输配水管网水锤压力分布特征研究

论文摘要

新疆特殊的地理位置和气候条件,使得明渠输水的蒸发和渗漏问题以及冻胀问题尤为明显,但同时也具备了发展管道输水的独特优势。发展管道输水,水锤问题是重要的安全问题,管网水锤有别于单管水锤,更为复杂。本文从新疆区域节水农业的特点和优势出发,以PVC-U为试验管材,对输配水管网系统中的水锤进行了试验和数值模拟,主要包括不同分水角度和分水口距离布置形式的水锤叠加压力和分配压力的试验和数值模拟,以及流速和坡度参数对水锤负压的影响规律的研究。本文的主要结论和成果如下：（1）支管分水角度对管网中水锤压力有直接的影响。随着分水角度的减小,干管中水锤叠加压力值是逐渐增大的,符合指数函数分布。干管沿程水锤叠加压力最大值出现在干管分水口处,干管水锤叠加压力值由此向干管的首、末端递减分布,且向上游递减幅度要大于向下游递减幅度。两个支管水锤压力水头都是由支管末端瞬态操作阀门前向支管首端分水口处递减分布。因此,在管网设计时,应该使支管的分水角度大一些。（2）随着分水口间距的增大,干管中水锤叠加压力值在逐渐减小,也符合指数函数分布。干管沿程水锤叠加压力最大值出现在两个分水口对置间距的中点位置（干管中点）,并由此向干管首、末端逐渐递减,而且向上游递减的幅度略大于向下游递减幅度。而西个支管水锤压力值都是由支管末端阀门前向干管分水口处递减,上游支管的水锤压力值要略大于下游支管。水锤负压值是随着分水口间距的增大而逐渐增大的。所以支管的分水口可以设置为对置间距布置,距离根据实际管材抵抗负压能力尽可能布置远一些。（3）随着支管分水角度的减小,支管水锤分配压力值在逐步递增,呈指数函数分布。两个支管中水锤分配压力值都是由支管分水口处向支管末端阀门处递减,而干管沿程水锤压力最大值出现在其末端操作阀门前,而且随着传播距离的增长向干管的首端逐步递减分布。水锤负压值是瞬间作用,衰减很快。基于上述结论,支管分水角布置时应该小一些,45度分水角应该是最优选择。（4）分水口对置间距越大,支管水锤分配压力值是逐步减小的,呈指数函数分布。沿程压力分布而言,2个支管水锤分配压力值都是由支管首端分水口处向支管末端阀门处递减,且下游支管中的水锤分配压力值要略大于上游支管。干管水锤压力值最大值仍然出现在干管末端瞬态操作阀门前,并由此向干管首端逐渐递减分布。随着对置间距的增大,干管和支管中的水锤负压值都是逐渐减小的。因此,在管网设计时,支管分水口间距应该根据实际布置远一些。（5）管道流速参数对水锤负压的影响。水锤负压是成周期性出现,持续时间也是成周期性递减。随着流速的加大,产生的水锤负压值就越大,符合指数函数分布,且极限负压值持续时间越K,极限负压冲击次数也越多。关于沿程负压分布规律,干管的负压水头最大值产生在干管首端阀门FCV-1后,并向干管末端逐渐递减,且干管分水口上游段的递减速度较快,下游段递减速度放慢,对于支管而言,支管的负压水头最大值出现在支管首端J-8,并向支管末端逐渐递减,负压递减速度明显低于干管。综合上述结论,为防止负压破坏,PVC-U管道内流速应控制在2m/s以内。（6）管道坡度参数对水锤负压的影响。水锤负压也是成周期性出现,持续时间也是成周期性递减。不同坡度下的干管和支管中的水锤负压都达到了极限值,干管坡度越陡,干管和支管中的水锤极限负压值持续时间越长,作用在管壁上的次数也增多。对于负压沿程分布而言,干管和支管的水锤负压值都达到了极限负压值。（7）距离瞬变源越远,水锤压力值就越小。阀门前后、弯头、管道凸起处和分岔口处,以及水锤汇合叠加的位置都是水锤压力最大值极易产生的地方,而负压破坏最常出现的地方是阀后部位。在设计管网时,应该在这些地方设置水锤防护装置。（8）目前PVC-U管材抗击负压冲击的能力十分有限,公称压力为0.32-0.4MPa的管材在负压作用下,变形度达到10%就出现严重破坏现象,同时也使公称压力为0.63MPa的管材在负压作用下出现变形,变形度达到2.5%。正压值达到70.8m水头,但没有破坏管道,因此,PVC-U管道的抗击负压冲击能力较弱,可以通过改进管道截面的形状来提高管材抗负压能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 水锤问题的国内外研究现状
• 1.2.1 水锤压强的研究
• 1.2.2 水锤波速的研究
• 1.2.3 水锤计算模型的研究
• 1.2.4 管网水锤的计算理论和方法
• 1.3 管网水锤研究现存问题
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 试验材料、仪器设备和方法
• 2.1 试验概况
• 2.2 试验材料和仪器设备
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 数据采集仪器设备及采集原理
• 2.3 试验布置及方法
• 2.3.1 水锤压力物理试验布置
• 2.3.2 水锤压力物理试验方法
• 2.4 数值模拟工具
• 2.4.1 水锤压力数值模拟
• 2.4.2 水锤压力数值模拟方法
• 第三章 PVC-U管材力学性能
• 3.1 PVC-U管材壁厚测定
• 3.2 PVC-U管材弹性模量和泊松比测定
• 3.2.1 试验设备和工具
• 3.2.2 试样尺寸及制备
• 3.2.3 试验步骤
• 3.2.4 试验结果分析
• 第四章 支管分水角度对水锤压力叠加的影响
• 4.1 支管分水角度对水锤压力叠加的影响试验
• 4.1.1 试验概况
• 4.1.2 试验结果及分析
• 4.2 支管分水角度对水锤压力叠加的影响模拟
• 4.2.1 模拟概况
• 4.2.2 模拟结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 支管分水口对置间距对水锤压力叠加的影响
• 5.1 支管分水口对置间距对水锤压力叠加的影响试验
• 5.1.1 试验概况
• 5.1.2 试验结果及分析
• 5.2 支管分水口对置间距对水锤压力叠加的影响模拟
• 5.2.1 模拟概况
• 5.2.2 模拟结果及分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 支管分水角度对水锤压力分配的影响
• 6.1 支管分水角度对水锤压力分配的影响试验
• 6.1.1 试验概况
• 6.1.2 试验结果及分析
• 6.2 支管分水角度对水锤压力分配的影响模拟
• 6.2.1 模拟概况
• 6.2.2 模拟结果及分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 支管分水口对置间距对水锤压力分配的影响
• 7.1 支管分水口对置间距对水锤压力分配的影响试验
• 7.1.1 试验概况
• 7.1.2 试验结果及分析
• 7.2 支管分水口对置间距对水锤压力分配的影响模拟
• 7.2.1 模拟概况
• 7.2.2 模拟结果及分析
• 7.3 本章小结
• 第八章 管网水锤负压的分布规律研究
• 8.1 试验中管道负压水锤破坏现象分析
• 8.2 管道流速与负压水锤的关系模拟分析
• 8.3 管道坡度与负压水锤的关系模拟分析
• 8.4 本章小结
• 第九章 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 导师评阅表