氣動移水水力過渡過程仿真研究

張衛東，肖龍洲，蔡標華，劉 承

(1. 海軍駐431廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205；3. 武漢大學，湖北 武漢 430072)

氣動移水水力過渡過程仿真研究

張衛東1，肖龍洲2，蔡標華2，劉 承3

(1. 海軍駐431廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205；3. 武漢大學，湖北 武漢 430072)

氣動移水方式因其系統管路簡單方便操作，在航空、船舶、化工等領域都有廣泛應用。然而在完成移水閥門關閉過程中存在劇烈水錘沖擊，對系統存在較大的危害。本文通過對典型的2個水箱間氣動移水的瞬態閥門啟閉過程進行仿真，詳細分析了閥門操作時間、供氣壓力以及操作閥門位置對系統水錘的影響。根據仿真結果可知，在適當控制關閥時間和供氣壓力的基礎上，操作遠離供水水箱的閥門可有效降低系統水錘沖擊壓力，抑制水錘對系統的破壞。

水錘；壓縮空氣；移水；沖擊壓力

0 引 言

傳統的流體輸送方式除利用泵增壓輸送外，利用壓縮空氣增壓移水在航空、船舶、化工等領域也廣泛運用。其輸水管路簡單，只需要提供壓縮氣源即可完成輸水。然而在氣動移水過程中，閥門的啟閉往往會誘發劇烈的水錘。作為一種非定常流動現場，水錘的出現會對系統管路造成較大的沖擊，甚至破壞相關管道設備[1-4]。目前針對泵供水系統管路水錘的研究較多[5-8]，然而針對氣動供水方式下的水錘研究較少。與泵移水不同，氣源在水箱內的壓力并不穩定，氣動移水在關閥過程中系統管路更易誘發劇烈的壓力脈動。特別是在高速移水過程中，關閥引起的水錘對系統存在巨大的危害，需要引起重視。

本文針對典型的艦船上水箱間的氣動移水過程，采用商業軟件PIPENET對移水工程中閥門的瞬態啟停過程進行仿真計算。氣動移水系統由供水水箱、受水水箱、管道和控制閥門組成，受水艙氣體壓力始終為0 MPa（標準大氣壓相對值），供水艙內有高壓氣體，在壓差的作用下實現供水艙向受水艙的移水，并隨著移水過程氣壓不斷降低。當滿足移水要求的數量后，關閉管路系統上的控制閥門。通過對氣動移水系統過渡過程仿真，得到水錘發生的位置規律及其壓力變化特點，計算分析水艙供氣壓力、系統流速、關閥時間、閥門特性和控制閥位置對于水錘的影響并總結規律，然后根據此規律提出初步的水錘抑制方案。

1 系統組成

圖1所示為氣動移水系統圖，其主要部件包括：1號和2號水箱（互為供水水箱和受水水箱）、3個控制閥門（閥門1、閥門2、閥門3）、供氣閥1和供氣閥2、排氣閥1和排氣閥2等部件。

圖 1 氣動移水系統圖Fig. 1 Sketch of the conveying water system

氣動移水系統管路全長115 m，采用鋼管布置，鋼管規格為Φ108×5。閥門1和閥門2置于水箱出口處，閥門3布置于距離2號水箱約99 m處。水箱為圓柱型，體積60 m3，直徑為4.37 m，高4 m。

系統運行時供水水箱排氣閥關閉，供氣閥開啟接通氣源水艙增壓，而排水水艙供氣閥關閉，排氣閥打開接通大氣。待供水水箱充壓達到指定值時，關閉供氣閥，開啟控制閥。此時，供水水箱內介質在氣壓的作用下排向受水水箱，進而實現水箱間的移水。當移水達到指定量時，關閉控制閥，停止移水。

2 數值仿真方法

本次采用商業軟件PIPENET對船舶泵閥系統的水力過渡過程進行計算分析。PIPENET系列軟件已在國際范圍內廣泛的運用于石油化工、造船、工業循環水以及跨流域輸送等行業，具備強大的工程管網系統的數值計算、模擬仿真和系統優化等功能。

2.1 水錘計算的特征線法

泵站水錘的計算是對整個水泵抽水裝置進行計算分析，包括管道內點及與管道連接的泵裝置中的各部分（邊界點）。在水錘計算中，對于管道系統內點的計算是求解水錘基本方程，即由運動方程和連續性方程組成的雙曲型偏微分方程組。為了實現計算機的編程計算，需采用特征線方法將該偏微分方程組離散化，為此，先沿特征線方向將它轉換為水錘全微分方程：

由式（1）和式（2）進行有限差分近似，可以得到對應于圖2所示的水錘離散特征線方程。

圖 2 特征線法示意圖Fig. 2 Method of characteristics

解上述方程可得：

式中：

2.2 仿真模型及工況

圖3所示為PIPENET仿真模型示意圖，左端為供水水箱，右端為受水水箱，從供水水箱至受水水箱，沿程布置3個控制閥，分別對應圖1中閥1、閥3和閥2。供水水箱對應圖1中1號水箱，受水水箱對應圖1中2號水箱。仿真過程中主要對3個閥門的關閉時間以及水箱供氣壓力2個變量進行控制。供氣壓力分別設定為 0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa和 0.7 MPa，關閥時間分別設定為0.5 s、1.5 s、2.5 s、3.5 s、5.0 s。

圖 3 PIPENET仿真模型示意圖Fig. 3 Schematic drawing of the numerical model

3 計算結果與分析

3.1 不同閥門操作時間系統水錘對比

在氣動移水管路上的閥門突然關閉，無論是閥前還是閥后都會誘發不同程度的沖擊。圖4所示為閥門3關閉過程中管道壓力線。由圖可知，閥前整體沖擊壓力要高于閥后，且越靠近閥門，管道在關閥過程中的最高壓力也越大。與此相反，閥后的沖擊相對較小，但最小壓力則更低。圖5～圖7所示為閥門3關閉過程中閥前閥后的瞬時壓力以及系統瞬時流量隨時間的關系（供氣壓力0.7 MPa，t=0 s時開始關閥，t=3.5 s時閥門關閉）。關閥過程中系統流量變化相對平穩，但出現劇烈的壓力波動。由圖可知在閥門關閉過程中由于水擊波的傳遞，閥前出現瞬時的壓力沖擊達110.46 m，在閥門關閉后，閥前也產生了連續的壓力沖擊，幅值高達80 m。由于閥后管路較短，故閥后壓力沖擊頻率較高幅值較小，且壓力波動衰減較快。

圖 4 供氣壓力0.7 MPa，開/關3.5 s，管道壓力線（閥門3）Fig. 4 The distribution of the piping pressure (operating valve 3,air pressure 0.7 MPa, operating time 3.5 s)

圖 5 供氣壓力0.7 MPa，開/關3.5 s，閥前壓力變化曲線（閥門3）Fig. 5 The variation of pressure at the inlet of the valve (operating valve 3, air pressure 0.7 MPa, operating time 3.5 s)

圖 6 供氣壓力0.7 MPa，開/關3.5 s，閥后壓力變化曲線（閥門3）Fig. 6 The variation of pressure at the outlet of the valve (operating valve 3, air pressure 0.7 MPa, operating time 3.5 s)

圖 7 供氣壓力0.7 MPa，開/關3.5 s，系統流量隨時間變化曲線（閥門3）Fig. 7 The variation of the flow rate (operating valve 3, air pressure 0.7 MPa, operating time 3.5 s)

圖 8 不同關閥時間閥前壓力隨時間變化曲線（閥門3）Fig. 8 The variation of the pressure at the inlet of the valve under different operating time (valve 3)

圖8所示為不同關閥時間閥前壓力隨時間變化曲線（操作閥門3，供氣壓力0.7 MPa）。由圖可知，隨著關閥時間從5 s減少至0.5 s，閥前最大沖擊壓力由89.29 m增加至795 m，且閥前伴隨空化現象。由圖可知在關閥時間5.0 s和2.5 s時，閥前最大壓力出現在閥門關閉前，可見閥門處的水錘壓強受到降壓順行波影響開始減小。關閥時間0.5 s時，水錘最大沖擊壓力出現閥門關閉時，此時系統出現直接水錘，沖擊壓力達到最大。

表1所示為不同關閥時間下系統過渡特性對比表。當關閥時間控制在1.5 s時，閥前水錘引起的最大沖擊壓力可降低至231.8 m。然而此時閥后仍然存在較大的沖擊壓力，且伴隨空化現象產生。當閥門關閉時間增長至3.5 s時，閥后最大沖擊壓力降低至15.1 s，且空化現象消失。可見增長關閥時間，可有效降低閥前和閥后的水錘沖擊壓力，并防止閥后空化現象的產生。

表 1 不同關閥時間下系統過渡特性對比表（操作閥門3）Tab. 1 Comparisons of the system transient characteristics under different operating time

3.2 不同供氣壓力下系統水錘對比

供氣壓力對系統水錘的相關動態特性也存在較大影響。圖9所示為不同供氣壓力下閥門3關閉過程中閥前壓力隨時間的變化曲線（關閥時間2.5 s）。隨著供氣壓力的降低，閥前關閥水錘最大沖擊壓力不斷降低，水錘沖擊波的振幅也有明顯衰減。當供氣壓力為0.7 MPa時，閥前最大沖擊壓力可達142.4 m，然而當供氣壓力降低至0.1 MPa時，關閥過程中，閥前甚至因水錘波的傳遞出現了空化現象。表2所示為不同供氣壓力下系統過度特性對比表。當供氣壓力為0.7 MPa和0.1 MPa時，閥后都出現了空化現象，但供氣壓力為0.5 MPa和0.3 MPa時，閥后空化現象消失。由此可見，閥前壓力過高或過低都會誘發系統管網的空化現象，實際操作中應根據具體使用工況，確定供氣壓力。

圖 9 不同供氣壓力下閥前壓力隨時間變化曲線（關閥時間2.5 s）Fig. 9 The variation of the pressure at the inlet of the valve under different air pressure (operating time 2.5 s)

表 2 不同供氣壓力下系統過度特性對比表Tab. 2 Comparisons of the system transient characteristics under different air pressrue

3.3 不同位置閥門關閉系統水錘對比

圖 10 關閥時間為1.5 s時，系統最大壓力隨供氣壓力變化曲線Fig. 10 The maximum transient pressure in the system versus air pressure (operating time 1.5 s)

圖 11 關閥時間為2.5 s時，系統最大壓力隨供氣壓力變化曲線Fig. 11 The maximum transient pressure in the system versus air pressure (operating time 2.5 s)

在1號水箱向2號水箱供水過程中，操作不同的閥門對系統的水錘沖擊壓力也存在較大影響。圖10和圖11分別比較了關閥時間為1.5 s和2.5 s時，系統最大壓力（包括閥前壓力和閥后壓力）隨供氣壓力的變化曲線。由圖可知，操作閥門1系統產生的最大壓力在不同供氣壓力下都要高于操作閥門2。可見在氣動供水過程中，選擇關閉靠近供水水箱的閥門（閥門1）時，系統水錘最大沖擊壓力高于受水水箱處閥門（閥門2）。此時最高壓力主要是由于閥后的負壓水錘引起。當操作閥門為位于中間位置的閥門3時，關閥時間對系統最大沖擊壓力有明顯的影響。在關閥時間為1.5 s時，系統最大沖擊壓力隨供氣壓力增加明顯增大。在供氣壓力為0.1 MPa時，閥門3和閥門2關閉引起的沖擊壓力幅值相當，且最大壓力都發生在閥前。然而，當供氣壓力增大至0.3 MPa以上時，閥門3關閉引起的最大沖擊壓力明顯增大，且主要發生在閥后。當關閥時間增加至2.5 s時，閥門3關閉引起的系統最大水錘沖擊壓力則明顯降低，甚至低于閥門2關閉引起的最大壓力，且最大壓力主要發生在閥前。

圖12和圖13進一步比較了供氣壓力為0.7 MPa和0.5 MPa時，系統最大壓力（包括閥前壓力和閥后壓力）隨供氣關閥時間的變化曲線。當關閥時間為0.5 s時，關閉靠近受水水箱的閥門（閥門2）時，系統水錘最大沖擊壓力更大。可見在氣動供水過程中，當關閥時間極短系統發生直接水錘時，閥門2相對閥門1關閉引起的水錘沖擊更為劇烈。然而當關閥時間增加至1.5 s以上時，關閉靠近受水水艙閥門（閥門2）時，系統最大水錘沖擊壓力相對較小。此外，當關閥時間繼續增加，閥門3和閥門2關閉時系統最大壓力相當。雖然如此，閥門3引起的最大壓力主要發生在閥后，而閥門2引起的最大壓力主要發生在閥前。

圖 12 供氣壓力為0.7 MPa時，系統最大壓力隨關閥時間變化曲線Fig. 12 The maximum transient pressure in the system versus air pressure (air pressure 0.7 MPa)

4 結 語

本文通過商用軟件PIPENET對氣動移水閥門啟閉的瞬態水錘進行了仿真計算，詳細比較了閥門啟停時間、供氣壓力、操作閥門位置對系統供水過程中水錘的影響，根據結論提出了相應的改進措施，具體結論如下：

圖 13 供氣壓力為0.5 MPa時，系統最大壓力隨關閥時間變化曲線Fig. 13 The maximum transient pressure in the system versus air pressure (air pressure 0.5 MPa)

1）延長閥門關閉時間及降低供氣壓力可有效抑制閥前和閥后的水錘最大沖擊壓力；

2）操作閥門的位置對水錘沖擊壓力有較大影響，靠近供水水箱的閥門關閉時閥前沖擊壓力較小，而閥后沖擊壓力較大且伴隨嚴重的汽蝕。選擇關閉靠近受水水箱的控制閥，雖然閥前沖擊壓力有所提高，但閥后沖擊壓力明顯降低，且汽蝕現象也可得到有效控制；

3）在適當延長開閥時間的基礎上，選擇關閉靠近受水水箱或中間位置的控制閥都可有效抑制水錘。

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Numerical investigation on hydraulic transient process of conveying water by compressed gas

ZHANG Wei-dong1, XIAO Long-zhou2, CAI Biao-hua2, LIU Cheng3
(1. The Navy Representative Department Resident in No. 431 Plant, Huludao 125004, China;2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China;3. Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Conveying water by compressed gas is widely used in many fields such as ship, aeronautics, chemical industry due to the simple piping system and operation. However as the control valve shutting down after transferring water fierce water hammer is induced and causes great damages to the system. This paper simulated the typical procedure of moving water between two water tanks and investigated the influence of operating time, gas pressure and the position of the control valve on the water hammer in the piping system. According to the numerical results, by controlling the operating time and gas pressure, operating the control valve far away from the supplying water tanks can decrease the shock pressure of the water hammer and attenuate the damage induced by water hammer.

water hammer；compressed gas；conveying water；shock pressure

TU991.39

A

1672-7649(2017)11-0085-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.016

2017-04-06

張衛東(1971-)，男，高級工程師，研究方向為船舶輔機。