泵系統(tǒng)和樹(shù)狀重力流系統(tǒng)瞬變控制方法研究及應(yīng)用.pdf

1、隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，長(zhǎng)距離輸水工程越來(lái)越多，保證長(zhǎng)距離輸水工程的運(yùn)行安全是首要任務(wù)。特別是泵系統(tǒng)和樹(shù)狀重力輸水系統(tǒng)，引起泵系統(tǒng)瞬變流的原因較多，可以是人為調(diào)節(jié)產(chǎn)生的擾動(dòng)，如泵系統(tǒng)中的閥調(diào)節(jié)、全調(diào)節(jié)葉片泵的葉片安裝角度的調(diào)節(jié)、水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等等，也可以是其它偶然因素產(chǎn)生的系統(tǒng)擾動(dòng)，如電力中斷導(dǎo)致的事故停泵等，事故停泵引起的瞬變過(guò)程往往是造成管道破裂或其它工程事故的最主要原因。樹(shù)狀重力流系統(tǒng)水源單一，用水點(diǎn)較多，與一般輸水系統(tǒng)相比，樹(shù)狀

2、重力流輸水系統(tǒng)更為復(fù)雜，瞬變過(guò)程存在更多的不確定性因素。如果多個(gè)支管末端閥門(mén)在較短時(shí)間內(nèi)相繼關(guān)閉或開(kāi)啟，將會(huì)引起系統(tǒng)內(nèi)瞬變壓力波的疊加，導(dǎo)致過(guò)高的正壓或嚴(yán)重的負(fù)壓。因此，本文針對(duì)泵系統(tǒng)和樹(shù)狀重力系統(tǒng)瞬變控制方法進(jìn)行研究，既可提高泵系統(tǒng)和樹(shù)狀重力流系統(tǒng)的瞬變控制效果，又有利于減小控制瞬變措施的工程投資，這對(duì)降低工程造價(jià)、提高系統(tǒng)運(yùn)行中的安全可靠性與運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要意義。
　　本文采用理論分析、數(shù)值模擬與工程應(yīng)用相結(jié)合的研究方法，運(yùn)

3、用瞬變流的基本理論和數(shù)值計(jì)算方法，在前人研究的基礎(chǔ)上使用科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言Matlab編程，對(duì)泵系統(tǒng)和樹(shù)狀重力流系統(tǒng)瞬變控制方法進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，具體研究成果如下：
　　1.空氣閥是安裝在輸水管道上的常用裝置，目前空氣閥在工程應(yīng)用中的存在盲目性和隨意性問(wèn)題。空氣閥型式和孔徑選擇不合適，會(huì)使空氣進(jìn)入管道不及時(shí)而引起汽化現(xiàn)象或管道內(nèi)的空氣快速排放而引起水柱分離再?gòu)浐纤沧冋龎骸榱搜芯靠諝忾y控制瞬變的機(jī)理、空氣閥的控制瞬變效果和空氣閥控制瞬

4、變的影響因素，本文運(yùn)用基本瞬變理論和特征線(xiàn)方法，建立空氣閥邊界條件，使用科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言Matlab對(duì)算例進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：進(jìn)氣孔徑和排氣孔徑尺寸不相同的空氣閥比進(jìn)、排氣孔相同的空氣閥的瞬變控制效果更好，空氣閥控制瞬變的主要影響因素為空氣閥的進(jìn)氣孔面積Ain，排氣孔面積Aout，孔口面積比ε和上浮壓力系數(shù)ω。實(shí)際工程應(yīng)用中，要想達(dá)到理想的瞬變控制效果，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程對(duì)空氣閥的影響因素進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。
　　2.旁通管作為一種

5、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單的水錘防護(hù)措施被用來(lái)控制因水泵事故停泵引起的瞬變極值壓力。目前使用的傳統(tǒng)型旁通管在工程應(yīng)用上存在一定的局限性，本文針對(duì)其局限性對(duì)傳統(tǒng)型旁通管進(jìn)行了改進(jìn)，提出改進(jìn)型旁通管。與傳統(tǒng)型旁通管相比較，改進(jìn)型旁通管中的控制閥是以UPS控制器決定閥門(mén)啟閉的液控閥，這種改進(jìn)可以精確控制液控閥的啟閉，有利于瞬變控制。為了研究改進(jìn)型旁通管控制瞬變的效果，在特征線(xiàn)方法的基礎(chǔ)上建立了包括改進(jìn)型旁通管、止回閥和水泵的復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。以某工業(yè)園區(qū)供

6、水工程為例，數(shù)值模擬了該泵供水系統(tǒng)事故停泵后的瞬變過(guò)程。另外，通過(guò)6個(gè)方案對(duì)影響改進(jìn)型旁通管控制瞬變壓力效果的關(guān)鍵參數(shù)（改進(jìn)型旁通管的直徑d，長(zhǎng)度l和改進(jìn)型旁通管中液控閥的啟閉時(shí)間t1，t2，t3，t4）進(jìn)行敏感性分析研究，對(duì)泵供水系統(tǒng)典型斷面極值壓力變化和管道壓力包絡(luò)線(xiàn)的分析和比較，說(shuō)明選擇合適參數(shù)的改進(jìn)型旁通管能夠?qū)⑤斔到y(tǒng)中的瞬變壓力控制在合理范圍。為泵系統(tǒng)瞬變控制方法的完善和發(fā)展提供了技術(shù)依據(jù)，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

7、r>　　3.本文以樹(shù)狀重力流輸水系統(tǒng)支管末端閥門(mén)關(guān)閉（分別以5s關(guān)閉、30s關(guān)閉、50s關(guān)閉、75s關(guān)閉和100s關(guān)閉）分別在8個(gè)分水口處引起的瞬變壓力變化為研究重點(diǎn)，分別數(shù)值模擬計(jì)算了單個(gè)閥門(mén)關(guān)閉分別在8個(gè)分水口處引起的瞬變壓力變化；整個(gè)樹(shù)狀重力流樹(shù)狀系統(tǒng)11個(gè)閥門(mén)全部同時(shí)關(guān)閉分別在8個(gè)分水口處引起的瞬變壓力變化；9＃、10＃和11＃閥門(mén)分別同時(shí)關(guān)閉和疊加關(guān)閉在8＃分水口處引起的瞬變壓力變化；整個(gè)樹(shù)狀重力流樹(shù)狀系統(tǒng)11個(gè)閥門(mén)全部閥門(mén)疊

8、加關(guān)閉分別在8個(gè)分水口處引起的瞬變壓力變化。計(jì)算結(jié)果表明：每個(gè)閥門(mén)關(guān)閉引起的最大瞬變壓力在相同斷面上出現(xiàn)的時(shí)刻相同，最大瞬變壓力波就會(huì)發(fā)生相長(zhǎng)疊加。各支管末端閥門(mén)疊加關(guān)閉引起的最大瞬變壓力相長(zhǎng)疊加后的壓力升高值△H2大于各支管末端閥門(mén)全部同時(shí)關(guān)閉引起的壓力升高值△H2，也大于單個(gè)閥門(mén)關(guān)閉引起的瞬變壓力升高值的累加值Σ△H。本研究提出了樹(shù)狀重力流輸水系統(tǒng)最不利瞬變壓力的確定方法，證明發(fā)生相長(zhǎng)疊加后的瞬變壓力為最不利瞬變壓力，為樹(shù)狀重力流輸