關閥規律對重力輸水管道水錘特性的影響研究

4結論

基于Flowmaster軟件計算了水庫-管道-閥門-水庫水力系統中關閥誘導的瞬變流動，分析了不同的關閥規律對管道水錘的影響規律，指出了對于管道防護的最佳關閥策略，并得到了以下主要的結論：在線性關閥方案中，隨著關閥時間的增加，水錘的最大壓力逐漸減小。在水力瞬變過程中，由于摩擦阻力的存在，水錘壓力逐漸降低。不同關閥時長下水錘壓力的衰減過程基本類似。

1兩階段折線關閥方案均能夠有效減小最大水錘壓力。相比線性關閥方案，方案a ??b?c 和d分別將最大水錘壓力減小了 6.13%6.86%.5.17% 和 3.92% 。同樣地，三階段關閥規律也可以降低最大水錘壓力，相比線性關閥，方案 e，f，g 和 h 分別將最大水錘壓力降低了 5.92%.4.22%.4.65% 和 2.72% 。

2）綜合來看，兩階段關閥規律對于水錘的防護效果最好，因此在水力管道系統操作中，應該按照兩階段關閥來進行操作，進而避免關閥水錘造成的爆管事故。

分析[J].水利水電科技進展，2020，40（2）：69-75.

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參考文獻：

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中圖分類號：TU990 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0041-05

Abstract：Waterhammeriswidelypresentinwatertransmisionpipelinesystems.Inseverecases，pipeburstaccidentscan occur，whichharmsthesafeandstableoperationof water transmissionpipelinesystems.Basedonthis，thispaperuses Flowmastersoftwaretocalculatethetransientflowinducedbyvalveclosinginthereserve-pipeline-valve-reservoirhydraulic system，andanalyzestheinfluenceofdiferentvalveclosinglawsonpipelinewaterhammer.Researchshowsthatinthelinear valveclosingscheme，themaximumpressureofwater hammergraduallydecreaseswiththeincreaseofvalveclosing time.The two-stagebroken linevalveclosingschemecanefectivelyreducethemaximumwaterhammerpresure.Comparedwith the linearvalveclosing scheme，thediferenttwo-stagevalveclosingschemereduces the maximum water hammerpressure by 6.13% ， 6.86% ， 5.17% and 3.92% .Similarly，the three-stage valve closingrule can also reduce the maximum water hammer presure.Comparedwith linearvalveclosing，diferentthree-stagevalveclosingschemesreducethemaximumwater hammer pressure by 5.92% ， 4.22% ， 4.65% and 2.72% ，respectively. Overall，the two-stage valve closing rule has the best effect on protectingwater hammer.Therefore，intheoperationofhydraulicpipelinesystems，thetwo-stagevalveclosingshouldbefollwed to avoid pipe burst accidents caused by valve closing water hammer.

Keywords：water hammer;water pipeline；hydraulic transients；valve closing;water hammer pressure

在輸水工程中，閥門的開關和泵的啟停等會使管道內的流體速度急劇變化，進而產生了水錘現象[1-2]。水錘壓力可以達到正常工作壓力的幾十倍甚至數百倍，嚴重地威脅著管道的安全正常運行[3]。因此對于管道系統過渡過程的研究對于保證管道安全非常重要[4]。

FluidDynamics，計算流體動力學）方法對關閥水錘進行研究，發現閥門快速關閉后，管道中最大壓力隨著管道流量的增加而線性遞增。李建宇等以重力流輸水工程為研究對象研究了管道末端關閥水錘現象，發現進氣閥、排氣閥搭配調壓塔能有效消除負壓及斷流彌合水錘引起的壓力。王政平等研究了不同關閥方案對水錘控制效果的優劣，滿足壓力控制標準時，關閥效率從低到高依次是線性關閥、兩段折線關閥和三

目前國內外許多學者針對管道系統的過渡過程展開了研究。陳俊等采用試驗和CFD（Computational段折線關閥。楊雯等8利用Hammer軟件對長距離多支線的重力輸水管道的關閥水錘現象進行研究，發現當閥門同時關閉時管線產生的壓力最大，且應安裝具有進/排氣功能的空氣閥用來防止管道中產生水柱分離。黃毅等基于Hammer軟件研究了關閥方式對長距離輸水工程水錘防護的影響，發現快速關閥會出現負壓且產生了較大的空腔區，兩階段關閥對水錘防護效果最好。梁興等[研究了高揚程、長爬坡輸水系統中停泵水錘的防護問題，發現泵后布置空氣罐能有效提高爬坡段最小水錘的壓力。王勇等采用三維CFD方法研究了不同流動條件下管路系統內的水力過渡過程，發現穩態初始流速小不會產生水柱分離，先快后慢的關閥方式水錘壓力最小。占桂泉等2基于儒科夫斯基公式研究泵后閥門關閉規律對管線壓力的影響，發現高揚程輸水泵站閥門關閉具有最佳的關閉時間，并且對該值進行了數值驗證。

綜上所述，國內外學者在輸水管道水錘防護方面做出了大量的研究并取得了顯著的成果，對于輸水系統的安全運行有重要指導意義，但目前就輸水管道的防護中關于關閥規律的研究雖然也有學者進行研究，但還是不夠充分。基于此，本文以輸水管道系統為研究對象，研究了關閥規律對管道水錘的影響，研究結果為輸水系統的安全穩定運行提供參考。

1水力過渡過程的數學模型

管道非恒定流動的運動方程和連續性方程如下[3]

式中： x 為沿管路軸向位置坐標； Φ_t 為時間； H 為管路中的水頭； V 為管內流體的流速； g 為重力加速度 為管路摩阻系數； D 為管道的直徑； α 為管路與水平面間夾角； a 為波傳播速度。

由于波速 Ψ_a 遠大于流體流速 V ，因此忽略瞬變流方程中的 V 和 H 的對流項，采用特征線法將偏微分方程（1）變換為常微分方程，得到特征線方程如下

2 研究對象與方法

基于Flowmaster軟件，對水庫-管道-閥門-水庫系統中的關閥誘導的水力瞬變過程進行計算，如圖1所示，其中管道為鋼管，管徑為 1m ，上游水庫水位為150m ，下游水庫水位為 50m ，管道長度為 20km 。鋼管的摩阻系數為0.03，水錘波波速為 1000m/s 。正常運行時候管道水流速度為 2.39m/s ，采用電動蝶閥對水力過程進行調控，且蝶閥的關閉規律要合理控制，太快會產生較大的水錘壓力，太慢則不滿足運行時快速隔斷水流的要求。本次采用的關閥規律有3種，即一段線性、兩段折線和三段折線。

3 結果分析

3.1 線性關閥方案

在線性關閥方案中，關閥時間分別是20、40和60s 。圖2、圖3和圖4分別是不同關閥時間下閥后壓力水頭隨時間變化曲線。由圖2一圖4可知，隨著關閥時間的增加，水錘的最大壓力逐漸減小，即由 374.25m 逐漸降低到 351.51m 。在水力瞬變過程中，由于摩擦阻力的存在，水錘壓力逐漸降低。不同關閥時長下，衰減規律基本類似，不同之處就是隨著關閥時間的增加，第一個壓力峰值的時間也逐漸增加。

3.2 兩段折線關閥方案

在實際工程應用中，應該通過合理的關閥規律來降低水錘的壓力，進而對輸水管道進行防護。兩階段關閥是在線性關閥的基礎上，將關閥過程分為快關和慢關過程。為了進一步探討兩階段關閥規律對輸水管道水錘的影響，基于 40s 的關閥時長制定了以下的關閥規律，見表1。

圖5是不同關閥方案下閥前壓力水頭隨時間的變化規律。由圖5可知，不同關閥方案下水錘的最大壓力各不相同， a，b，c 和d四種方案下最大的水錘壓力分別是 340.00，337.35，343.46 和 347.99m 。線性關閥中最大水錘壓力為 362.19m 。由此可知，兩階段折線關閥方案均能夠有效減小最大水錘壓力。相比線性關閥方案，方案a ??b?c 和d分別將最大水錘壓力減小了 6.13%.6.86%.5.17% 和 3.92% 。在方案a和b中，特別是在方案a中壓力的最值出現了明顯的突變，壓力的衰減規律也明顯與方案 ?_c 和d不同，而方案b中雖然也有壓力最值的突變，但是相比方案a來說并不明顯。這說明水力管道瞬變流中，閥門關閉規律不僅影響水錘的最值，而且對于壓力衰減的波形也有影響，且在實際工程中的關閥規律選擇中，應更多地考慮兩階段的關閥方案，避免使用線性關閥規律造成的水錘壓力過大而導致的爆管事故出現。

3.3三段折線關閥方案

與兩階段關閥規律類似，現在定義了三階段的關閥方案，見表2，其中關閥規律為三段折線關閥。

由此可見三階段關閥規律也能有效降低水錘壓力。

圖6為三階段關閥規律下閥后壓力水頭變化規律。由圖6可知，三階段方案 e，f，g 和 h 下最大的水錘壓力分別為340.75、346.91、345.36和 352.33m 。同樣地，線性關閥中最大水錘壓力為 362.19m 。由此可見，與兩階段關閥規律類似，三階段關閥規律也可以降低最大水錘壓力，相比線性關閥，方案 e，f，g 和 h 分別將最大水錘壓力降低了 5.92%.4.22%.4.65% 和 2.72% 。

4結論

基于Flowmaster軟件計算了水庫-管道-閥門-水庫水力系統中關閥誘導的瞬變流動，分析了不同的關閥規律對管道水錘的影響規律，指出了對于管道防護的最佳關閥策略，并得到了以下主要的結論：在線性關閥方案中，隨著關閥時間的增加，水錘的最大壓力逐漸減小。在水力瞬變過程中，由于摩擦阻力的存在，水錘壓力逐漸降低。不同關閥時長下水錘壓力的衰減過程基本類似。

1兩階段折線關閥方案均能夠有效減小最大水錘壓力。相比線性關閥方案，方案a ??b?c 和d分別將最大水錘壓力減小了 6.13%6.86%.5.17% 和 3.92% 。同樣地，三階段關閥規律也可以降低最大水錘壓力，相比線性關閥，方案 e，f，g 和 h 分別將最大水錘壓力降低了 5.92%.4.22%.4.65% 和 2.72% 。

2）綜合來看，兩階段關閥規律對于水錘的防護效果最好，因此在水力管道系統操作中，應該按照兩階段關閥來進行操作，進而避免關閥水錘造成的爆管事故。

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