分段低压输水管系水力振荡的动荷载分析.pdf

水 利 学 报 年 月 第 卷 第 期 文章编号 分段低压输水管系水力振荡的动荷载分析 秦亮 练继建 天津大学建筑工程学院 天津 摘要 本文将结构动力学思想引入到水流振荡问题中分析来 深入探究了非恒定流调节时 分段低压输水系统水面 及流量振荡的机理 并应用仿真计算 证明来水过程即为输水系统相应的动荷载 在此基础上结合信号分析理论 研究了来水过程对输水系统水力振荡的影响 采用三角函数方式控制来流 可以实现通过对动荷载的控制来减小 输水系统的水力振荡 关键词 分段低压输水系统 水力振荡 动荷载 信号分析 来流控制 中图分类号 文献标识码 研究背景 分段低压输水方式能有效地利用水体势能 并将多余的水能分段消除 分段低压输水管系是分 段低压输水工程的主要部分 它由类似 形管的输水单元 见图 通过结合井连接而成 见图 结合 井由溢流堰和斜井组成 分段低压输水管系的流量由上游来流控制 当输水系统从一种恒定流状态过 渡到另一种恒定流状态时 输水单元上下游水面会产生长时间的振荡 而且这种振荡向下游传播过程中 可能会逐步放大 甚至水面越过堰项 使水流衔接处的流态发生变化 图 输水单元示意 图 分段低压引水系统示意 万五一等 从 形管的水面振动特性出发 对分段低压输水管系的水力振荡特性进行分析和推 导 建立了分段低压输水管系输水单元的水力振动方程和固有水力振荡频率计算公式 分析了水流振荡 向下游传播的共振特性 提出改变输水系统结构设计控制水力振荡的方法 该研究是从输水系统自身 特性出发 没有考虑其它因素 而根据动力学知识 任何动力系统实际上都分为结构 动荷载输入与响 应三个环节 响应不仅由系统本身所决定 而且还与动荷载的频率特性有关 本文将这种结构动力学思 想引入到分段低压输水问题的分析中来 进一步深入探讨了振荡的机理 找到对于输水系统来说相应的 动荷载项 并利用信号分析手段研究了来流的动荷载频率特征 指出一种较为有利的来流控制过程 从 而在不改变输水系统结构设计的前提下实现对水面振荡的控制 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金 新世纪优秀人才支持计划资助 作者简介 秦亮 男 辽宁鞍山人 博士生 主要从事水力学及结构振动研究 水面振荡的动荷载分析 对分段低压输水管系的水面振荡问题做理论推导 得出 式中 为上下游水面高差 为时间 为管道的面积 为结合井面积 为管道的长度 为管道的 半径 为管道阻力系数 为上游来流量 为重力加速度 输水单元简化模型如图 所示 仔细观察可发现上式与结构动力学自由振动方程较 为相似 　 式 的第一项也为运动的加速度 第二项为阻尼损 失 只不过 式中的阻尼项与结构动力学方程中的阻尼项 有所差别 在式 的结构振动方程中 假定阻尼与速度成 图 输水单元简化模型 正比 而水面振荡方程中的阻尼损失包括沿程损失与流速 水头两项 即与速度有关也与速度的平方有关 第三项也是与振荡幅值有关的恢复力项 式 为水面 在恒定来流前提下的自由振荡方程 那么由结构动力学的知识自然使我们想到 与结构体系的强迫振 动方程 　 相比 水面强迫振荡问题也应该存在荷载 由常识知输水系统在管道结构不可变形的情况下 水体所 受的荷载变化只能是来自于压力的改变 水力学中的压力变化多用水头的变化表示 而由结合井的连续 方程 可推出 式中 为 时刻的水头 为恒定流 所对应的水头 即 与输水单元的流量和上游溢流堰的来流量有关 式 的推导过程中来流为恒定流 水面作的 是自由振荡 所以当来流量不恒定时 相当于施加了荷载 水流就由自由振荡改为做强迫振荡 即水面振荡的荷载为上游来流 那么由强迫