大高差长距离重力输水管道水锤防护技术研究

摘要

进入新世纪以来,随着社会经济的不断发展、城市规模也随之不断扩大,城市对水的需求量越来越大;但是全国大部分城市区域内地表水污染、地下水位下,降导致城市缺水日益严重,为了解决人口增长和城市发展对用水量需要,长距离输水项目成为了一项城市生命线的民生工程,已成为解决城市缺水问题的重要措施。随着时间的推移,输水工程越来越复杂,输水量越来越大、输水距离越来越长,例如国内已建成或在建设中的东深供水工程、引滦入津工程、黄河万家寨、引黄济青工程、西安黑河引水工程、南水北调东线工程等,国外的美国高平原输水项目、原苏联列宁卡拉库姆运河、澳大利亚雪山工程等,以及计划设想中的西安引汉济渭工程、南水北调西线中线工程、甘肃白龙江引水工程、中俄之间的贝加尔湖引水工程等。然而长距离输水工程受到多种多样因素的影响,为满足用水要求,大部分长距离输水工程要跨流域调水,地形起伏变化大,因此也极易发生输水事故。当发生水锤事故时,输水管道的水锤压力下降时,管道局部位置可能出现吸入气体、气体释放、液体汽化以致水柱分离现象;当水锤压力升高时,也可能会发生升压很高的断流弥合水锤现象,管道内的水锤事故使输水系统无法正常平稳运行,极有可能发生输水管道爆裂事故,对于长距离输水工程产生的爆管事故会造成更为巨大的社会经济损失,影响区域内用水安全和社会经济持续稳定发展。为了降低输水成本,在长距离输水工程中,当地形条件允许时,采用重力流输水的工程越来越多。所以大高差长距离重力输水管道水锤防护技术研究也成为最新的输水管道系统研究的重要课题。
　　本文章全面地叙述了国内外水锤问题的研究概况,用数值计算水锤的基本原理和电算方法对重力流水锤防护技术进行分析,并对管道中气囊运动的升压问题、危害以及管道排气做简要说明,通过对输水管道各个状态下的水力过渡条件进行分析,建立起重力流系统中多个边界条件下水锤数学模型,列举出了大高差长距离重力输水管道中水锤防护边界条件。通过三个不同类型的大高差长距离重力输水工程实例计算分析,总结了大高差长距离重力输水管道水锤防护的有效措施。
　　本文采用阿图什市工业园区供水工程、陕西省杨凌供水工程、“引石入白”供水工程为实例,分别进行了多种组合方案下的水锤模拟计算,利用C++语言编写的程序代码,进行计算机运行得到的结果,输出结果用Excel表格可视化的表示出来,根据各种方案下的水锤压力分析计算结果及阀门控制时间,论证对整个输水管道的水锤发生情况,综合提出合理的水锤防护关阀开阀控制时间、进气排气阀设置的建议、管道水锤防护设备位置及参数等,得出了工程最终总结建议。对三个实际工程的安全稳定运行有着实际指导作用,也对以后建设类似工程条件下的其它大高差长距离重力输水管道的水锤的防护研究有着一定的参考价值。

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第一章 绪论

1.1水锤课题研究的背景和目的

1.2论文主要研究的内容及目的

1.3水锤现象简述

1.4国内外水锤研究进展

第二章 水锤计算方法

2.1水锤计算方法的进展

2.2水锤波的传播速度计算

2.3水锤基本方程式

2.4特征线微分方程

2.5水锤基本求解方法

第三章 输水管道中的气囊运动现象

3.1有压输水管道气水两相流的流态

3.2六种流态的产生和转化过程

3.3输水管道内气体来源和危害分析

第四章 重力流输水系统水锤防护的研究分析

4.1重力流输水的分类及特点

4.2大高差长距离重力流输水管道中压力特点

4.3大高差长距离重力流输水富余能量的消减

4.4大高差长距离重力流输水中产生的主要水锤

4.5大高差长距离重力流管道水锤防护措施

4.6重力流管道输水水锤防护的边界条件

第五章 大高差长距离重力输水工程实例

5.1阿图什市工业园区供水工程

5.2陕西省杨凌供水工程

5.3白水县“引石入白”供水工程

结论与建议

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢