长距离高落差重力流输水管道水力特性研究

摘要

近年来，随着我国城镇化进程的加快，山区的城镇建设得到了迅速发展，而作为生命线工程之一的供水工程发展却相对滞后。由于山区地形具有高差起伏大，坡势陡，平坦地势少等特殊地形条件，山区城市的输水系统也因此多为长距离高落差重力流输水系统。然而，由于距离长，地形高差大，输水管道内水力条件复杂等因素，系统在重力作用下向城镇输水，一方面在地势较低处的管道节点压力过大，引起管道爆裂;另一方面，当管道阀门突然关闭时，水流速度快速变化，管道内压力产生大幅度波动，引发水锤事故，导致管道爆裂，输水管道爆裂对山区城镇的供水安全构成严重威胁。因此，研究长距离高落差重力流输水管道的水力特性，提出控制其水锤压力的措施，对确保山区城镇的供水安全具有重要的理论指导和实际工程意义。
　　首先，根据现场调研和已有文献资料对长距离高落差重力流输水的宏观水力特性进行了归纳和总结，在此基础上运用恒定流、瞬变流和气泡运动理论等流体力学理论建立了水锤压力计算模型。并利用该水锤压力计算模型编写Matlab程序进行数值计算，分析了距离和高差对重力流输水管道稳态和瞬态条件下的水力特性影响，数值计算结果表明:①管线高程的低谷点在稳态运行时的压力较高，凸起点易有气泡聚集可导致流量减小或管线断流;②当管线长度增加时，管线末端阀门处的最大压力呈先增大后减小的趋势，长度增加引起的沿程水头损失增加是最大压力减小的主要原因;③当管线高度逐渐增加时，管道末端阀门处的最大压力逐渐增大，其稳态压力在高差的基础上变化较小;④当高差及长度以线性相关关系同时增加时，管线长度和高差对阀门处的最大压力有削减和增加的复合作用，但总体上，阀门处的最大压力随管线高度和长度增加而逐渐增大;⑤当管道中含有气体时，计算中应考虑含气水锤对水力特性的影响，若发生含气瞬变，关阀引起的最大压力可发生在管线任意节点。
　　其次，在长距离高落差重力流输水管道水力特性研究基础上对其水锤压力防护措施进行了研究，分析了长距离高落差重力流水锤的起因以及其压力变化特点，阐述了空气阀、两阶段液控蝶阀、双向调压塔和超压泄压阀等防护设备的调压原理。最后，分别采用不同防护方案对甘孜州某县输水工程、内蒙古某县级市输水工程进行防护计算，结果表明:甘孜州某县输水工程在管线指定位置安装双动式空气阀、超压泄压阀、液控蝶阀及普通双向调压塔的方案能达到水锤防护目标要求;内蒙古某县级市输水工程在管线指定位置安装缓闭式空气阀，液控蝶阀，箱式双向调压塔的方案能达到水锤防护目标要求。
　　综上所述，本项目提出了水锤压力的理论计算模型和数值计算建模方法，研究了山区城镇长距离高落差重力输水管道的水力特性随长度与落差的变化规律，并对水锤压力防护设备的调压原理进行了理论分析，最后结合工程实践进行了验证。其研究成果对山区城镇长距离高落差重力输水管道的供水安全具有一定的理论指导和实际工程参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究历史及现状

1．3 本文研究的主要内容

1．4 本文的研究方法和技术路线

第2章 重力流输水管道水力特性基本理论

2．1 恒定流基本理论

2．2 瞬变流基本理论

2．3 瞬变流计算的特征线法

2．4 瞬变流基本边界条件

2．4．1 管道上游为恒定液面

2．4．2 管道下游端为阀门

2．4．3 管路中的阀门

2．4．4 管路中的串联管道

2．5 弹性水锤波速理论

2．6 本章小节

第3章 重力流输水管道气体运动理论

3．1 有压管道内气泡的形成

3．1．1 管道中的自由气体

3．1．2 管道中自由气体的析出

3．2 有压输水管道中的液柱分离

3．2．1 无气体释放的液柱分离

3．2．2 气液混合的液柱分离

3．3 气液两相流流态及其运动规律

3．3．1 水平管道中的流态及其相互转化

3．3．2 竖直管道中的流态及特点

3．4 有压管道气液两相流的计算模型

3．4．1 气泡均匀分布模型

3．4．2 气泡离散分布模型

3．5 本章小节

第4章 距离及高差对重力流水力特性影响分析

4．1 管线长度和高差对输水特性影响分析

4．1．1 管线长度增加(高差基本不变)

4．1．2 高差增加(管长基本不变)

4．1．3 管长和高差同时增加

4．2 重力流输水实例分析

4．2．1 工程概况

4．2．2 水力特性分析

4．3 本章小节

第5章 长距离高落差重力流输水管道水锤防护

5．1 瞬变流(水锤)产生原因和特点分析

5．1．1 重力流管道瞬变流起因

5．1．2 重力流管道瞬变压力特点

5．2 长距离高落差重力流输水管道中的水锤

5．3 长距离高落差重力流水锤防护计算目标和内容

5．3．1 水锤防护计算目标

5．3．2 水锤防护计算的内容

5．4 水锤防护设备及其边界条件

5．4．1 空气阀

5．4．2 两阶段液控蝶阀

5．4．3 超压泄压阀

5．4．4 双向调压塔

5．5 本章小节

第6章 长距离高落差重力输水工程防护实例

6．1 甘孜州供水工程

6．1．1 基本工程情况

6．1．2 水锤防护方案比选

6．2 内蒙古某县级市供水工程

6．2．1 基本工程情况

6．2．2 水锤防护方案比选

6．3 本章小节

结论及展望

结论

展望

致谢

参考文献