有气阀的长距离输水管道流动特性分析与应用论文.docVIP

　　有气阀的长距离输水管道流动特性分析与应用论文 摘要：长距离输水管道为了补(排)气需要安装气阀，气阀工作时在阀附近的管道内会形成空穴，并且以气阀为中心，上下游管系、空穴和气阀组成一个局部的小系统，形成管系水流特性、空穴参数和过阀气流特性的连续同步变化，并使管内出现振荡流动。本文通过计算实例对过阀气流参数按等熵流动过程计算，空穴参数按等温过程计算，上、下游管系内的水流特性则按非定常流动计算.freel的 公式： (2) 式中：ρa、Ta——大气密度和绝对温度；R、T、P——空气的气体常数和绝对温度及绝对压力；C、A——阀的流量系数和开启面积，下标“in”和“out”分别代表流入和流出。 显然，向管内补气时流量为正，且随管内压力降低补气流量增大，向管外排气时为负，且随管内压力升高排气流量亦增大。 1.2 空穴特性 无论是补气还是排气，气阀附近的管系内都将出现空穴，由于穴内空气质量与管子面积和液体表面积相比相对较小，所以气阀附近管段实际是一个大热容，使气体温度接近液体温度，即穴内空气满足恒温定律： PV=mRT (3) 式中：V——空穴体积；m——空穴内空气质量；式(3)表明，穴内空气参数关系受恒温定律的约束，但其变化还要受到气阀工作特性和管系水流特性的制约，这些将由边界条件来体现。 1.3 气阀上、下游管系内水流特性 由于气阀的工作和空穴内空气参数变化，使气阀附近管内水流具有瞬变流特性。因为瞬变流实质是非定常流动，所以可以用非定常流方程组3来描述气阀附近管内的水流特性。它的差分形式方程组1为： (4) 式中：，——t=J+1时刻I断面处的压头和流量；HJi-1,.freel是P′的函数，如果以P′为横坐标，qm为纵坐标画曲线，可以得到一条抛物线，且流入为正，压力在0.528＜P′＜1范围内，流出为负，压力在1＜P′＜1/0.528范围内，由此可得亚声速流入流出气阀的流量式： (5) 式中各系数根据压力范围由式(2)中第一式和第三式算得。 空气若以临界声速流过气阀时，由式(2)第二式可见，对于已安装的给定气阀，qm实际是一常量；而把第四式中P用P′代换，则得到以临界声速流入流出气阀的流量为： (6) (2)管系内水流的流量和压头 为便于计算，将式(4)变成如下形式： (7) (3)空穴体积和空气质量 (8) 式中：Vo、V——时间增量开始和未了空穴体积；Mo、M——时间增量开始和未了空穴内空气质量；qmo、qm——时间增量开始和未了过阀气流的质量流量；Qi、Qpxi——时间增量开始时流出，流入空穴的水流量；Hpi——空穴处压头；Δt——时间步长。 2.3 边界条件 (1)气阀上游管系流量和压头 (9) 式中：QJo——t=J时刻上游管系内初始水流量；ΔQ——流量增量；ω——圆频率；t——计算时间；HJi，QJi——t=J时刻空穴处压头和水流量。 (2)气阀下游管系流量和压头 (10) 式中：HR——I+1断面以下的K管段内某截面(或某装置)处的压头；——t=J+1时刻在I+1断面以下的K管段内各断面上的流量；,——t=J+1时刻I+1断面处压头和流量。 (3)空穴处边界条件。气阀工作时，过阀气流，穴内空气和上、下游管系内水流的参数连续同步变化，由此得到边界条件为： P{Vo+0.5ΔtQi-Qpxi-CP+CM/B+2/B(P/γ+Z-Ha)}=Mo+0.5Δt(qmo+qm)RT (11) 式中：γ——水的重度；Z——气阀高出基准线的高度；Ha——大气压头。 2.4 初始条件 (1)气阀上游水流量：QJo=10.25m3/s.(2)下游调压井处压头：本文计算系统的I+1断面以下有调压井，所以HR取调压井处水位。HR=8.2m.(3)气体常数和绝对温度：R=287N·m/kg·K，T=293K。(4)Z和Ha：Ha=9.45m，z=9.5m. 3 计算结果及分析 3.1 管系内水流特性 3.1.1 流量特性 见图2，图中=t/tc,Q=Q/QJo，tc为流量变化周期时间，Q1为气阀上游输水量，Qpx为流入空穴的水流量，Q2为空穴处水流量，Q3为气阀下游水流量。由图可见，Q1按式(9)给定规律变化，Qpx与Q1间只差Δx距离，所以虽与Q1变化有些差别，但规律是一致的，而Q2和Q3因要满足式(10)和(11)的条件，比初始输水量略有下降，说明气阀选择得当，基本不会影响正常输水。 另外，从图中曲线还可看到，在一定时段内，流入空穴的流量比流出空穴的流量小，由此造成管内低压而使气阀工作，向管内补气，这点也可由图4中的空气质量和空穴体积在同一时段增加而得到印证。 3.1.2 压头特性 见图3，图中H=H/HR，H1为气阀上游管系内压头，H2为空穴处压头，H3为下游管系内压头。由图1和式(10)可知，H3实际是受调压井控制的，由于调压井的调蓄