Numerical Simulation of Condensation-induced Water-hammer

Condensation induced water hammer is one kind of water hammer caused by cavity collapse, which occurs frequently in engineering pipelines and can bring about enormous damage. Due to the vapor condensation, the formation and collapse of cavity are transient and of two phase character. In order to simulate the process of cavity formation and collapse, a physical model is suggested. In the model, the cavity boundary is treated as free surface of a calculating field. A numerical solution of the Navier Stokes equation is obtained by using a modified VOF (volume of fluid) method, in which the vapor condensation is considered. With the method, formation and collapse of the cavity are described, and the highest pressure is acquired. The numerical simulation results coincide with experimental results.

长距离输水泵站中空气罐参数敏感度分析及正交优化设计

为了探讨长距离输水泵站中空气罐的优化设计方法,以西北某长距离输水工程为例,以泵站水击最大正压水头和最小负压水头作为优化目标,以初始气体压力、高度直径比、连接管直径、进口阻力系数和出口阻力系数为优化变量,基于正交优化设计方法和KYPipe软件,采用极差分析法获得空气罐各参数对于水击最大正压水头和最小负压水头的影响,同时对得到的结果进行排序,比较并找到最优参数组合.结果表明:初始气体压力、连接管直径和出口阻力系数等因素对于水击最大正压水头和最小负压水头的影响程度较大,其中初始气体压力是最敏感的参数,对于最大正压水头和最小负压水头的影响程度最大;经过比较发现最优方案的参数组合为初始气体压力水头50 m、高度直径比4、连接管直径250 mm、进口阻力系数10、出口阻力系数5;相比原始方案,优化方案使泵站的水击最大正压水头降低4.98%、最小负压水头升高64.00%.

多分水口长距离输水工程停泵水锤防护措施

为了能够有效避免多泵且多分水口输水系统在无防护抽水断电时可能出现较为严重的负水锤带来的危害,建立了全长106.46 km的大型供水工程的数学模型进行系统过渡过程计算,选择空气阀与两阶段液控蝶阀联合防护与单向塔防护2种方案消除其负水锤,在前者远不达理想防护效果后针对后者进行优化.结合工程实际在确定了单向塔的数量、位置以及塔高后,对不同位置单向塔的底面积进行多种方案的对比选取,最终选用塔1#的底面积为28.26 m^(2),塔2#的底面积为176.63 m^(2);为了防止单向塔漏空需要分水口以及供水终端调流阀配合关闭,在确保管道最大压力不超出其承压能力的前提下,创新性地对各分水口调流阀与供水终端调流阀的关闭时间规律进行了效果比较,使输水系统能够更加经济安全地稳定运行,为此类长距离多分水口多泵供水工程的水锤防护提供了优化方向.

水击补气式压力罐及水力瞬变仿真

空气阀常常安装在输水管检修孔侧壁,进气后部分气体就会存留在检修孔上部产生气垫式压力罐的水击防护作用。据此,提出了水击补气式压力罐装置的设计方法,即利用泵站事故断电产生的水击负压现象,通过真空破坏阀或空气阀给压力罐补气,以防止输水管发生液体汽化现象并削减水击最大压力。然后,建立了水击补气式压力罐水力瞬变数值仿真数学模型。最后,以一个实际输水工程为例,计算比较了分别设置空气阀、空气阀调压室及真空破坏阀补气式压力罐时的水击防护效果,结果表明,补气式压力罐水击防护效果最好。

有机玻璃管道直接水锤压力特性试验研究

为了了解黏弹性管道的水锤压力特性,文中通过搭建水库-管道-阀门系统模型,进行了系列关阀水锤试验,针对有机玻璃管道中末端阀门初始开度分别为30%,100%时关阀产生的直接水锤压力变化规律进行了研究,从黏弹性材料的本构关系角度分析了关阀时间对黏弹性材料直接水锤的影响机理,并对2种不同初始开度下阀门附近的流场进行了三维数值模拟.研究结果表明:黏弹性管道中直接水锤压力变化规律与传统的水锤理论不符,直接水锤压力不仅与阀门的关闭时间有关,还与阀门的初始开度有关,满足“阀门关闭越快,直接水锤压力越大”与“阀门初始开度越小,直接水锤压力越大”的规律.

多级压缩机气阀寿命评估与极限含水量预测

针对目前油田天然气回注具有介质含水多、压力高且变化范围宽等特点,多级往复式压缩机容易产生水击破坏,如何预测极限含水量以有效防止水击是亟需解决的关键问题。采用计算流体力学方法,数值模拟并分析了多级压缩机注入湿气条件下各级气阀阀片的动力学特性,得到了不同天然气含水量的气阀阀片载荷分布。进一步结合nCode计算疲劳,预测了多级压缩机气阀服役寿命与极限含水量。JGC-4型压缩机模拟计算结果表明:随着进气含水量增大,压缩机排气压力提高,气缸内不断析出水滴,致使水击产生,且对高压级影响更为显著,压缩机整机进气含水体积分数上限为0.43%。研究结果可为多级往复式压缩机的应用提供技术支撑。

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。

输水管线空气阀进排气孔径的合理选择

输水管线空气阀进排气孔径的选择,包括防水锤型空气阀低压进排气孔、缓冲板小排气孔和高压微量排气孔,不仅影响输水的安全性,而且严重影响工程投资。为了合理选择各种类型空气阀进排气孔径,本文首先提出了气体流量与流量系数、孔径、气压的函数关系,以及输水管液柱弥合水击压力与输水管直径、水击波速和空气阀流量改变量的函数关系;然后,建立了空气阀进排气孔径与输水管线充水和排水流速、负压控制要求及水击压力之间的函数关系,同时考虑了管材刚度和位置高程的影响。最后,分别以重力流输水管线和泵站加压输水管线为例,应用所得理论公式分别计算确定了复合式空气阀和防水锤型空气阀进排气孔孔径,结果表明按照本文公式确定的空气阀进排气孔径,不仅比按照常规经验确定的空气阀孔径小得多,而且可以有效削减输水管的液柱弥合水击压力。

有压输水系统水锤防护方案探讨

水锤是有压输水系统中一种极为常见的现象,而长距离、高扬程和大流量输水项目的水锤防护,对工程运行安全显得尤为重要。通过对水锤现象的探讨,分析产生水锤的基本因素,梳理常见的水锤防护措施,提出针对不同情况应采取相应的水锤防护方案;对流速、管线布置、管材、管长和管道最大工作压力等设计参数分析,通过工程案例选取调流调压阀、两阶段缓闭阀、空气阀、空气罐、超压泄压阀、调压塔及增加机组转动惯量等其中适合工程实际的水锤防护措施,使系统水锤危害得到有效缓解,可为类似工程提供经验和借鉴。

离心泵变频调速在长距离输水工程中的应用与研究

介绍了南水北调大兴支线工程输水管道系统,特别是在处理水锤现象和保证安全输水方面的应对措施。对整个输水系统建立数学模型,阐述数学模型在供水系统瞬变流数值计算中的应用,对比离心泵启动及停止瞬态过程中工频与变频的变化对整个系统安全运行的影响,并提出了大兴支线输水工程过渡过程计算分析结果。通过建立合理的数学模型和设置边界条件,可有效解决供水系统瞬变流产生的问题,保证输水管道系统的安全稳定运行,为长距离输水工程设计及运行管理提供参考依据。

箱式双向调压塔在长距离重力流输水管道水锤防护中的新应用

本文提出箱式双向调压塔小塔径多塔代替大塔径单塔的水锤防护新思路,并通过数值模拟和理论计算得出,当1台塔在原位置、另1台塔在其上下游100m范围内时,不会对其水锤防护效果产生影响,管道仍可安全运行。

超临界CO_(2)管道瞬态输送工艺研究进展及方向

长距离超临界CO_(2)管道瞬态输送的核心技术还有待突破,相关模型和方法亟需工业规模示范工程的验证及修正。以成就型综述法,对超临界CO_(2)管道输送过程中停输、水击、泄漏和放空工况下形成的CO_(2)瞬态流加以描述、成果比较和综合评价。结果表明:超临界CO_(2)瞬态流的关键因素是温度、压力、相态变化、协同作用;超临界CO_(2)管道安全停输时间可定义为从停输开始至管内任一点流体即将进入气液共存区的时间;CO_(2)发生相变首先造成流速突变,进而是压力的突变,产生水击现象,引起新的瞬变流动;站场放空系统的设计目标是在放空过程不出现冰堵、材料冷脆、噪声污染、放空系统激振等问题的前提下,放空时间尽量短;埋地管道泄漏规律涉及到土壤渗流场、温度场、浓度场等多场耦合问题。研究结果可为超临界CO_(2)管道流动安全保障提供参考。

空气罐在高扬程泵站水锤防护中的应用及影响

以甘肃某大型供水工程为研究背景,泵站供水管线起伏明显,泵站扬程高、流量大,事故停泵后管线负压严重,通过增设空气阀无法将负压消除。基于特征线法采用HAMMER软件对该泵站在采用二阶段关闭液控偏心半球阀及空气罐的组合下进行了事故停泵水力过渡过程仿真分析,另分析了空气罐的主要参数对水力过渡过程的影响。计算结果表明:设置空气罐后管线负压明显得到解决;空气罐容积越大、水头损失比率越高、水箱进水口直径相对偏小一点,其水锤防护效果越好;空气罐初次向管道补水和吸收管道水在水锤防护过程发挥重要作用;不同参数下空气罐首次向管道补水的时间几乎相同。

基于KY PIPE的管道输水工程停泵水锤分析及防护方案研究

当长距离有压输水工程因事故突然断电停泵时,易产生停泵水锤,危害输水系统的安全运行。为减轻停泵水锤对泵站等管道输水系统的危害,基于实际工程,使用KY PIPE 2022软件建立了相应的水锤计算模型,通过数值模拟探究输水系统停泵水锤水力过渡全过程,讨论了两阶段缓闭式止回阀不同关阀程序和气囊式空气罐不同布置方式对水锤防护效果的影响规律。结果表明,止回阀两阶段关阀程序优于线性关阀程序;对于管线前端负压较轻的输水工程,气囊式空气罐在管线中部串联布置相较于首尾布置有更好的经济性和可行性。气囊式空气罐、空气阀和两阶段缓闭式止回阀联合防护方案可有效抑制水泵倒转和水体倒流现象,有效控制管内最大正压和负压,使各项关键参数满足规范要求。

基于正交试验泵加压输水管线空气罐参数优化

为探究空气罐在泵加压输水管线发生停泵水锤时,正、负压防护效果影响因子排序,寻求最优参数组合提高空气罐防护效果。基于新疆某输水工程,采用4因素4水平的正交试验方法,使用KYPIPE软件进行水力过渡过程模拟计算,建立正、负压防护效率评价指标对防护效果进行评价;采用熵权法将多目标优化转化为单目标优化,给出正、负压有效防护效率的权重分别为0.27、0.73。结果表明,对水锤防护效果影响最显著的因素为初始气体压力水头。各因素对正压防护效果影响大小排序为初始气体压力水头>入流阻力系数>出流阻力系数>高度直径比;对负压防护效果影响大小排序为初始气体压力水头>出流阻力系数>高度直径比>入流阻力系数;最优方案参数组合为初始气体压力水头为30 m、高度直径比为4、入流阻力系数为10、出流阻力系数为5;对比原方案,优化方案下最大正压降低15.8%,正压有效防护效率提高17.4%;最小负压增加60%,负压有效防护效率提高120%。

阻断水锤传播的调压塔水力特性及其应用

安全可控的水锤压力是保障长距离有压输水工程稳定运行的必要条件,然而对于超长有压输水系统,还需要重点关注局部爆管等极端事故产生的超标水锤压强,其在全线蔓延导致整个输水系统瘫痪,可能引发次生危害。为解决极端水锤压力在整个输水系统传播的问题,首先提出一种阻断水锤传播的圆筒式溢流调压塔结构,通过将调压塔进水管竖直向上深入调压塔内部,形成圆筒式溢流调压塔,利用调压塔结构将进出水管道有效分割,以此阻断水锤的传播。随后通过模型试验和数值模拟方法分析了阻断式调压塔的水力特性,发现调压塔内流态均匀,溢流水体能在调压塔内充分消能后进入下游管线。最后将此调压塔应用于引绰济辽有压管线中,发现当管线出现局部爆管事故时,此调压塔能有效阻断负水锤的传播,避免水锤在全线蔓延,缩小事故影响范围。研究成果可为超长距离输水系统的水锤防护措施研究提供借鉴依据。

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。

考虑岩溶管道影响的山体滑坡稳定性研究

西南地区近年来多次发生管道发育的岩溶山体滑坡灾害,造成了较严重的人员财产损失,明确岩溶管道在滑坡稳定性分析中的影响至关重要。本文首先根据现场调研和关键力的解析建立了发育岩溶管道的山体滑坡二维地质与力学模型,并提出了考虑岩溶管道作用影响的山体滑坡稳定性系数计算方法,认为岩溶管道对山体滑坡稳定性的影响主要体现在岩溶管道流的力学作用以及岩溶管道对岩体结构的劣化作用;根据Navier-stokes、Brinkman-extended Darcy方程推导出了岩溶地下水对管道的拖曳力和水锤作用力;通过大型数值直剪试验和流变试验分别得到水和岩溶管道发育率对岩体强度参数的弱化作用规律。最后结合重庆武隆鸡尾山滑坡实例,对本文提出的模型和计算方法进行了验证,结果表明,当岩溶管道未贯通时FOS=1.204,滑坡稳定;当岩溶管道贯通时FOS=1.053,滑坡处于欠稳定状态;岩溶管道贯通且降雨时,FOS=0.965,滑坡失稳,计算结果与滑坡实际情况基本一致。

基于水锤防护的多级增压泵站两阶段关阀策略优化研究

多级增压泵站常用于山地村镇供水,在长距离多级增压供水管道上下游发生事故停泵时,易导致管道内流速突变及压强大幅波动,进而形成水锤。为减轻水锤对长距离多级增压供水系统的破坏,以各级泵站两阶段关阀程序参数(快关时间、慢关时间、快关角度)为决策变量,以最大水锤压力为优化目标,构建了两阶段关阀优化模型,并使用遗传算法(GA)求解两阶段关阀最优策略。以华东某山地村镇供水管网为算例进行验证。结果表明,该模型提供的各级增压泵站两阶段关阀程序方案具有良好适用性,且调节两阶段关阀程序策略可以有效降低水锤对供水系统的影响,从而大大提高此类供水管网的安全性。

基于高频水击压力页岩气井暂堵效果评价

高频压力监测技术是一种实时、简单、低成本的压裂监测方法,压裂顶替结束后,地面泵车快速降低排量,在井筒中产生水击波。通过高频采集和分析施工过程中激发的水击压力波,正演获取井下压裂改造进液深度,对段内裂缝起裂位置、暂堵转向效果、桥塞机械封隔等进行有效评估,从而辅助评价压裂施工效果,指导现场施工决策,实现资源合理配置,保证页岩气藏综合开发效益。本文通过在长宁某页岩气水平井暂堵压裂中应用高频压力监测技术,对暂堵转向效果及桥塞机械封隔效果进行评估。同时,根据水击压力波的衰减特性评估了井下裂缝的复杂程度。最后,对比了其在长宁某井和基于暂堵前后压力增的压力曲线暂堵判定法的诊断效果,高频压力监测技术对暂堵转向效果识别能力更强,识别率从45%提升至75%,诊断效果更佳。高频水击压力监测的应用能辅助页岩气水平井压裂工艺参数优化,助力国内页岩气藏高效开发。