水擊補氣式壓力罐及水力瞬變仿真

楊開林

(流域水循環模擬與調控國家重點實驗室 中國水利水電科學研究院，北京 100038)

1 研究背景

空氣閥是管道輸水工程中必不可少的防止水擊破壞的調壓設備，一般間隔500～1000 m距離就會設置。此外，長距離輸水管道一般采用地下埋設的方式，當管道直徑較大時，需要在間隔1～3 km距離設置檢修孔，其內徑一般為0.8～0.9 m，以便進人檢查輸水管是否存在嚴重泄漏。在一些埋深較大的城市輸水管線，檢修孔高度或頂蓋與輸水管頂部的距離hori可達3～5 m以上。為了節省空間，空氣閥和檢修孔常常共用一個地下室。同時，為了不停水檢修空氣閥的需要，每個空氣閥都配套相同規格的手動檢修蝶閥。由此產生了兩種主要的空氣閥安裝方式：(1)空氣閥-檢修閥-連接管垂直安裝在輸水管頂部；(2)空氣閥-檢修閥-連接彎管安裝在檢修孔側壁，如圖1(a)所示。為便于安裝和拆卸檢修孔頂蓋，連接彎管與頂蓋之間需要一定距離，這使空氣閥進氣后的部分氣體會存留在檢修孔上部，產生氣墊式壓力罐的水擊防護作用，如圖1(b)所示。

圖1 空氣閥-檢修孔裝置工作原理

為了兼顧管道充水和泵站事故斷電水擊危害防護的需要，規范要求采用計算仿真的方法確定空氣閥的位置、類型和孔徑。目前一般采用著名瞬變流專家Wylie和Streeter[1]的數學模型求解空氣閥的水力瞬變[2-9]，該數學模型成立的基本假設包括：(1)管內氣體的變化遵守等溫規律；(2)液體表面的高度基本不變，即忽略空氣閥及其配套檢修閥和連接管高度的影響。……