長(zhǎng)距離供水管道關(guān)閥水錘試驗(yàn)研究

陳俊 徐奕蒙 王磊 邢方亮 王天奕 郭澤斌 丘瑾煒

摘? 要：該文以福州大學(xué)水利學(xué)院長(zhǎng)距離供水管道水錘試驗(yàn)平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)關(guān)閥水錘進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，閥門快速關(guān)閉后，管道中的最大壓力隨著管道流量的增加而線性遞增，并且會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓情況。使用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）技術(shù)以及相關(guān)軟件對(duì)現(xiàn)有水錘模型進(jìn)行了三維仿真，通過(guò)同一點(diǎn)位的實(shí)測(cè)壓力曲線與仿真壓力曲線的對(duì)比論證該試驗(yàn)的正確性，可為長(zhǎng)距離供水管道工程的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：管道? 閥門? 關(guān)閥水錘? 模型試驗(yàn)? 三維仿真

中圖分類號(hào)：TU991.39 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）08（a）-0053-04

Water Hammer Test on Valve Closing of Long-Distance Water Supply Pipeline

CHEN Jun*? XU Yimeng? WANG Lei? XING Fangliang? WANG Tianyi? GUO Zebin? QIU Jinwei

（Pearl River Water Resources Research Institute， Guangzhou， Guangdong Province， 510611 China）

Abstract： In this paper， the water hammer test platform for long distance water supply pipeline of Water Conservancy College of Fuzhou University is taken as the research object. The test results show that the maximum pressure in the pipeline increases linearly with the increase of pipeline flow rate after the valve is closed rapidly， and there will be negative pressure. CFD （Computational Fluid Dynamics） technology and related software are used to simulate the existing water hammer model. The correctness of the test is demonstrated by comparing the measured pressure curve with the simulated pressure curve at the same point， which can provide a test basis for the design of long-distance water supply pipeline engineering.

Key Words：? Pipeline; Valve; Valve closing water hammer; Model test; 3D simulation

水是不可替代的有限自然資源，我國(guó)的水資源時(shí)空分布不均勻?qū)е碌膮^(qū)域性缺水嚴(yán)重，成為阻礙城市發(fā)展的制約因素，因此，近幾年國(guó)家以及大部分地方大力發(fā)展長(zhǎng)距離引水工程建設(shè)[1]。由于輸水工程的特殊性和復(fù)雜性，長(zhǎng)距離輸水中存在很多的問(wèn)題，其中最常見(jiàn)、最突出的問(wèn)題是長(zhǎng)距離輸水管線水錘防護(hù)[2]。

在有壓管路中，由于某種外界原因（如閥門突然關(guān)閉、水泵機(jī)組突然停車）使水的流速突然發(fā)生變化，從而引起水擊，這種水力現(xiàn)象稱為水擊或水錘[3]。由閥門關(guān)閉產(chǎn)生的水錘稱為關(guān)閥水錘。水錘效應(yīng)有極大的破壞性：壓力過(guò)高，將引起管子的破裂;反之，壓力過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致管子的癟塌，還會(huì)損壞閥門和固定件[4]。

該文以福州大學(xué)水利學(xué)院長(zhǎng)距離供水管道水錘試驗(yàn)平臺(tái)為研究對(duì)象，主要探究水平放置的輸水管道因閥門突然關(guān)閉產(chǎn)生水錘引起的管道共振現(xiàn)象，從而得到管道的最大、最小壓力與管道流速、閥門關(guān)閉時(shí)間、管道長(zhǎng)度之間的規(guī)律，解決與水錘有關(guān)的工程問(wèn)題，開(kāi)展相關(guān)課題的研究，為長(zhǎng)距離供水管道工程的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1? 水錘試驗(yàn)平臺(tái)

長(zhǎng)距離供水管道水錘試驗(yàn)平臺(tái)為開(kāi)式試驗(yàn)臺(tái)，管道為無(wú)縫鋼管，管徑為DN100mm，耐壓等級(jí)PN40，管道總長(zhǎng)約320m。試驗(yàn)平臺(tái)由恒流供水系統(tǒng)、水錘消除系統(tǒng)、閥門系統(tǒng)、試驗(yàn)管道系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)及中央監(jiān)控機(jī)組成，如圖1所示。

1.1 恒流供水系統(tǒng)

恒流供水系統(tǒng)是整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)的核心，因?yàn)橹挥斜ＷC管道內(nèi)流量穩(wěn)定，才能準(zhǔn)確地模擬出不同流速下由水錘引起的管道共振現(xiàn)象，進(jìn)而找出解決方法。恒流供水系統(tǒng)由臥式離心泵、變頻器、網(wǎng)絡(luò)適配器、閥門及附屬設(shè)施組成。恒流供水系統(tǒng)采用在供水管道布置電磁流量計(jì)作為閉環(huán)流量控制手段。控制流程如下：計(jì)算機(jī)根據(jù)電磁流量計(jì)測(cè)得實(shí)時(shí)流量大小，通過(guò)特定控制算法計(jì)算結(jié)果，利用變頻器直接控制水泵的電機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)加在電機(jī)上的交流電壓頻率來(lái)改變電機(jī)的運(yùn)行速度，從而調(diào)節(jié)水泵的進(jìn)出水流量，達(dá)到管道內(nèi)恒流控制的目的。

1.2 水錘消除系統(tǒng)

（1）水錘消除器。由外殼、高級(jí)合成橡膠彈性內(nèi)膽及多孔管等組成。水錘消除器能在無(wú)需阻止流體流動(dòng)的情況下，有效地消除各類流體在傳輸系統(tǒng)可能產(chǎn)生的水外錘和浪涌發(fā)生的不規(guī)則水擊波震蕩，從而達(dá)到消除具有破壞性的沖擊波，起到保護(hù)之目的。

（2）泄壓閥。根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力能自動(dòng)啟閉，當(dāng)管道內(nèi)壓力超過(guò)泄壓閥設(shè)定壓力時(shí)，即自動(dòng)開(kāi)啟泄壓，保證管道內(nèi)介質(zhì)壓力在設(shè)定壓力之下，起到保護(hù)水泵和管道的作用。

1.3 閥門系統(tǒng)

閥門系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：一部分為快速閥門系統(tǒng)，由電控液壓閥和控制保護(hù)裝置組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道供水的快速切斷，以產(chǎn)生水錘;另一部分為慢速閥門系統(tǒng)，由11組手動(dòng)閥組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)管路長(zhǎng)度的切換。

（1）電控液壓閥。由液壓系統(tǒng)、油缸和閥門組成，液壓系統(tǒng)的工作原理是液壓泵把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，通過(guò)控制閥和液壓輔件控制液壓介質(zhì)的壓力、流量和流動(dòng)方向，將液壓泵輸出的壓力能傳給油缸，油缸將液體壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以完成對(duì)閥門啟閉控制。

（2）慢速閥門系統(tǒng)。由11組手動(dòng)閥組成。手動(dòng)閥門是管路流體輸送系統(tǒng)中控制部件，它是用來(lái)改變通路斷面和介質(zhì)流動(dòng)方向，具有導(dǎo)流、截止、調(diào)節(jié)、節(jié)流、止回、分流或溢流卸壓等功能。

1.4 試驗(yàn)管道系統(tǒng)

試驗(yàn)管道系統(tǒng)分為試驗(yàn)管段和非試驗(yàn)管段，試驗(yàn)管段和非試驗(yàn)管段通過(guò)焊接法蘭方式連接，可通過(guò)拆卸法蘭上的螺絲，實(shí)現(xiàn)不同材質(zhì)的試驗(yàn)管段的替換。

（1）試驗(yàn)管段。長(zhǎng)度16m，試驗(yàn)管道內(nèi)徑為DN100mm，可測(cè)試鋼管、PVC管、有機(jī)玻璃管3種不同材質(zhì)的試驗(yàn)情況。

（2）非試驗(yàn)管段。采用管道內(nèi)徑DN100mm、耐壓等級(jí)PN40的無(wú)縫鋼管，總長(zhǎng)度為316m。

2? 關(guān)閥水錘試驗(yàn)

長(zhǎng)距離供水管道水錘試驗(yàn)平臺(tái)閥門和管道狀況如下。

（1）快速電控液壓閥：關(guān)斷時(shí)間設(shè)置為最小0.9s。

（2）慢速閥門系統(tǒng)狀況：編號(hào)為T1、T7、T10的3個(gè)手動(dòng)閥為關(guān)閉狀態(tài)，其余8個(gè)手動(dòng)閥為開(kāi)啟狀態(tài)，此時(shí)管道總長(zhǎng)度為317m。

（3）試驗(yàn)管段狀況：選用DN100mm口徑的無(wú)縫鋼管，耐壓等級(jí)PN40。

試驗(yàn)一共進(jìn)行了8組工況，管道流量從10m3/h開(kāi)始，每5m3/h一個(gè)等級(jí)遞增，一直到43m3/h。閥門快速關(guān)閉后，不同工況下管道最大最小壓力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，最大最小壓力變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2，各工況下管道壓力變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3～圖6。

從圖2中可看出，閥門快速關(guān)閉后，管道中的最大壓力隨著管道流量的增加而線性遞增;閥門快速關(guān)閉后，會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓情況，即最小壓強(qiáng)，且基本維持在-0.07～-0.06MPa之間。

從圖3～圖6中可以看到，在閥門快速關(guān)閉后，閥門擋板在與管道內(nèi)液體發(fā)生碰撞后其附近的動(dòng)態(tài)壓力在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了較大的波動(dòng)，而在一定時(shí)間后，管道內(nèi)部的水流逐漸趨于平穩(wěn)，壓力波動(dòng)也逐漸減小。

3? 仿真分析

使用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）技術(shù)以及相關(guān)軟件對(duì)現(xiàn)有水錘模型進(jìn)行三維仿真，通過(guò)同一點(diǎn)位的實(shí)測(cè)壓力曲線與仿真壓力曲線的對(duì)比論證該試驗(yàn)的正確性，為水錘現(xiàn)象預(yù)防、具體輸送管路設(shè)計(jì)等研究提供參考[5]。

采用Solidworks、Meshing、ICEM、FLUENT軟件分別進(jìn)行了建模、網(wǎng)格劃分、數(shù)值計(jì)算和處理分析，對(duì)數(shù)值模擬對(duì)象的初始條件、邊界條件和求解器進(jìn)行了設(shè)置，三維模型如圖7所示[6-7]。

實(shí)際試驗(yàn)前開(kāi)啟水泵保證水管內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定循環(huán)后關(guān)閉閥門并測(cè)量閥門附近點(diǎn)位的壓力值，具體試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖8。

實(shí)際中通過(guò)安裝在管外壁的壓強(qiáng)傳感器進(jìn)行測(cè)量，該仿真通過(guò)檢測(cè)固定面的壓力變化總結(jié)水錘效應(yīng)規(guī)律，兩者皆反映出在閥門關(guān)閉過(guò)程中以及關(guān)閉后一段時(shí)間內(nèi)，流場(chǎng)對(duì)于管壁的壓力會(huì)大振幅波動(dòng)后逐漸趨于穩(wěn)定。經(jīng)圖8對(duì)比可以看到，實(shí)際試驗(yàn)與仿真模擬中的壓力曲線波動(dòng)幅度相似，最大壓力值相近，流場(chǎng)趨于穩(wěn)定的時(shí)間亦近似，故證明采用CFD技術(shù)對(duì)于管道內(nèi)流場(chǎng)水錘效應(yīng)的仿真模型較為可靠，在三維立體層面對(duì)于流場(chǎng)的模擬對(duì)于水錘現(xiàn)象的研究具有很大的幫助。

4? 結(jié)語(yǔ)

該文以福州大學(xué)水利學(xué)院長(zhǎng)距離供水管道水錘試驗(yàn)平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)關(guān)閥水錘進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，閥門快速關(guān)閉后，管道中的最大壓力隨著管道流量的增加而線性遞增，并且會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓情況。使用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）技術(shù)以及相關(guān)軟件對(duì)現(xiàn)有水錘模型進(jìn)行了三維仿真，通過(guò)同一點(diǎn)位的實(shí)測(cè)壓力曲線與仿真壓力曲線的對(duì)比論證該試驗(yàn)的正確性，可為長(zhǎng)距離供水管道工程的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。該文目前只做了不同管道流量、恒定關(guān)閥時(shí)間的水錘試驗(yàn)，后續(xù)試驗(yàn)可圍繞不同關(guān)閥時(shí)間、不同管道長(zhǎng)度的水錘試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊曉蕾，沈來(lái)新，俞鋒，等.重力流輸水管道關(guān)閥水錘模擬研究[J].水利水電技術(shù)，2017，48（5）：95-96，127.

[2] 王煒.重力流輸水管道關(guān)閥水錘仿真計(jì)算與防護(hù)[J].河南水利與南水北調(diào)，2020（2）：74-76.

[3] 張景望，吳建華，高潔，等.長(zhǎng)距離重力流輸水系統(tǒng)水錘模擬及其防護(hù)研究[J].水電能源科學(xué)，2019，37（5）：57-60.

[4] 申屠華斌，毛燕，張逸夫，等.重力流輸水管道水錘與防護(hù)措施研究[J].市政技術(shù)，2019，（1）：115-118.

[5] 徐奕蒙，王磊，邢方亮，等.基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的長(zhǎng)輸水管道關(guān)閥水錘現(xiàn)象流場(chǎng)模擬[C]//中國(guó)水利學(xué)會(huì)2019學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（第二分冊(cè)）.中國(guó)水利水電出版社，2019.

[6] 汪建，楊帥，吳大轉(zhuǎn)，等.基于三維CFD 方法的管路瞬變流特性研究[J].流體機(jī)械，2019，47（4）：6-12.

[7] 曹文志.基于特征線法的純水液壓管路瞬態(tài)過(guò)程研究[D].電子科技大學(xué)，2017.