任鵬宇

摘要：本文介紹了水錘的基本概念和水錘波速對(duì)其的重大影響。在此基礎(chǔ)上著重對(duì)管內(nèi)含氣對(duì)波速的影響，從理論上進(jìn)行分析。并以新疆某產(chǎn)業(yè)園區(qū)特定管段揚(yáng)水工程為例，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，研究在相同工況下管內(nèi)不同含氣狀態(tài)造成水錘波速存在差異時(shí)，其對(duì)水錘升壓的影響。

關(guān)鍵詞：水錘；含氣狀態(tài)；水錘波速

一、水錘的基本概念及危害

在壓力管道中，由于某些外界因素導(dǎo)致流速的急劇變化，造成動(dòng)量轉(zhuǎn)換引起的管路中水錘壓力驟然升高或降低。水錘的發(fā)生可使管道中壓強(qiáng)達(dá)到正常壓強(qiáng)的幾倍甚至幾十倍，會(huì)引起管道劇烈振動(dòng)，使管道接頭或閥門(mén)破裂，造成嚴(yán)重的氣爆水錘，甚至直接威脅到相關(guān)工作人員的人身安全。

水錘波速的大小是水錘重要的影響因素，而管內(nèi)水體的含氣狀態(tài)對(duì)水錘波速有重要的影響，對(duì)此問(wèn)題的研究對(duì)于水錘的計(jì)算和防護(hù)有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

斷流彌合水錘最大升壓可按直接水錘計(jì)算公式，即ΔH=，可知在管路系統(tǒng)的流速變化在保持一致的情況下，水錘波速越大，升壓值就會(huì)越大。

二、管道中含氣對(duì)水錘波速的影響及計(jì)算公式

2.1管道中存氣原因及氣液兩相流的基本流態(tài)

長(zhǎng)距離輸水管路存氣原因：（1）在充水過(guò)程中進(jìn)氣；（2）在充水過(guò)程已排盡氣體，但在系統(tǒng)運(yùn)行中由于某些原因使得外界氣體滲入管道，或有壓管路輸水過(guò)程中，如發(fā)生管道破裂、快速啟閉閘閥等造成水壓驟降，導(dǎo)致水中的溶解氣體釋放出來(lái)成為自由氣泡，或是水汽化成為蒸汽泡。這些氣泡的產(chǎn)生增加了水的可壓縮性，能顯著減小水錘波速。當(dāng)管路中氣泡破裂時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致較大的斷流彌合水錘，極大的改變了水力瞬變過(guò)程的特性。

2.1.1輸水管道中氣液兩相流的基本流態(tài)形式及相互轉(zhuǎn)化

地勢(shì)起伏不大地區(qū)的輸水管道中一般呈現(xiàn)層狀流、波狀流、段塞流、氣團(tuán)流、泡沫流和環(huán)狀流六種氣液兩相流狀態(tài)。前四種流態(tài)形式分別出現(xiàn)在管道充水的前期、中期、后期；而泡沫流和環(huán)狀流則在某些特殊工況時(shí)出現(xiàn)。受不同因素的影響，不同的流態(tài)之間不斷進(jìn)行著相互轉(zhuǎn)化。水的流態(tài)形式，是在長(zhǎng)距離輸水工程中選擇水錘防護(hù)設(shè)備重要的考慮因素之一。

2.2 管道含氣對(duì)水錘波速的影響

水體中的固體雜質(zhì)對(duì)水錘波速影響可忽略不計(jì)。然而輸水管道中即使只含有微量的氣體，也會(huì)對(duì)水錘波速造成很大影響。管內(nèi)攜帶的非溶解氣體及水體所溶解氣體所具有的壓縮性釋放能夠使得此時(shí)的水錘波速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理想水體（指不含雜質(zhì)和氣泡）的波速。

管道含氣時(shí)，水錘實(shí)際上是氣液兩相流的瞬變過(guò)程。管內(nèi)以水體為主，氣體含量很小，故一些次要因素可在研究中忽略。水錘波速隨著溫度每5℃改變1%，由于流體內(nèi)含有不溶性氣體其可壓縮性顯著提高，而水錘波速的降低值也隨氣體含量的不同而不同，其最大降幅可達(dá)原波速的75%。

2.2.1 水體內(nèi)分布細(xì)微氣泡時(shí)的水錘波速公式

當(dāng)有壓管道中含有大量微小氣泡但并未產(chǎn)生較大的空穴時(shí)，這時(shí)的流體是不間斷的連續(xù)相，而氣體則以各自獨(dú)立氣泡的形式廣泛分布其中，其直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管徑，不會(huì)隔斷管道橫截面。水錘波速因壓力的變化而變化。

此時(shí)的管道含氣量對(duì)水錘波速的影響公式為：

（2.1）

可知水錘波波速隨著壓力的不同，而不斷發(fā)生變化。由于隨時(shí)間及所處斷面的不同，管內(nèi)壓力不斷發(fā)生變化，因此水錘波速是時(shí)間與所處位置的函數(shù)，此為含氣水錘的重要特征之一。管道即使只含有很少的氣泡，就會(huì)使水錘波速降到空氣中聲速以下。

2.2.2 管內(nèi)氣泡形成較大空腔時(shí)的水錘波速公式

由于管道內(nèi)汽泡的聚集、碰撞使空穴體積變大，當(dāng)蒸汽腔體發(fā)展到充滿(mǎn)整個(gè)管道截面時(shí)造成液體的分割。其特征是有一明顯的汽液分界面，在界面上有液體汽化和蒸汽凝結(jié)現(xiàn)象發(fā)生，其流態(tài)類(lèi)似于氣液兩相流中塞狀流。

我們用三特征線(xiàn)法來(lái)描述此種形態(tài)下的水錘波速公式。該方法同樣將氣液兩相流視為均質(zhì)單相混合體，忽略氣液兩相間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但考慮相間質(zhì)量交換，因此分成氣液兩相分別列出質(zhì)量方程，并且忽略?xún)上嚅g存在的動(dòng)量交換，動(dòng)量方程以混合體表征，得到三條特征線(xiàn)的方程組：

（2.2）

（2.3）

式（2.2）表征氣相壓力波沿特征線(xiàn)的傳播規(guī)律；式（2.3）表征液相正向和反向壓力波沿相應(yīng)特征線(xiàn)的傳播規(guī)律。這些規(guī)律即指沿相應(yīng)特征線(xiàn)上諸水力參數(shù)（、p、V）必須滿(mǎn)足的特征方程。

三、 新疆某產(chǎn)業(yè)園區(qū)三泵站揚(yáng)水工程實(shí)例

3.1 工程概況

現(xiàn)以新疆某產(chǎn)業(yè)園區(qū)三泵站水錘計(jì)算來(lái)對(duì)不同含氣狀態(tài)下波速的改變對(duì)水錘升壓的影響進(jìn)行分析。該輸水工程采用單管輸水，設(shè)計(jì)流量1.76m3/s，管徑DN1400，管材為k9級(jí)球墨鑄鐵管，承壓值為2.8Mpa。本文討論管段的進(jìn)水池最低水位為649.5m，最高水位651.3m，泵安裝高程為647.9m。

根據(jù)理論計(jì)算并結(jié)合、波速的各種影響因素和工程實(shí)際，球墨鑄鐵管理論波速取=1000m/s。長(zhǎng)距離輸水工程實(shí)際中當(dāng)水錘波速分別為500m/s、800m/s、1000m/s時(shí)，水錘相分別為49.6s、31s、24.8s。

3.2方案：指定樁號(hào)處安裝緩沖排氣閥和箱式雙向調(diào)壓塔

在指定樁號(hào)處安裝緩沖排氣閥，在樁號(hào)50850處安裝箱式雙向調(diào)壓塔。緩沖排氣閥閉合流速為0.3m/s，水泵出口緩閉止回閥快關(guān)角度60度，快關(guān)5s，總關(guān)為120s。

1.含氣狀態(tài)A時(shí)，管內(nèi)幾乎充滿(mǎn)水，故忽略氣體對(duì)波速的影響，取水錘波速為1000m/s。在安裝緩沖排氣閥和箱式雙向調(diào)壓塔后，部分管段有斷流發(fā)生。

2.含氣狀態(tài)B時(shí)，水流中出現(xiàn)大量氣泡，水錘波速下降為800m/s。此種工況下的水錘升壓較含氣狀態(tài)A時(shí)有一定降低，管道全線(xiàn)升壓已在承壓值以?xún)?nèi)，基本無(wú)斷流，可以保證輸水工程安全平穩(wěn)運(yùn)行。

3.含氣狀態(tài)C時(shí)，含氣量進(jìn)一步加大，水流中出現(xiàn)大的空穴，此時(shí)水錘波速大幅下降為500m/s。水錘升壓較含氣狀態(tài)A、B時(shí)進(jìn)一步降低，只在管段起端壓力相對(duì)較高。

3.3分析總結(jié)

由表3.1可知，含氣狀態(tài)A時(shí)，波速為1000m/s，61.90%的管段升壓值都集中在80m～100m范圍內(nèi)；含氣狀態(tài)B時(shí)，波速為800m/s，74.60%的管段升壓值都集中在60m～80m范圍內(nèi)；含氣狀態(tài)C時(shí)，波速為500m/s，84.13%的管段升壓值都集中在40m～60m范圍內(nèi)，整體水錘壓力與狀態(tài)A、B比較有明顯降低。

四、結(jié)論與建議

（1）長(zhǎng)距離輸水管路的水錘波速，當(dāng)含氣量在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，水錘波速呈明顯下降趨勢(shì)，但當(dāng)摻氣量持續(xù)增大時(shí)，波速將不再下降甚至將呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在不同含氣狀態(tài)導(dǎo)致波速改變的情況下，波速與升壓值之間沒(méi)有明顯的規(guī)律進(jìn)行描述，其最大升壓值出現(xiàn)的位置各不相同，因此對(duì)同一管道的相同工況，當(dāng)其含氣狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，在進(jìn)行水錘防護(hù)計(jì)算時(shí)不可簡(jiǎn)單進(jìn)行類(lèi)比，而應(yīng)該重新進(jìn)行分析計(jì)算；

（2）水力過(guò)渡過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，如何對(duì)這個(gè)過(guò)程進(jìn)行更為準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模擬，是水錘計(jì)算軟件研發(fā)今后面臨的重大課題之一，這就需要對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)和水錘計(jì)算理論進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。