基于特征线法的含气输水管道水锤特性分析

输水管道发生关阀、泄漏等工况时,常处于气液两相流状态,极易造成异常压力波动,加剧了水锤的破坏性,影响管道的安全运行。为研究复杂输水管道内异常水压问题,该研究基于特征线法,建立了考虑非恒定摩阻的含气瞬变流模型,并引入离散气体空腔模型（Discrete Gas Cavity Model,DGCM）进行求解计算。对比了有无空气罐对含气瞬变流规律的作用,并研究了含气率、空气罐安装位置等因素对阀门末端压力的影响。结果表明,空气罐能大幅降低压力峰值,使管道快速达到稳定状态,无空气罐防护时压力峰值高达29.69 m,增加空气罐后压力峰值仅为8.38 m;含气率的增高、初始流量的减小、初始泄漏量的增大、空气罐离下游距离越近都可使管内压力峰值降低。研究结果可为输水工程的安全防护相关研究提供参考。     

考虑泥沙颗粒影响的长距离供水工程单向塔水锤防护

长距离供水工程的安全稳定运行离不开水锤防护,然而传统的水锤计算模型和分析方法忽略了泥沙颗粒影响。该研究基于浆体水锤波速公式和管路当量摩阻公式构建特征线方程进行数值计算,并通过水库-管道-阀门系统（RPV）关阀水锤试验的压力数据进行模型验证;结合单向塔边界数学模型,探究了泥沙颗粒参数对某工程输水管路单向塔水锤防护效果的影响。结果表明：无防护掉电时,含沙工况下泵后的降压波幅值更大,较清水多出1.22 m;含沙水管路沿线的最小内水压力均低于清水,插值最大为1.18 m。采用清水单向塔防护方案,除部分颗粒参数条件外（含沙量<10 kg/m3,颗粒直径=0.01 mm）,含沙管路沿线均会出现负压;其内水压力最小值随着颗粒直径和含沙量的增大而减小,最低可达-2.41 m。在给定的颗粒参数范围内,提出满足工程防护需求的含沙水单向塔防护方案,其塔高较清水方案需要提高4 m。相关研究成果可为高含沙流域长距离供水工程的水锤防护设计提供一定的参考。     

改进双流体模型计算有液柱分离的管路水锤压力

为计算管路系统中的气液两相瞬变流动,该文基于改进的双流体气液两相计算模型,对管道中由于水锤造成液柱分离现象的进行了分析,计算中考虑了管壁面随压力变化对波速的影响,并在数值求解中对方程中的不守恒项及不守恒方程进行了单独处理,以确保模型计算的稳定性。通过对2种弛豫计算方法对计算影响的研究,并与试验比对可以看出:对于采用有限弛豫参数计算时,需要考虑由于空化引起的相变,同时需要选择合理的泡粒数量以保证计算精确度;对于采用无限弛豫参数计算时,可忽略空化模型,直接对水锤造成的液柱分离现象进行分析模拟;通过采用改进的双流体气液两相流计算模型,并构建合理的数值计算方法,可以对带有明显液柱分离现象的管路气液两相瞬变现象进行预测。该种方法计算精度高,对于工业管道中的水锤防护计算具有较好的应用价值。     

水锤现象对泵站和输水管道的影响与防护——以万家寨引黄工程为例

不论是正常运行泵还是终止运行泵等都有可能对水流动性产生一定的影响.当压力较高情况下,可能会形成管道破裂,而当压力较低情况下,则可能会形成管道塌陷,甚至会对阀门以及固定物带来一定的影响.本文以万家寨引黄工程为例,研究水锤现象对泵站的影响特征,并提出了预防措施.研究成果可为水泵的运行管理提供参考.     

基于分布式水文模型的阿伦河流域降雨-径流计算

[目的]为黑龙江省西部半干旱区季节性地表径流计算提供科学的方法,并推求该区雨季各月的径流系数。[方法]基于对阿伦河流域下垫面的实际调查,对土壤垂直剖面模型化,利用GIS构建研究区DEM及河网,以运动波理论的基础方程式构建降雨—径流计算方法,以对观测流量的数值模拟检验模型实用性。通过对2012和2013年5—10月降雨—径流计算结果的分析,分别推求了各月径流量和径流系数。[结果]模型计算精度可以达到误差基准允许的范围之内(0.03);7,8月的月径流系数在0.5以上,计算时段内的径流量分别占各年总降水量的34.2%和34.7%。[结论]构建的降雨—径流数值模型,量化了计算时期内各月的径流系数,适用于对研究区降雨—径流过程的计算。     

有压管道瞬变流的非恒定摩阻模型改进

有压管道流动系统运行中经常发生水锤现象,极易导致爆管甚至人员伤亡,因此准确预测有压管道内的水锤现象对于保证系统安全运行具有重要意义。在有压管道内的水锤模拟中,以ZIELKE摩阻模型为代表的基于加权函数的非恒定摩阻模型能够描述有压管道瞬变流中的摩阻效应,但存在计算效率低下的问题。为提高计算效率,该研究提出了“先分段,后整体”的两阶段最小二乘拟合方法,建立了包含19个指数项的近似加权函数,并与已有近似加权函数进行对比,同时开展关阀水锤试验,对比了建立的摩阻模型与已有模型的计算效率和精度。结果表明,该研究建立的近似加权函数能够很好地拟合ZIELKE加权函数,其与ZIELKE加权函数的相对百分比误差近似为0;且其适用范围更宽,能够对无量纲时间在$\hat t \in [{10^{ - 9}},\infty )$范围内的非恒定流进行有效模拟。在计算精度方面,建立的模型与ZIELKE模型在阀门和中点处水头的最大相对百分比误差较小,分别为0.17%和0.15%,与URBANOWICZ模型的表现基本相同;在计算效率方面,建立的模型能够使ZIELKE模型计算效率提升约90%,能够使URBANOWICZ模型计算效率提升约30%。该研究建立的模型在适用范围、计算精度和计算效率方面具有较好的综合表现,能够在保证较宽适用范围和较高计算精度的前提下,提升计算效率。研究可为有压管道瞬变流的准确高效模拟提供理论支撑与参考。     

基于泵站流道流场数值计算的可视化方法研究

通过流场数值计算来优化泵站流道的水力设计是泵站流道设计的新途径和新方法。文中基于流场数值计算方法,根据工程实际需要,研究其相应的可视化实现方法,主要内容包括各种函数关系曲线处理、流道出口及任意断面轴向流速可视化及三维计算网格再处理和图形显示等。在新一代软件AutoCAD开发环境ARX下,实现了上述各项可视化功能     

基于DEM的坡长计算方法比较分析

坡长是重要的地形因子，流域坡长的提取有多种方法，国内应用到实际研究中的有基于格网的直接计算法和基于山脊线的快速计算法。以陕西省安塞县大南沟流域5m分辨率DEM为数据源探讨这两种方法的提取精度，分析可能存在的问题。在ArcGIS9．0环境中分别用直接计算法和快速计算法进行坡长提取，并与通过地形图量算的坡长进行比较分析。结果表明，直接方法计算结果的合格率为86．9％，与量算值之间的相关系数为0．800，确定性系数为0．520。快速计算法的合格率为69．7％，相关系数为0．276，确定性系数为-0．150，说明直接计算法的精度比快速计算法高。     

基于智能计算的施肥模型算法研究

传统的数理统计方法构造施肥模型时,其结构设计和因子选择多依赖先验知识,存在一定的偶然性和主观性。该文针对这些问题,采用GP构造初始施肥模型,再利用GA优化初始施肥模型参数,得到最优施肥模型。同时改进GP/GA初始种群的产生方法,减少了GP/GA进化代数,提高收敛效率。结果表明,该方法能够在不给定任何先验知识的条件下,得到很准确的模型,为施肥模型在广大农村的应用奠定了理论基础。     

基于CFD计算的轴流泵改型设计和效果

为了解决南水北调淮安二站改造工程中,水泵水力模型TJ05-ZL-02与现场土建结构存在的轮毂比不对应的问题,该文基于CFD数值计算针对淮安二站主水泵进行改型分析研究。将轮毂比为0.4的TJ05-ZL-02水力模型改成轮毂比为0.4667的新模型,确保改型之后的水泵模型跟TJ05-ZL-02水力模型性能相似,能够满足淮安二站调水、排涝的工程要求,同时应适当减小流量系数,适当降低高效区扬程。在改型设计时,研究主要设计参数对轴流泵性能的影响,控制叶片性能变化的方向,采用CFD数值计算的方法,对设计参数改变后的轴流泵水力性能进行验证,确定最终的改型设计方案。通过数值模拟对TJ05-ZL-02和改型的最终设计方案进行泵装置性能研究。最后将改型方案的模型泵装置试验结果与数值模拟结果对比,近一步对改型方案的可行性进行论证分析。研究结果表明:改型后轴流泵性能高效区扬程和流量,完全能够满足淮安二站运行要求;改型后轴流泵装置效率超过了70%,而原先淮安二站运行效率仅有54%,效率提高近20%,提高了调水性能,节约了运行成本;同时研究成果对今后的轴流泵改型设计具有重要的指导意义。     

PVC管网中支管连接方式对干管水锤压力叠加的影响

在灌区管网化建设中,为给管网布置设计提供科学依据以及完善管网设计理论,该文针对PVC-U输配水树状管网,试验研究支管分水口不同对置间距和不同分水角度对干管叠加水锤压力的影响,同时,对相应的管道叠加水锤过程进行模拟。试验中的PVC-U管径为200mm;支管分水口对置间距设为0、6.2、12.4和18.6m;分水角设为90°、60°和45°;用以加压的离心泵额定扬程为28m,额定流量374m3/h。试验和模拟结果表明,随着分水口对置间距由18.6m减至0,干管中相应的水锤叠加压力值由23.5增至30.1m;而随着支管分水口的分水角度由90°减至45°,干管中的水锤叠加压力由30.1增至34.9m;随着支管分水口对置间距和分水角的增大,干管中水锤叠加压力呈指数函数降低。管网设计时,支管分水口对置间距应该在0至农田宽度的一半范围内尽量大些,支管分水角应尽量呈90°布置。研究结果为输配水管网的设计和管理提供了参考。     

基于有限体积法的含无压段泵站水锤模拟及调压井优化

针对含无压段的泵站输水工程水锤模拟常采用特征线法,且往往忽略动态摩阻和有压-无压相互干扰影响的问题,该研究建立了考虑动态摩阻的二阶有限体积法模型,进行有压段-无压段实时联合计算。首先,采用二阶Godunov格式分别对有压流、无压流流动控制方程进行求解,同时考虑了动态摩阻效应以准确模拟水力瞬变过程中的能量耗散,并进行试验验证。进一步地,对有压段、无压段交接处采用变时步法传递数据,结合实际工程对阻抗式调压井的尺寸、位置进行了敏感性分析。结果表明：考虑动态摩阻效应后模型模拟结果与试验结果基本一致,阀门处水锤压力误差最大值仅有4.58%;与特征线法相比,二阶Godunov格式稳定性更高,库朗数小于1时水锤压力只有轻微的数值衰减。本文建立的有压段-无压段实时联合计算方法能够充分考虑有压段出水池水位变化以及无压段倒流的影响。针对水泵失电工况,对阻抗式调压井进行的优化研究表明,随连接管直径增大,系统内最大压力水头、调压井最高涌浪水位和水泵最大反转转速增大,调压井最低涌浪水位降低;随调压井直径增大,最高涌浪减小,最低涌浪增高,最大压力在连接管直径较小时一直降低,在连接管直径较大时先减小后增大;当连接管管径 3.5 m,调压井直径 15 m 时, 既能满足系统控制参数要求,也能减少工程量。调压井位置离泵站越近,最大压力、反转转速、最高涌浪越大,最低涌浪越小,当调压井布置在泵后1.0 km时,最高涌浪水位会达到172.35 m,不满足控制标准要求。综上,建立的模型具有较高的准确性、稳定性和适用性,研究结果可为含无压段泵站输水工程的水锤模拟提供参考。     

板料冲压成形过程摩擦特性数值仿真

为了掌握摩擦力在冲压成形过程中的变化规律及不同润滑条件对摩擦特性和成形质量的影响,该文依据摩擦理论和有限元理论,提出等效摩擦系数的概念,将摩擦力产生的机理与有限元数值仿真技术有机结合,分析不同润滑条件下板料冲压成形过程中的摩擦特性。研究表明:摩擦系数增大将导致冲压成形后期摩擦力快速增加,产品成形质量评价指标降低;在润滑条件确定的情况下,可知成形过程中摩擦力的主要成分是黏着区产生的摩擦力,黏着区、边界润滑膜区、犁削区和润滑小池区产生的摩擦力占总摩擦力百分比的比值为65.3∶16.9∶15.6∶2.2。通过研究不同节点摩擦力随时间变化曲线发现,板料减薄区和起皱区的摩擦力变化规律完全不同。研究对进一步提高板料冲压成形质量有着理论和工程意义。     

离心泵圆盘摩擦损失计算

圆盘摩擦损失严重影响离心泵尤其是低比转数离心泵的性能，准确计算其大小是预测离心泵性能的重要基础之一。虽然计算离心泵圆盘摩擦损失的公式较多，但实际计算表明这些公式的计算结果都存在较大偏差。通过对不同圆盘摩擦损失计算公式的比较与分析，提出了不同比转数的离心泵圆盘摩擦损失计算应采用不同的公式。以优秀离心泵为基础，采用回归分析的方法修正了圆盘摩擦损失的计算公式。实例计算表明修正后的圆盘摩擦损失公式计算结果更准确，为工程实际应用提供了一种准确的计算方法。     

变量喷施系统电磁阀响应时间对液压冲击的影响

为研究电磁阀响应时间对脉冲宽度调制（pulse width modulation,PWM）变量喷施系统液压冲击的影响,该文构建PWM变量喷施系统流道的三维仿真模型,设定不同的电磁阀开启和闭合时间,利用Fluent软件模拟分析了电磁阀启闭时系统管路内液压冲击的变化。模拟结果表明：电磁阀启闭时所产生的液压冲击随电磁阀响应时间的增加而减小。利用PWM变量喷施系统对电磁阀启闭过程中的管路压力变化进行了试验测试,试验结果与模拟结果吻合,最大水击压强之间的相对误差小于10%。对电磁阀闭合所引起的液压冲击进行理论分析,间接最大水击压强公式适用于PWM变量喷施系统中电磁阀高速闭合时所引起的液压冲击的计算,并且电磁阀开启与闭合所引起的液压冲击呈线性关系,比例系数为1.91。研究可为系统中其他液压元件动态特性的研究提供理论支持。     

基于改进SWAT模型的南方多水源灌区灌溉用水量模拟分析

为提出一种合理有效的南方多水源灌区灌溉用水量模拟统计方法,该文针对南方多水源灌区水循环及灌溉取水特点对SWAT模型进行改进,尤其添加了多水源自动灌溉模块用于模拟作物不同水源类型的灌水量,并统计推求灌区灌溉用水量。以浙江省浦江县通济桥水库灌区为例,应用改进SWAT构建灌区水循环模型,利用灌区出口实测月径流数据及4条干渠渠首监测的灌水量数据校正及验证模型,其中月径流在验证期的Nash-Suttclife效率系数为0.89,干渠灌溉用水量模拟值与观测值相对误差的绝对值最大不超过20%,表明改进SWAT模型具有良好的模拟效果。利用所建模型模拟分析通济桥水库灌区长系列灌溉用水量,结果显示灌区灌溉用水量呈现丰水年小、干旱年大的变化规律;除监测的骨干水源通济桥水库及浦阳江取水以外,灌溉用水量的41.40%来源于灌区内部的河道、塘堰及小型水库,说明只监测干渠渠首灌水量无法统计整个灌区灌溉用水量;随着灌区节水改造投入,灌区灌溉水利用系数提高,其灌溉用水量减少。基于改进SWAT模型进行多水源灌区灌溉用水量模拟为灌区灌溉用水量统计分析提供了一种有效的方法。