淺議輸水管道含氣對水錘波速及升壓值的影響

任鵬宇

摘要：本文介紹了水錘的基本概念和水錘波速對其的重大影響。在此基礎上著重對管內含氣對波速的影響，從理論上進行分析。并以新疆某產業園區特定管段揚水工程為例，通過計算機模擬計算，研究在相同工況下管內不同含氣狀態造成水錘波速存在差異時，其對水錘升壓的影響。

關鍵詞：水錘；含氣狀態；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致流速的急劇變化，造成動量轉換引起的管路中水錘壓力驟然升高或降低。水錘的發生可使管道中壓強達到正常壓強的幾倍甚至幾十倍，會引起管道劇烈振動，使管道接頭或閥門破裂，造成嚴重的氣爆水錘，甚至直接威脅到相關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，而管內水體的含氣狀態對水錘波速有重要的影響，對此問題的研究對于水錘的計算和防護有重大的現實意義。

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

二、管道中含氣對水錘波速的影響及計算公式

2.1管道中存氣原因及氣液兩相流的基本流態

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

2.1.1輸水管道中氣液兩相流的基本流態形式及相互轉化

地勢起伏不大地區的輸水管道中一般呈現層狀流、波狀流、段塞流、氣團流、泡沫流和環狀流六種氣液兩相流狀態。前四種流態形式分別出現在管道充水的前期、中期、后期；而泡沫流和環狀流則在某些特殊工況時出現。受不同因素的影響，不同的流態之間不斷進行著相互轉化。水的流態形式，是在長距離輸水工程中選擇水錘防護設備重要的考慮因素之一。

2.2 管道含氣對水錘波速的影響

水體中的固體雜質對水錘波速影響可忽略不計。然而輸水管道中即使只含有微量的氣體，也會對水錘波速造成很大影響。管內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的水錘波速遠遠小于理想水體（指不含雜質和氣泡）的波速。

管道含氣時，水錘實際上是氣液兩相流的瞬變過程。管內以水體為主，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，其最大降幅可達原波速的75%。

2.2.1 水體內分布細微氣泡時的水錘波速公式

當有壓管道中含有大量微小氣泡但并未產生較大的空穴時，這時的流體是不間斷的連續相，而氣體則以各自獨立氣泡的形式廣泛分布其中，其直徑遠遠小于管徑，不會隔斷管道橫截面。水錘波速因壓力的變化而變化。

此時的管道含氣量對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，而不斷發生變化。由于隨時間及所處斷面的不同，管內壓力不斷發生變化，因此水錘波速是時間與所處位置的函數，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，就會使水錘波速降到空氣中聲速以下。

2.2.2 管內氣泡形成較大空腔時的水錘波速公式

由于管道內汽泡的聚集、碰撞使空穴體積變大，當蒸汽腔體發展到充滿整個管道截面時造成液體的分割。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現象發生，其流態類似于氣液兩相流中塞狀流。

我們用三特征線法來描述此種形態下的水錘波速公式。該方法同樣將氣液兩相流視為均質單相混合體，忽略氣液兩相間相對運動，但考慮相間質量交換，因此分成氣液兩相分別列出質量方程，并且忽略兩相間存在的動量交換，動量方程以混合體表征，得到三條特征線的方程組：

（2.2）

（2.3）

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

三、 新疆某產業園區三泵站揚水工程實例

3.1 工程概況

現以新疆某產業園區三泵站水錘計算來對不同含氣狀態下波速的改變對水錘升壓的影響進行分析。該輸水工程采用單管輸水，設計流量1.76m3/s，管徑DN1400，管材為k9級球墨鑄鐵管，承壓值為2.8Mpa。本文討論管段的進水池最低水位為649.5m，最高水位651.3m，泵安裝高程為647.9m。

根據理論計算并結合、波速的各種影響因素和工程實際，球墨鑄鐵管理論波速取=1000m/s。長距離輸水工程實際中當水錘波速分別為500m/s、800m/s、1000m/s時，水錘相分別為49.6s、31s、24.8s。

3.2方案：指定樁號處安裝緩沖排氣閥和箱式雙向調壓塔

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

1.含氣狀態A時，管內幾乎充滿水，故忽略氣體對波速的影響，取水錘波速為1000m/s。在安裝緩沖排氣閥和箱式雙向調壓塔后，部分管段有斷流發生。

2.含氣狀態B時，水流中出現大量氣泡，水錘波速下降為800m/s。此種工況下的水錘升壓較含氣狀態A時有一定降低，管道全線升壓已在承壓值以內，基本無斷流，可以保證輸水工程安全平穩運行。

3.含氣狀態C時，含氣量進一步加大，水流中出現大的空穴，此時水錘波速大幅下降為500m/s。水錘升壓較含氣狀態A、B時進一步降低，只在管段起端壓力相對較高。

3.3分析總結

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

四、結論與建議

（1）長距離輸水管路的水錘波速，當含氣量在一定范圍內增加時，水錘波速呈明顯下降趨勢，但當摻氣量持續增大時，波速將不再下降甚至將呈現上升趨勢。在不同含氣狀態導致波速改變的情況下，波速與升壓值之間沒有明顯的規律進行描述，其最大升壓值出現的位置各不相同，因此對同一管道的相同工況，當其含氣狀態發生改變時，在進行水錘防護計算時不可簡單進行類比，而應該重新進行分析計算；

（2）水力過渡過程是一個復雜的過程，如何對這個過程進行更為準確的動態模擬，是水錘計算軟件研發今后面臨的重大課題之一，這就需要對計算機科學和水錘計算理論進一步進行深入研究。