开研究。本文基于运动方程和连续性方程,介绍了传统水锤计算模型。从提高计算精度的角度,讨论了不同处理摩阻积分项的方法;介绍了不同复杂边界条件对应的特征线方程;对传统水锤计算模型进行了验证,结果表明传统水锤计算模型能很好的计算出水锤波动过程的最大压力值及最小压力值等参数。对于精准的水锤压力瞬变流动过程的研究,本文引入更精确的非恒定摩阻模型。非恒定摩阻模型采用两种方法求解,一种是引入Brunone附加摩阻模型与传统特征线法相结合,建立相应模型的特征线方程,另一种为使用边界层理论和拉普拉斯变换法得到波动过程的解析解。对两种模型进行了验证,并定量分析了两种模型的模拟结果与实测压力值的吻合程度,结果表明非恒定摩阻不仅能预测水锤发生瞬间系统内部压力波动的峰值,更能准确的反应出水锤发生后水锤波衰减的过程和发生相位偏移现象;通过分析变换非恒定摩阻系尼值得到的模拟结果,发现非恒定摩阻系数对模拟水锤瞬变过程至关重要。将精确的非恒定摩阻模型应用于有压管道水锤过程的控制和优化。使用成熟的特征线法对多段线性关闭解析解进行验证,结果表明解析解结果不仅吻合度极高,而且实用性较广。使用两种方法对四种流量特性下阀门的关闭规律进行研究,总结了阀门关闭时间与最大压力值的关系,提出合理的阀门关闭时间;通过对解析解求极值,得到了管道末端压力最小值时所对应的速度变化及相应的关阀规律,达到对水锤瞬变过程主动控制的目的。

关键词：水锤特征线法非恒定摩阻解析解阀门控制

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考虑非恒定摩阻和空化的水击数值模拟

应用力学学报 2023年

作者：牛磊荆海晓李鹏峰李国栋贺翠玲西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室中国电建西北勘测设计研究院有限公司陕西省水生态环境工程技术研究中心

目前水利工程中常用的水击数值模型往往忽略负压引起的空化的影响，所用摩阻模型大多仍为恒定摩阻模型，即达西-魏斯巴赫公式。这导致模拟结果低估了水击的破坏能力。本文综合考虑4种非恒定摩阻模型和离散蒸汽空穴模型、离散气体空穴模... 详细信息

目前水利工程中常用的水击数值模型往往忽略负压引起的空化的影响，所用摩阻模型大多仍为恒定摩阻模型，即达西-魏斯巴赫公式。这导致模拟结果低估了水击的破坏能力。本文综合考虑4种非恒定摩阻模型和离散蒸汽空穴模型、离散气体空穴模型两种空化模型，采用特征线法建立了有压管道水击数值模型，通过与已有实验结果对比验证了所建立模型的模拟精度，进一步分析了模型主要参数对计算结果的影响。结果表明：离散气体空穴模型能够准确预测空化及其引起的弥合水锤现象，也可以准确预测由于空化产生的压力波相位滞后现象。离散蒸汽空穴模型对于严重的空化以及引起的弥合水锤现象预测精度低，对空化引起的压力波相位滞后预测精度不足。三种非恒定摩阻模型，Zielke模型、Vardy&Brown模型和Zarzycki模型，在本文测试的所有水流条件下均具有较高的精度，而Brunone非恒定摩阻模型对压力波波形的预测精度不足。当发生空化和弥合水锤现象时，非恒定摩阻对空化发生后压力波变化影响较小，四种非恒定摩阻模型均可用于有空化的水击模拟。

关键词：水击空化非恒定摩阻数值模拟

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考虑非恒定摩阻项的水击随机分析

水利水电科技进展 2008年第6期28卷 20-23页

作者：袁健胡明河海大学水利水电工程学院江苏南京210098

现有水击随机分析中均忽略摩阻项的影响,特别是摩阻项对水击压力波动过程模拟的影响。在研究水击发生条件和影响参数随机性的基础上,建立含非恒定摩阻项的水击随机数学模型。引入矩特征线法对水击过程进行数值模拟。计算结果表明,考虑... 详细信息

现有水击随机分析中均忽略摩阻项的影响,特别是摩阻项对水击压力波动过程模拟的影响。在研究水击发生条件和影响参数随机性的基础上,建立含非恒定摩阻项的水击随机数学模型。引入矩特征线法对水击过程进行数值模拟。计算结果表明,考虑非恒定摩阻项的水击随机模型不仅可计算最大水击压力,而且能模拟水击压力波动的衰减过程。

关键词：水击随机分析非恒定摩阻矩特征线法

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基于非恒定摩阻的管道泄漏数值模拟

水动力学研究与进展（A辑） 2018年第5期33卷 627-634页

作者：张巧玲常维宁杨振东李国栋李珊珊西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室陕西西安710048

输水管道的泄漏事故时有发生,而传统恒定摩阻模型无法精细描述泄漏时瞬变水击压力波的畸变和衰减过程,对管道泄漏检测非常不利。基于此,该文建立了考虑非恒定摩阻的管道瞬变流模型,对比了有无泄漏时非恒定摩阻对瞬变流动规律的影响,并... 详细信息

输水管道的泄漏事故时有发生,而传统恒定摩阻模型无法精细描述泄漏时瞬变水击压力波的畸变和衰减过程,对管道泄漏检测非常不利。基于此,该文建立了考虑非恒定摩阻的管道瞬变流模型,对比了有无泄漏时非恒定摩阻对瞬变流动规律的影响,并对不同泄漏量和不同泄漏位置时管道泄漏的流量、压力参数变化进行了研究,为瞬变泄漏检测提供了理论指导和支持。模拟结果表明,非恒定摩阻不仅会加快水击压力波的衰减,也会引起相位的改变;泄漏点的存在会引起压力信号产生畸变,且畸变程度随泄漏流量和泄漏位置的变化有所不同。

关键词：泄漏检测非恒定摩阻管道泄漏数值模拟瞬变流模型

基于非恒定摩阻的输水管道泄漏检测数值模拟及试验研究

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基于非恒定摩阻的输水管道泄漏检测数值模拟及试验研究

作者：常维宁西安理工大学

学位级别：硕士

由于管道本身的老化、人为操作等诸多原因,泄漏事故频有发生,如果不能及时地对泄漏进行辨识和定位,会造成资源浪费和经济损失,为了解决这类问题,管道的泄漏检测和定位技术应运而生。基于瞬变模型检测方法,对泄漏管道的瞬变流动规律进行... 详细信息

由于管道本身的老化、人为操作等诸多原因,泄漏事故频有发生,如果不能及时地对泄漏进行辨识和定位,会造成资源浪费和经济损失,为了解决这类问题,管道的泄漏检测和定位技术应运而生。基于瞬变模型检测方法,对泄漏管道的瞬变流动规律进行了模拟和试验研究,主要研究内容和结论如下:（1）在对泄漏管道的仿真模拟中,由于恒定摩阻模型无法精细描述泄漏时瞬变水击压力波的畸变和衰减过程,因此本文建立了考虑非恒定摩阻的管道瞬变流模型,采用特征线法对管道的泄漏瞬变过程进行了编程模拟,对比了有无泄漏时非恒定摩阻对管内水力参数变化规律的影响,并对泄漏管道在不同泄漏量和不同泄漏位置时进行了数值分析。模拟结果表明采用非恒定摩阻的模拟结果与试验数据更为吻合;泄漏点的存在会导致压力信号产生一个瞬间压降,且该压降位置和大小随泄漏流量和泄漏位置的变化而有所不同。（2）针对管道中带有弯头的情况,借助Flowmaster软件仿真模拟了直管、以及带90°、180°弯管的管道在不同工况时管内压力、流量变化情况。仿真结果显示,阀门关闭时间越短,管内的响应曲线变化越清晰,越有利于泄漏的检测;有弯头存在时,曲线幅值位置的突变会加剧;另外,阀门处压力曲线的瞬时突降位置与泄漏位置相关,而压降的大小与和泄漏孔径相关。（3）试验中采用快速关闭管道末端阀门的水击法,产生瞬变流,采集得到了无泄漏、不同泄漏位置和不同泄漏孔径时的管内压力响应曲线,分析得到了不同工况下的管道瞬变特性规律,为泄漏的检测和定位提供了试验支持。试验结果证实了:泄漏位置距离阀门越近、泄漏孔径越大,压力信号的衰减速度越快,其幅值快速下降。总的来说,泄漏对管道的影响主要体现在阀门处压力信号上,因此,可以根据管道末端阀门处的压力变化情况对泄漏进行判断。

关键词：泄漏检测非恒定摩阻瞬变流特征线法

特征线法及其变体在水轮机及引水系统非线性建模中的对比研究

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水利学报 2020年第4期51卷 448-457页

作者：刘冬张辉任刚丁萁琦陈上肖志怀武汉大学动力与机械学院湖北武汉430072 武汉大学水力机械过渡过程教育部重点实验室湖北武汉430072 中国长江电力股份有限公司溪洛渡水力发电厂云南永善657300

建立引水系统的水力变化模型是水电机组非线性建模和仿真中的重要内容,同时水力因素对水轮机调节系统过渡过程的影响也是研究机组和电网稳定性时需要系统性考虑的主要问题。本文提出了一种改进的特征线法,针对水轮机及引水系统建立了包... 详细信息

建立引水系统的水力变化模型是水电机组非线性建模和仿真中的重要内容,同时水力因素对水轮机调节系统过渡过程的影响也是研究机组和电网稳定性时需要系统性考虑的主要问题。本文提出了一种改进的特征线法,针对水轮机及引水系统建立了包含基本特征线法的联合非线性模型,以及包含可选水击模型的模块化非线性模型,以开展特征线法及其变体的对比研究,为今后水轮机调节系统的大小波动仿真提供一定的理论指导。在此基础上,以国内某大型水电站机组孤网运行模式为例,在频率和负载的大、小扰动作用下,研究了刚性和弹性水击、特征线法及其变体模型的仿真结果,分析了各模型计算的瞬时水头的差别,得出了不同模型参数的调节规律和影响效果。结果表明,在大小波动条件下不同引水系统模型对于机组水头变化趋势的描述基本一致,仅在局部极值附近的计算结果有所差别,且在大波动条件下较为明显,但可通过调整具体的模型参数减小这种差别。

关键词：特征线法重采样引水系统非恒定摩阻

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基于瞬变流和遗传算法的管道泄漏辨识

计算力学学报 2009年第5期26卷 664-669页

作者：郭新蕾杨开林中国水利水电科学研究院水力学研究所北京100038

输水系统管道的泄漏影响瞬变水击波波形的畸变和衰减特性,对泄漏的定位和定量是泄漏辨识研究的重要环节。考虑水力瞬变中非恒定摩阻的影响,将泄漏参数反映在建立的管道瞬变流时域数学模型中,给出离散网格和求解方法,分析不同泄漏参数对... 详细信息

输水系统管道的泄漏影响瞬变水击波波形的畸变和衰减特性,对泄漏的定位和定量是泄漏辨识研究的重要环节。考虑水力瞬变中非恒定摩阻的影响,将泄漏参数反映在建立的管道瞬变流时域数学模型中,给出离散网格和求解方法,分析不同泄漏参数对瞬变水击波的影响,用遗传算法结合瞬变流时域模型的特征线法最小化管道测点压力实测和计算响应值的均方误差来辨识泄漏参数,其中实测信号首先经过预滤波和小波去噪处理。通过模型试验对瞬变流数学模型和泄漏反问题分析模型作了率定和验证,结果表明此法能有效的辨识出小泄漏参数,并且检测信号主动,阀门扰动可操作性强。

关键词：瞬变流泄漏检测非恒定摩阻遗传算法反问题分析

基于MIAB摩阻模型的有压管道水锤数值模拟

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排灌机械工程学报 2023年第10期41卷 1037-1042页

作者：刘光吴国鸿吴如坤海军潜艇学院山东青岛266042 清华大学能源与动力工程系流体机械及工程研究所北京100084

为提高1D水锤模型对有压管道瞬变流预测精度,在传统1D恒定摩阻模型中引入额外的瞬时附加摩阻项,建立了改进的非恒定摩阻模型.利用2个模型分别对3种不同初始流速工况的水库-管道-阀门系统压力瞬变特性进行数值模拟,并对比了不同模型的预... 详细信息

为提高1D水锤模型对有压管道瞬变流预测精度,在传统1D恒定摩阻模型中引入额外的瞬时附加摩阻项,建立了改进的非恒定摩阻模型.利用2个模型分别对3种不同初始流速工况的水库-管道-阀门系统压力瞬变特性进行数值模拟,并对比了不同模型的预测精度.结果表明:恒定摩阻模型和非恒定摩阻模型的压力波在第1个周期内的压力变化预测值均与试验值较为接近.而在第1个压力波周期以后,二者在低流速工况预测的压力峰值与试验值误差分别为10.3%和4.7%,改进的非恒定摩阻模型预测精度大幅提高.对压力波传播特性的研究表明,压力波在系统内不同位置处的传播和反射特性存在明显不同:在1个水锤波周期内,压力波在水箱处受到压强差作用产生全负反射,而在阀门处由于微流段的速度变化为0,仅改变了方向.研究结果能够为有压管道的安全稳定运行和优化设计提供一定的参考.

关键词：压力管道瞬变流动非恒定摩阻快速关阀负反射

管道内水流冲击滞留气团的二阶Godunov数学模型

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水电能源科学 2021年第4期39卷 95-99页

作者：周领李文娟刘德有欧传奇河海大学水利水电学院江苏南京210098 国际小水电中心浙江杭州310002

长距离输水、城市供排水等工程管道系统中常存在水流冲击滞留气团的现象,极可能产生异常压力波动,严重时甚至发生爆管事故。对此,提出将一种准确高效的非恒定摩阻模型引入水流冲击滞留气团的计算中,建立了考虑非恒定摩阻的二阶Godunov模... 详细信息

长距离输水、城市供排水等工程管道系统中常存在水流冲击滞留气团的现象,极可能产生异常压力波动,严重时甚至发生爆管事故。对此,提出将一种准确高效的非恒定摩阻模型引入水流冲击滞留气团的计算中,建立了考虑非恒定摩阻的二阶Godunov模型;并采用"虚拟单元"处理上游入口边界及下游水气交界面,实现了边界通量和内部单元通量的统一计算,避免了以往分别计算两种通量的繁琐,以及追踪水气交界面时数值插值的复杂求解。将该模型计算结果与恒定摩阻模型计算结果及试验数据进行比较分析,结果表明考虑非恒定摩阻的二阶Godunov有限体积模型能准确预测瞬变过程中压力波动和能量衰减情况。

关键词：瞬变流滞留气团二阶Godunov格式非恒定摩阻虚拟单元水气交界面