输水管道中含气水流瞬变特性试验研究及数值模拟

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在输水过程中,由于停泵、阀门突然关闭、堵塞、空气阀排气不畅等原因,常使管道处于气水两相流状态,而两相间的相互作用极易引发异常的瞬态压力波动,导致输水管道的剧烈振动,从而引起泄漏、爆管等事故,对输水管道的安全运行十分不利。因此,本文采用试验研究与数值模拟相结合的方法研究了输水过程中含气水流瞬变特性。主要研究内容及结论如下:(1)搭建了含气输水管道瞬变流试验平台,工质水流量为20~30m3/h,气体流量为0~10L/min,通过快速关闭阀门的方式引入瞬变流,研究了不同因素对管道各节点压力、流量的影响。结果表明,泄漏孔越小、泄漏位置越靠近上游水库,管道各节点的瞬变水击压力峰值越大,压力衰减至稳定的时间越长;入口流量在不同因素的影响下均呈线性衰减。(2)搭建了加装空气罐的试验平台,探究了空气罐对含气输水管道瞬变特性的影响。结果表明,空气罐不仅能有效降低瞬变水击压强,而且还对管内压力的突升有缓冲作用,使得瞬变水击压力峰值在尖点处更为平缓;空气罐对入口流量的衰减并无明显影响。(3)构建了基于非恒定摩阻的含气水流瞬变流数学模型,采用特征线法进行计算求解,并对模型进行了试验验证,分析了不同因素对阀门末端压力的影响。结果表明,含气率越低、初始流速越大,阀门末端的瞬变水击压强越大;较小的初始流量及泄漏量,并不会引起周期的明显变化;泄漏位置越靠近上游水库,管道各节点的压力变化曲线差异越小,因此可根据压力以及周期变化判断泄漏量及泄漏位置。
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