不同倾斜度下管道充水特性分析

针对管道充放水周期较长的问题,在对比模拟结果与试验数据吻合度的基础上,建立5种不同倾斜角度的管道三维模型,仿真不同倾斜角度下管道充水过程,分析其内部流速、压力和气液两相分布变化情况。结果表明,管道倾斜度小于30°时,水流流态稳定,流线均匀,管内水位均匀上升,平均充水流速1.3 m/s;随着倾斜度增加,流速越来越快,气液两相混合流动现象越来越明显,当倾斜角度为60°时,存在气体拥塞管道现象。综合对比,建议管道在倾斜度小于30°时可以适当增加充水速度,缩短充水周期。

洪水过程线同频放大混合整数规划模型

当设计洪水峰、量关系较差时,设计洪水过程线同频放大会出现明显的畸形。构建了设计洪水过程线同频放大混合整数规划模型,以洪水过程线各时段流量作为决策变量,提出了时序系列光滑度函数,并以此作为目标函数,以设计洪峰流量、不同时段设计洪量作为约束条件,首次加入了涨落同向约束条件,保证设计和典型洪水过程线具备相近模式。实例研究表明,当设计洪水峰、量关系不协调时,此模型计算的设计洪水过程线顺滑、各频率之间无交叉,与典型洪水过程线(特别在洪峰附近时段保持)相近模式。研究成果为设计洪水过程线同频放大提供了新的、可行的方法。

弯管与三通管组合形变件局部阻力及相邻影响特性

【目的】探究灌溉输水管网中的弯管与三通管组合形变件的局部阻力及其相邻影响特性。【方法】采用Realizablek-ε模型对不同雷诺数、管径比、分流比和相对间距下的组合形变件进行数值模拟,研究局部阻力系数和相邻影响系数的变化规律,分析不同相对间距下的流场分布。【结果】弯管—竖直支管的局部阻力系数ζ_(01)和弯管—水平支管的局部阻力系数ζ_(02)随雷诺数的增大而减小;ζ_(01)、ζ_(02)随分流比的增加先减小后增大;随着管径比的增大,ζ_(01)、ζ_(02)均呈减小趋势,且ζ_(01)的减小幅度更加明显;随着相对间距的增大,ζ_(01)、ζ_(02)呈先减小后增大的趋势。弯管—竖直支管的相邻影响系数C01和弯管—水平支管的相邻影响系数C02随雷诺数、管径比、分流比和相对间距的变化呈不同的变化规律。局部阻力系数和相邻影响系数的变化取决于弯管二次流的发育、竖直支管涡流与水平支管涡流之间的相互作用。【结论】分流比、管径比、相对间距是弯管与三通管组合形变件管道系统的局部阻力、相邻影响的主要影响因素。

长距离多支线有压输水系统起动水锤防护

为研究同时包含重力流输水管线与泵站加压提水管线的长距离多支线有压输水系统开启运行时的水锤问题,基于瞬变流分析的特征线法建立了输水系统过渡过程计算的数学模型,结合实际工程计算了输水系统开启运行时调节阀与水泵及其出口阀不同的开启时间与控制策略对水锤的影响,并在此基础上提出了空气阀联合阀门开启的水锤防护方案。结果表明:采取提水泵站滞后调节阀开启运行,且各提水泵站相继开启的策略可有效改善输水系统沿线的内水压力分布;采用空气阀联合阀门开启的水锤防护方案可在不影响输水系统反应速度的情况下以较小尺寸的空气阀达到较好的水锤防护效果。

管道泄漏检测的主动式压力波激发膜片特性研究

设计了主动式压力波发生器,利用压缩空气冲击膜片可以在管道中激发幅值和波形稳定的压力波,从而用于主动式压力波泄漏检测。文章通过实验探究了膜片种类、厚度及预变形对压力波激发特性的影响。实验结果表明,线弹性材料膜片在回弹时会产生很强的负压波,且当进气时间为80 ms及100 ms时,其压力波幅值远低于非线弹性的橡胶膜片;当进气时间为100 ms时,用不同种类橡胶膜片激发的压力波幅值仅相差20 kPa。橡胶膜片厚度对压力波幅值的影响较小,但增加膜片厚度可以避免水侧和气侧压力曲线发生分离。膜片施加预变形可以略微提高压力波幅值,同时使水侧和气侧压力曲线不会分离。因此,压力波激发应当选用橡胶作为膜片材料,适当提高膜片厚度且施加预变形。

复杂输水发电系统尾水隧洞明满流对水力过渡过程的影响

为研究输水发电系统中明满流尾水系统的水力特性及其适用性,基于特征线法和特征隐式格式法建立水电站输水发电系统过渡过程分析模型,比较分析了明满流与全有压流两类尾水系统的水力特性以及尾水系统明满流过渡过程对输水发电系统瞬态参数和机组调节品质的影响。结果表明:在尾水隧洞全有压和明满流条件下,机组调节保证计算参数的控制值偏差较小,明满流尾水系统对应的尾水管进口最小内水压力相对较大;考虑明满流尾水系统的机组调节品质优于有压流尾水系统,且无明显的高频振荡叠加现象。

考虑不确定性因素的弹性管道水锤模型及实验验证

在长距离引调水、城市供水等有压输水管道,系统启停和工况切换等均会引起水锤现象,导致管线结构破坏甚至爆管现象,因此精准高效水力瞬变计算对于系统水力安全、智慧调控至关重要.然而,现有的水力计算主要是基于传统的弹性水锤理论,忽略且低估了不确定性因素对能量耗散和水锤压力的衰减效应.针对弹性管道水锤问题,提高计算的精确性和可靠性,考虑实际管道中难以用机理表达的不确定因素,包括流体的轴向运动、管道锚固约束、流体惯性效应等,提出两种适用于弹性管道的水锤模型:广义Kelvin-Voigt模型与Zielke动态摩阻结合的耦合模型、基于广义Kelvin-Voigt模型的水锤模型,可通过时域全波形反演方法对蠕变函数进行参数率定.为了验证本文模型的正确性,搭建了水锤模型实验台.结果表明,耦合模型可有效提高弹性管道水锤瞬态模拟的准确性,但其效率较低;而广义Kelvin-Voigt模型,计算模拟与蠕变函数反演的计算效率大幅增加,且仍然能够有较高的精度,通过误差分析可知,得到的蠕变函数对同一管线系统中其余的实验工况依然适用.因此,为水锤计算提供了一种精准、高效的计算方法.

基于VMD及深度学习的供水管道小尺度泄漏检测研究

针对常压、小尺度泄漏条件下,泄漏信号不明显、难以有效检测的问题,开展了供水管道泄漏检测研究,获取了100~220 kPa压力、40~80 m^(3)/h流量条件下的泄漏实验数据,并分析了压力泄漏信号的变化规律。为减少噪声干扰并增强泄漏信号特征,采用变分模态分解(VMD)对实验数据进行降噪,并进行标准化处理。基于长短期记忆网络(LSTM)、双向长短期记忆网络(BiLSTM)、门控循环单元(GRU)等典型循环神经网络,结合卷积神经网络(CNN),构建了CNN-LSTM、CNN-BiLSTM以及CNN-GRU等3种深度学习泄漏检测模型,并进行了预测性能评价,其中,CNN-GRU模型对全部实验数据的预测精度高达99.56%。结果表明:所构建的泄漏模型能够有效判断常压、小尺度条件下的管道是否发生漏损;利用CNN进行特征提取,能够有效提取泄漏特征,从而提升泄漏检测模型的预测精度和泛化性。研究工作可为管道泄漏检测系统智慧管理提供支撑。

基于剪切稀化模型的三通减阻数值模拟

为了研究添加表面活性剂在供热管道局部构件处的减阻效果,选取三通构件模型,利用计算流体力学软件模拟管内不同雷诺数下纯水和CTAC/NaSal溶液的流动。通过网格无关性、对比减阻规律验证了Carreau-Bird模型的可靠性,着重分析了减阻率、流速分布和湍动能的变化,并采用Ω准则和Q准则分析三通涡结构变化。结果表明:三通中添加CTAC溶液,减阻效果小于直管,但在较小雷诺数下就达到减阻率最大值;添加CTAC溶液改变了三通内流速分布,会使管内低速流动区域减小,而高速流动区域增大,出口段湍流流动层流化;降低了壁面附近的涡量,但增加了涡旋中心区的涡量。

双弯弯管水力特性数值模拟分析

为探究不同夹角、流道结构、雷诺数下双弯弯管水力特性,揭示其不同夹角、流道结构、雷诺数、局部水头损失相关关系,以DN192 mm为例,建立弯弯、弯折、折弯、折折4种流道不同角度的三维结构模型,通过数值模拟计算和后处理,得到DN192 mm双弯弯管不同夹角、流道结构、雷诺数下水力特性及流场分布。结果表明:DN192 mm双弯弯管的局部阻力系数与夹角主要呈现二次抛物线关系变化,随着弯曲角度的增大呈先减小后增大的趋势,所有组合弯管在角度为π/6时局部阻力损失系数达到最小;相同条件下,弯弯组合弯管结构最好,弯折组合与折弯组合较好,折折组合最差;在双弯组合弯管设计中,入流方向与过渡段夹角应在π/6左右为宜。

某长距离双管输水工程水力过渡过程分析

为研究长距离双管重力流输水工程过渡过程的安全性,以某长距离双管输水工程为对象,利用特征线法分析了正常运行工况下开阀过渡过程、4种事故工况下关阀过渡过程产生的水锤效应及相应的水锤防护措施。结果表明:延长重力流管道工作阀的关阀时间或者在驼峰点增设空气阀对缓解水锤振荡有一定作用;平行布置的两根管道的内水压力在过渡过程中产生的水锤压力基本一致;在薄弱点增设空气罐能有效控制振荡幅度及次数。

淹没式多喷孔调流阀在大落差重力流供水管道中的应用

乐山市某县城供水工程的水厂清水池至末端高位水池供水管道长4.277 km,高差760 m,因高差太大,供水干管沿线需要设置可靠的分级减压设施。文章以此自来水厂供水干管为例,经过比选分析研究,确定工程沿线共设置7处淹没式多喷孔调流阀,分7级减压,有效控制流量和水压,降低水锤危害,确保管道安全运行,可为类似供水工程的实施提供技术参考。

轴流式止回阀与水击泄放阀组合的水锤防护系统研究

【目的】研究减小长距离高扬程输水工程中水锤作用对建筑物安全运行的不利影响,保障管道等建筑物安全。【方法】基于瞬变流理论及特征线法结合水柱分离数学模型的方法,并考虑水锤防护设备的边界条件,运用水锤仿真计算软件对系统停泵水锤进行数值计算。对传统的“单向调压塔+空气阀”和“水击泄放阀+轴流止回阀+空气阀”2种水锤防护措施进行比较,验证轴流止回阀与水击泄放阀组合的水锤防护系统防护效果。【结果】经过计算及后期实际工程多年运行验证后表明在长距离高扬程输水工程中:2种水锤防护方案对事故停泵下管线高压及负压水锤均有一定的防护效果。“单向调压塔+空气阀”的防护措施能使管道内负压由汽化负压-8.4 m降到了-6.9 m水头压力,管道正压最大值由3.04 Mpa降低至2.98 Mpa,但若要继续降低管线负压则需再增加调压塔数量,增加工程投资,经济性上并无优势;“水击泄放阀+轴流止回阀+空气阀”的水锤防护措施,能够有效防护因停泵引起的高低压水锤及水泵倒流倒转等问题,管道内负压由已汽化负压降到了-5 m水头压力,使其系统内最高压力由3.04 Mpa降低至3.0 Mpa,管道最大压力控制在稳态压力的1.2倍之内。【结论】工程竣工多年运行验证,此水锤防护系统只需在输水系统中设1处水击泄放阀和轴流止回阀即可实现有效的防护因停泵引起的高低压水锤及水泵倒流倒转等问题,具有相同的可靠性和更高的经济性,可为类似工程防水锤设计提供依据。

防水锤空气罐在设计过程中的相关问题

防水锤空气罐是一种有效的调压设备,在引调水工程中应用广泛。在选取防水锤空气罐时,需要考虑的因素较多。从防水锤空气罐承担的主要作用入手,以实际工程为例,详细论述防水锤空气罐在设计过程中的适用性、参数设置、加设位置等方面内容,为其他工程设计提供参考,提高工程的安全性,降低工程投资。

高扬程多起伏输水管道停泵水锤防护优化

为兼顾可靠性和经济性,对高扬程、多起伏输水管道停泵水锤防护设备参数进行优化,构建BP神经网络模拟水力过渡过程,以空气阀和单向调压塔参数为决策变量,协同多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行优化得到Pareto最优解集,采用熵权-TOPSIS法进行决策确定最佳方案。将该方法应用于工程实例,结果表明,相比初始方案,优化方案以低于92.06%的单向调压塔容积提供相近的正压防护效果,管道沿线最低负压提升49.28%,与无防护措施相比,在满足管材耐压能力的同时,管道沿线最大、最小压力与屈服能力上、下限的最大差距分别减小84.02%和65.00%。该方法可实现停泵水锤防护计算与智能优化算法有效链接,确定可靠且经济的停泵水锤防护设备参数。

对三通管道不同出口夹角湍流数值模拟研究

三通管道具有结构简单、装卸方便、经济高效等优点,被广泛应用于水利输水系统中。文章采用FLUENT软件,对三维不同出口夹角的三通管内部流体动力学进行数值模拟研究,分析研究不同出口夹角下三通管内部流体的速度场、压强场及流线分布的变化规律,得出以下结论:管道内流体流速、压强、流线呈对称均匀分布;随着出口管段夹角的不断增加,管道内流体的速度也逐渐增大,而压强逐渐减小,入口管段与出口管段相接处形成涡旋区,且夹角越大时,此区域内流体的速度、压强、流线变化越复杂,且此区域所产生的负压达到最大。即可对三通管入口管段与出口管段相接处进行结构优化从而降低负压减小对管道的空蚀破坏,为管道的合理设计提供可靠的理论依据。

洋塘灌区右岸渠首泵站更新改造泵组选型设计与水锤计算

文章根据泵站实际情况和工程任务,对水泵机组进行选型设计,选择适宜的水泵机组是泵站工程设计的技术要点。通过对水泵出口管网进行水锤计算以确定水泵出口阀门最短关闭时间。同时,为避免发生破坏性直接水击,提出了合理的阀门关闭时间,优化选择了适宜的管网大小和布置方案。输水管线的布置方案综合考虑了地形地貌、地质特点、道路的走向、自然坡降、现状周边环境和施工条件等因素,充分利用现状地形,顺地形自然坡降布置管道,有效降低了工程造价。泵站设计是整个项目设计控制性关键节点,其设计方案与工程是否匹配直接影响着工程建设功能性指标评价标准。因此,结合该工程实际优选性能良好、运行维护管理方便和综合投资经济效益高的泵型和泵站及管线布置方案,确保泵站安全高效运行尤为重要。

长距离输水管道水力过渡过程分析及水锤防护研究

长距离输水工程具有管线较长、穿越地形复杂、地面起伏较大等特点,且多位于丘陵山地,沿线穿越各类建筑物,其水力条件过程和水锤防护设计成为工程设计的重点与难点,对工程安全及其稳定运行具有重要作用。本文以某输水管网工程为例,根据管网总体布置方案及用水特点,采用水力数学模型及水锤计算方法,分析输水管道不同运行条件下的水力过渡过程,模拟不同时间阀门启闭对沿程管道压力水锤变化的影响,从而为管道水锤防护设计和运行管理提供科学决策依据,以期为相关工程建设提供实践参考。

竖井式进/出水口布置型式及水力特性初探

抽水蓄能电站进/出水口型式一般分为侧式和竖井式。本文针对某抽水蓄能电站上水库进/出水口布置型式进行研究比选,并结合具体布置对推荐的竖井式进/出水口进行流态分析,通过三维数值计算与模型试验,观测库区及进/出水口前池流态、评估进/出水口水力特性、优化论证库区及进/出水口水力设计的合理性。研究成果对竖井式进/出水口的结构设计具有重要参考价值。

管嘴恒定出流在生态流量监测的应用尝试

在雷电易发山区,不采用或尽量少采用防雷、防浪涌能力差的精密流量传感器进行生态泄放流量的监测更为经济高效,有着巨大的应用需求。文章根据管嘴恒定出流的条件,在大坝坝底利用现有的旁通管,设计了一套无需流量传感器的生态流量泄放监测装置,以解决雷电易发区精密流量传感器极易损坏的问题。该装置中,旁通管长度设计为3~4倍管径,用于管嘴出流;通过采集水库实时水位,并根据水力学管嘴恒定出流计算公式和大坝泄放管的管径参数,按照公式Q=kμA 2gH计算实时流量、累积流量,并将计算的泄放流量数据上送至县平台、省平台,实现对生态流量的监测,该设计方案的尝试能满足小水电生态泄放流量监测的需求。