数值分析硕士研究生优秀论文--输水管道中含气水流瞬变特性试验研究及数值模拟

数值分析硕士研究生优秀论文--输水管道中含气水流瞬变特性试验研究及数值模拟

摘要：在输水过程中，由于泵停止、阀门突然关闭、堵塞、空气阀排气不良等原因，管道经常处于气水相流状态，两者之间的相互作用容易引起异常的瞬态压力波动，导致输水管道剧烈振动，造成泄漏、管道爆炸等事故，对输水管道的安全运行非常不利。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的瞬态特性。主要研究内容和结论如下：（1）建立了含气输水管瞬态流试验平台，工质水流20~30m3/h，气体流0~10L/min，通过快速关闭阀门引入瞬态流，研究了不同因素对管道各节点压力和流量的影响。结果表明，泄漏孔越小，泄漏位置越接近上游水库，管道各节点瞬态水击压力峰值越大，压力衰减至稳定时间越长；不同因素对入口流量的影响越大。（2）建立了安装空气罐的试验平台，探讨了空气罐对气体输送管道瞬态特性的影响。结果表明，空气罐不仅能有效降低瞬态水击压力，还能缓冲管道内压力的突然升高，使瞬态水击压力峰值在尖端更加平缓；空气罐对入口流量的衰减没有明显影响。（3）建立了基于非恒定摩擦阻力的含气水流瞬态流量数学模型，采用特征线法进行计算和解决，并对模型进行了试验和验证，分析了不同因素对阀门末端压力的影响。结果表明，含气量越低，初始流量越大，阀门末端瞬态水击压越大，初始流量和泄漏越小，周期变化不明显，泄漏位置越接近上游水库，管道节点压力变化曲线差越小，可根据压力和周期变化判断泄漏位置。

关键词：瞬变流;空气罐;管道泄漏;水锤防护;气水两相流;

摘要

Abstract

主要符号表

1 绪论

    1.1 研究背景及意义

    1.2 瞬变流概述及研究方法

        1.2.1 瞬变流概念及特点

        1.2.2 瞬变流研究方法

    1.3 国内外研究进展与现状

        1.3.1 国内研究进展与现状

        1.3.2 国外研究进展与现状

    1.4 水锤形成的原因及预防措施

        1.4.1 水锤的成因

        1.4.2 水锤的危害

        1.4.3 水锤的防护措施

    1.5 本文主要研究内容及技术路线

2 含气输水管道瞬变流特性试验研究

    2.1 试验原理

    2.2 试验系统及装置

        2.2.1 空气罐结构型式

        2.2.2 空气罐布置方案

        2.2.3 空气罐工作原理

    2.3 数据采集系统

    2.4 工况设计

    2.5 试验流程及注意事项

        2.5.1 试验流程

        2.5.2 注意事项

    2.6 本章小结

3 试验结果与分析

    3.1 泄漏水击试验

        3.1.1 不同因素对管道瞬变流动规律的影响

        3.1.2 不同因素对泄漏量的影响

    3.2 无泄漏水击试验

        3.2.1 初始流量对管道瞬变流动规律的影响

        3.2.2 初始含气率对管道瞬变流动规律的影响

    3.3 本章小结

4 含气水流瞬变流模型及计算方法

    4.1 引言

    4.2 含气输水管道瞬变流数学模型

        4.2.1 水流的连续性方程

        4.2.2 瞬变流波速

        4.2.3 水流的运动方程

        4.2.4 非恒定摩阻模型

    4.3 含气瞬变流模型计算方法及边界条件

        4.3.1 特征线法

        4.3.2 边界条件

    4.4 计算流程图

    4.5 本章小结

5 含气输水管道瞬变流计算结果

    5.1 模型验证

    5.2 含气输水管道瞬变流影响因素

        5.2.1 初始流量的影响

        5.2.2 含气率的影响

        5.2.3 泄漏位置的影响

        5.2.4 泄漏量的影响

        5.2.5 空气罐位置的影响

    5.3 本章小结

6 结论与展望

    6.1 结论

    6.2 展望

致谢

参考文献