長距離供水管道關閥水錘試驗研究

陳俊 徐奕蒙 王磊 邢方亮 王天奕 郭澤斌 丘瑾煒

摘? 要：該文以福州大學水利學院長距離供水管道水錘試驗平臺為研究對象，對關閥水錘進行了試驗研究。試驗結果表明，閥門快速關閉后，管道中的最大壓力隨著管道流量的增加而線性遞增，并且會出現(xiàn)負壓情況。使用CFD（計算流體動力學）技術以及相關軟件對現(xiàn)有水錘模型進行了三維仿真，通過同一點位的實測壓力曲線與仿真壓力曲線的對比論證該試驗的正確性，可為長距離供水管道工程的設計提供試驗依據(jù)。

關鍵詞：管道? 閥門? 關閥水錘? 模型試驗? 三維仿真

中圖分類號：TU991.39 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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，我國的水資源時空分布不均勻導致的區(qū)域性缺水嚴重，成為阻礙城市發(fā)展的制約因素，因此，近幾年國家以及大部分地方大力發(fā)展長距離引水工程建設[1]。由于輸水工程的特殊性和復雜性，長距離輸水中存在很多的問題，其中最常見、最突出的問題是長距離輸水管線水錘防護[2]。

在有壓管路中，由于某種外界原因（如閥門突然關閉、水泵機組突然停車）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]。由閥門關閉產生的水錘稱為關閥水錘。水錘效應有極大的破壞性：壓力過高，將引起管子的破裂;反之，壓力過低又會導致管子的癟塌，還會損壞閥門和固定件[4]。

該文以福州大學水利學院長距離供水管道水錘試驗平臺為研究對象，主要探究水平放置的輸水管道因閥門突然關閉產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、閥門關閉時間、管道長度之間的規(guī)律，解決與水錘有關的工程問題，開展相關課題的研究，為長距離供水管道工程的設計提供試驗依據(jù)。

1? 水錘試驗平臺

長距離供水管道水錘試驗平臺為開式試驗臺，管道為無縫鋼管，管徑為DN100mm，耐壓等級PN40，管道總長約320m。試驗平臺由恒流供水系統(tǒng)、水錘消除系統(tǒng)、閥門系統(tǒng)、試驗管道系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)及中央監(jiān)控機組成，如圖1所示。

1.1 恒流供水系統(tǒng)

恒流供水系統(tǒng)是整個試驗平臺的核心，因為只有保證管道內流量穩(wěn)定，才能準確地模擬出不同流速下由水錘引起的管道共振現(xiàn)象，進而找出解決方法。恒流供水系統(tǒng)由臥式離心泵、變頻器、網絡適配器、閥門及附屬設施組成。恒流供水系統(tǒng)采用在供水管道布置電磁流量計作為閉環(huán)流量控制手段?？刂屏鞒倘缦拢河嬎銠C根據(jù)電磁流量計測得實時流量大小，通過特定控制算法計算結果，利用變頻器直接控制水泵的電機，通過調節(jié)加在電機上的交流電壓頻率來改變電機的運行速度，從而調節(jié)水泵的進出水流量，達到管道內恒流控制的目的。

1.2 水錘消除系統(tǒng)

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

（2）泄壓閥。根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力能自動啟閉，當管道內壓力超過泄壓閥設定壓力時，即自動開啟泄壓，保證管道內介質壓力在設定壓力之下，起到保護水泵和管道的作用。

1.3 閥門系統(tǒng)

閥門系統(tǒng)分為兩個部分：一部分為快速閥門系統(tǒng)，由電控液壓閥和控制保護裝置組成，實現(xiàn)對管道供水的快速切斷，以產生水錘;另一部分為慢速閥門系統(tǒng)，由11組手動閥組成，實現(xiàn)對試驗管路長度的切換。

（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械能轉換成液體的壓力能，通過控制閥和液壓輔件控制液壓介質的壓力、流量和流動方向，將液壓泵輸出的壓力能傳給油缸，油缸將液體壓力能轉換為機械能，以完成對閥門啟閉控制。

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

1.4 試驗管道系統(tǒng)

試驗管道系統(tǒng)分為試驗管段和非試驗管段，試驗管段和非試驗管段通過焊接法蘭方式連接，可通過拆卸法蘭上的螺絲，實現(xiàn)不同材質的試驗管段的替換。

（1）試驗管段。長度16m，試驗管道內徑為DN100mm，可測試鋼管、PVC管、有機玻璃管3種不同材質的試驗情況。

（2）非試驗管段。采用管道內徑DN100mm、耐壓等級PN40的無縫鋼管，總長度為316m。

2? 關閥水錘試驗

長距離供水管道水錘試驗平臺閥門和管道狀況如下。

（1）快速電控液壓閥：關斷時間設置為最小0.9s。

（2）慢速閥門系統(tǒng)狀況：編號為T1、T7、T10的3個手動閥為關閉狀態(tài)，其余8個手動閥為開啟狀態(tài)，此時管道總長度為317m。

（3）試驗管段狀況：選用DN100mm口徑的無縫鋼管，耐壓等級PN40。

試驗一共進行了8組工況，管道流量從10m3/h開始，每5m3/h一個等級遞增，一直到43m3/h。閥門快速關閉后，不同工況下管道最大最小壓力統(tǒng)計見表1，最大最小壓力變化趨勢見圖2，各工況下管道壓力變化趨勢見圖3～圖6。

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

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

3? 仿真分析

使用CFD（計算流體動力學）技術以及相關軟件對現(xiàn)有水錘模型進行三維仿真，通過同一點位的實測壓力曲線與仿真壓力曲線的對比論證該試驗的正確性，為水錘現(xiàn)象預防、具體輸送管路設計等研究提供參考[5]。

采用Solidworks、Meshing、ICEM、FLUENT軟件分別進行了建模、網格劃分、數(shù)值計算和處理分析，對數(shù)值模擬對象的初始條件、邊界條件和求解器進行了設置，三維模型如圖7所示[6-7]。

實際試驗前開啟水泵保證水管內流場穩(wěn)定循環(huán)后關閉閥門并測量閥門附近點位的壓力值，具體試驗結果與仿真結果對比見圖8。

實際中通過安裝在管外壁的壓強傳感器進行測量，該仿真通過檢測固定面的壓力變化總結水錘效應規(guī)律，兩者皆反映出在閥門關閉過程中以及關閉后一段時間內，流場對于管壁的壓力會大振幅波動后逐漸趨于穩(wěn)定。經圖8對比可以看到，實際試驗與仿真模擬中的壓力曲線波動幅度相似，最大壓力值相近，流場趨于穩(wěn)定的時間亦近似，故證明采用CFD技術對于管道內流場水錘效應的仿真模型較為可靠，在三維立體層面對于流場的模擬對于水錘現(xiàn)象的研究具有很大的幫助。

4? 結語

該文以福州大學水利學院長距離供水管道水錘試驗平臺為研究對象，對關閥水錘進行了試驗研究。試驗結果表明，閥門快速關閉后，管道中的最大壓力隨著管道流量的增加而線性遞增，并且會出現(xiàn)負壓情況。使用CFD（計算流體動力學）技術以及相關軟件對現(xiàn)有水錘模型進行了三維仿真，通過同一點位的實測壓力曲線與仿真壓力曲線的對比論證該試驗的正確性，可為長距離供水管道工程的設計提供試驗依據(jù)。該文目前只做了不同管道流量、恒定關閥時間的水錘試驗，后續(xù)試驗可圍繞不同關閥時間、不同管道長度的水錘試驗。

參考文獻

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

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

[3] 張景望，吳建華，高潔，等.長距離重力流輸水系統(tǒng)水錘模擬及其防護研究[J].水電能源科學，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措施研究[J].市政技術，2019，（1）：115-118.

[5] 徐奕蒙，王磊，邢方亮，等.基于計算流體動力學的長輸水管道關閥水錘現(xiàn)象流場模擬[C]//中國水利學會2019學術年會論文集（第二分冊）.中國水利水電出版社，2019.

[6] 汪建，楊帥，吳大轉，等.基于三維CFD 方法的管路瞬變流特性研究[J].流體機械，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)過程研究[D].電子科技大學，2017.