水击的数值模拟方法比较

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石油管道水击压力数值模拟研究

ｔｈｅｉｄｅａ１ｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｐｒｏｃｅｓｓ．ｔｈｅｓｃｉｅｎｔｉｉｃｆａｌｎｅｓｓａｎｄｒａｔｉｏｎａｌｉｙｔｏｆｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｐｒｏｖｅｎ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｔｈｅｍｏｓｔｃｏｍｍｏｎｕｎｓｔａｂｌｅｌｏｆｗｉｎｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｔｈｅｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｉｓｃａｕｓｅｄｂｙｓｕｄｄｅｎｓｔｏｐ０ｆｔｈｅｌｆｕｉｄｌｏｆｗｉｎｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔ．ＩｎｔｈｉｓＰａｐｅａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｔｈｅｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒ，ｃａｕｓｅｓａｎｄｈａｒｍｓｏｆｔｈｅｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅＷａｔｅｒｈａｍｍｅｒｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｐｒｏｂｌｅｍｗａｓｓｏｌｖｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｌｉｎｅ，ａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｐｒｏｇｒａｍｗａｓｃｏｍｐｉｌｅｄ．Ｃｏｍｐｒｅａｄｗｉｔｈ

泄洪洞工作闸门开启时水击数值模拟研究

第39卷第6期2017年6月人民黄河YELLOW RIVERV 〇1.39 ,N o.6Jun”2017【工程勘测设计】泄洪洞工作闸门开启时水击数值模拟研究苏小丽，刘韩生，范晓丹(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100)摘要：泄洪洞工作闸门运行过程中有可能产生水击，目前没有受到重视。

应用特征线法数值模拟青海省某水电站泄洪洞工作闸门开启时闸前水击的变化过程，结果表明：①工作闸门匀速开启的方式可导致泄洪洞内产生水击，水击产生于闸门开启的初始阶段，水击压强振幅呈对数规律衰减；②工作闸门非匀速开启方式对泄洪洞非恒定流有重要影响，闸门开启速度先慢后快的运行方式可有效减小水击压强振幅，降低闸门振动的可能性，工作闸门以适当的加速度开启时可消除水击现象，彻底避免水击引起的闸门振动，排除这种泄洪安全隐患。

关键词：泄洪洞；水击；工作闸门；数值模拟；特征线法中图分类号：TV131.4文献标志码：Adoi:10.3969/j.issn.1000-1379.2017.06.020Study on N um erical S im ulation o f W a te r H am m er in the Opening Processo f W o rk in g Gate o f Spillw ay TunnelSU Xiaoli ，LIU Hansheng ，FAN Xiaodan(College of Water Resources and Architectural Engineering ，Northwest A & F University ，Yangling 712100，China)Abstract ： Water hammer is probably developed in the opening process of working gate of spillway tunnel. At present ，there is no attention towater hammer phenomenon generated in spillway tunnel. The method of characteristics was used to simulate water hammer occurring in spillway tunnel of a hydropower station in Qinghai Province when the working gate was opening. Some important conclusions were gained. First ， the way of working gate running at a constant speed rises to water hammer wave in spillway tunnel. When working gate is opening ，water hammer occurs in the initial stage ，and then disappears ，and water hammer pressure amplitude decreases based on the logarithmic law. Second ， the opening way of working gate has an influence on water hammer occurring in spillway tunnel. If the opening speed is slow-fast ，the amplitude of water hammer pressure and the possibility of working gate vibration are both reduced effectively. Therefore ，water hammer can be eliminated ，and working gate vibration caused by water hammer can be completely avoided only if working gate runs at appropriate and constant acceleration. Thus ，the flood discharge safety risk is ruled out.Key words ： spillway tunnel; water hammer; working gate ； numerical simulation ； method of characteristics泄洪洞是水库的主要泄水建筑物[l]，对水库能否发挥防洪兴利功能至关重要。

入海水系整治水情数值模拟方法

入海水系整治水情数值模拟方法1.引言入海水系是河流和湖泊最终流向大海的河网系统，是海洋生态系统中的重要组成部分。

随着人类活动的加剧和环境污染的日益严重，入海水系的水质状况受到了严重的影响。

为了对入海水系进行整治和管理，需要对其水情进行监测和模拟，以便更好地了解入海水系的水动力学和水文特征，指导入海水系的整治和管理工作。

2.入海水系水情数值模拟方法（1）建立水文模型。

建立入海水系水文模型是进行水情数值模拟的基础，在模型中需要考虑河流水流、湖泊水文、雨水径流等多种因素，对水文过程进行计算和模拟。

目前常用的水文模型包括SWAT、HSPF、HEC-HMS等。

（2）测算水文数据。

水文数据包括水位、流量、降雨量等，是进行水文模型计算和模拟的基础数据。

需要对入海水系中的水位、流量等水文数据进行实时监测和采集，对水文数据进行整理和处理，以便进行水文数值模拟。

（3）选择数值模拟软件。

根据入海水系的水文特征和模拟需求，选择适合的数值模拟软件。

常用的数值模拟软件包括MIKE11、MIKE21、Delft3D等，这些软件能够模拟河流、湖泊、海洋等水文过程，并能够进行水质模拟。

（4）进行水情数值模拟。

在建立好水文模型、获取水文数据、选择数值模拟软件后，根据模拟要求进行水情数值模拟。

模拟结果包括水位、流量、水质等多方面的数据，对入海水系的整治和管理提供了有力的支持。

3.水情数值模拟在入海水系整治中的应用水情数值模拟能够准确地反映入海水系的水动力学和水文特征，为入海水系的整治和管理提供了决策依据。

利用水情数值模拟，可以制定针对性的水资源管理方案，提高水资源利用效率，减少水的浪费和污染。

此外，水情数值模拟还能够有效地预测河流、湖泊、海洋等水文过程，为防洪、灾害预警等工作提供有力支持。

4.结论入海水系的整治和管理是环境保护和可持续发展的重要任务，水情数值模拟是实现入海水系整治和管理的有效手段。

通过建立水文模型、测算水文数据、选择数值模拟软件和进行水情数值模拟，能够获得入海水系的水动力学和水文特征信息，指导入海水系的整治和管理工作，为环境保护和可持续发展做出积极贡献。

基于ENO格式的一维水击波数值模拟

＋Ａ：０（３）
一
，、ｎ
。
对
也依据同样的原理处理，可得到方程（）中所就６
有的离散量。垤和哦。运用ＥＯ格式进行模板选择对手，Ｎ
式ｕ。方ｓ成形中＝；［可程写恒：：［］ｃ守式Ａ将，
ＦＯ
十
：
是可以得到的。
・：
１控制方程
笔者重点研究了ＥＯ格式在水击计算上的应用，了与Ｎ为
解析解进行对比，选用水击的简化线性偏微分方程进行分析计算。一维水击的简化的基本微分方程可以描述为式（）１的连续性方程和式（）２的运动方程，该方程是一组线性双陆型方程：
破分别为在：点左、右侧的值，通过选择ＥＯ格式的Ｎ
：
＋
ｇｆ０－ｉｘ
（）２
模板而得到。Ｒｅｏ速度为
Ｆ１）一Ｆ（。（，２）
—
式中：日为测压管水头；为管道断面平均流速；为水击波速。ｃ
采用张丹合并两个微分方程的形式，把方程（）１和方程（）２写成矩阵形式：
２３ＥＯ格式的构造．Ｎ
通过比较差商模的大小自适应地选择较光滑的模板。在进行模板选择时，了得到ｋ阶精度的格式，要ｋ个单元，为需总体覆盖２ｋ一１个单元。假定个参选模板为．（）＝｛，… ，一｝ｓｉ，一，一。＋（ｒ：０，，，１ … ｋ—１（））９力学和溃坝水力学的本质无振荡ＥＯ格式，Ｎ并采用平均通量差分分裂法对一维

液体火箭发动机关机水击的数值模拟

文章编号:100621630(2008)0320053205液体火箭发动机关机水击的数值模拟林景松1,王平阳1,高　红1,杨　勇2,张中光2(1.上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240;2.上海空间推进研究所,上海200233) 摘　要:基于特征线法对某液体火箭发动机小尺寸推进剂供应管路的关机水击进行了数值模拟。

研究了发动机关机后推进剂管路的压力瞬变特性,并验证了数值模拟的正确性,同时通过实例计算分析测压支管直径和长度改变时测压支管端部压力与阀门处压力的关系。

结果表明:测压支管的存在使实测点与管路内压力瞬变特性可能有较大差异,是造成测量数据不能正确反映管路内真实压力的原因。

关键词:液体火箭发动机;推进剂供应管路;特征线法;水击;压力测量中图分类号:V434 文献标识码:ANumer ical Simulat ion of Wa ter H a mmer in Shutting L iquid Rocket EngineL IN Jing 2song 1,WAN G Ping 2yang 1,G AO Hong 1,YAN G Y ong 2,ZHAN G Zhong 2guang 2(1.School of Mec hanical Engineering ,Sha nghai Jiaoto ng Univer sit y ,Shanghai 200240,China ;2.Sha nghai Institute of Space Propul sion ,Sha nghai 200233,China )Abstract :The numerical simulation was carried out based o n the met hod of characteristic to study the water hammer in small size f eeding pipes of propellant for some liquid rocket engine when t he e ngine was shut down in this pape r.The fl uid t ransient s of the pipe s af ter e ngine shut down were analyzed.The co rrectness of the simulation was approved by t he comparison of calc ulation data with e xperime nt data.The pre ssure tra nsients diffe rence between two loca tions that were on the e nd of t he pr essure measuring pipe and in f ro nt of the closing valve when the diameter a nd length of t he pre ssure mea suring pipe wer e cha nge d were discussed through numerical calculation.The r esults showed t hat the possible lar ge diffe rence of t he p ressure tra nsients between measuring point and inner pipe caused by measuring pipe woul d be t he main r ea son t hat t he measuring date could not present t he real pressur e in the pipe.Keyw or ds:Liquid rocket engine ;Propella nt line s ;Method of characteristic ;W a ter ha mme r ;Pressure mea sure 2ment 收稿日期6226;修回日期225 作者简介林景松(—),男,硕士生,主要研究方向为传热与流动的数值模拟。

基于SPH方法的救生艇入水砰击数值模拟

基于SPH方法的救生艇入水砰击数值模拟胡杰;谢荣【摘要】The slamming event induced by a free-falling lifeboat impacting onto water surface is non-linear since it is accompanied by breaking, splashing of free surface.In this paper, the smoothed particles hydrodynamics (SPH)method described in the Lagrangian system is employed for the numerical simulation of the violent free surfaceflow.Firstly,the two-dimensional(2D)benchmark of a free-falling wedge is investigated, and the nu-merical results are in good agreements with published experimental data.The comparison study shows that our SPH code is capable of solving water entry problems.Then,influences of the dead-rise angles of wedge sections of lifeboat on the evolution of water surface and motion of the structure are studied.Finally,the process of water entry of a three-dimensional(3D)lifeboat is simulated with the SPH code.The 3D features of free surface evolu-tion and motions of the lifeboat are analyzed.According to the numerical results,the SPH method is feasible for water entry problems with violent free surface deformations.%救生艇在自由抛落过程中将与水面发生砰击现象,伴随自由面的破碎、飞溅等强非线性特征,采用拉格朗日系统光滑粒子法(SPH)对该剧烈流动现象进行数值研究.首先对二维楔形体的自由落水过程进行模拟,并与试验结果进行了对比,验证了文中SPH计算程序在艇体入水问题上具有较好的可靠性.随后,考察了楔形艇体截面的舭部夹角对入水过程中自由面的演化过程及结构运动产生的影响.最后,将SPH方法拓展至三维救生艇的入水过程模拟研究中,分析了艇体入水后的自由面变化及艇体运动的三维特征.数值结果表明,SPH方法能够成功应用于具有复杂自由面变化的救生艇入水砰击问题研究.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(031)006【总页数】6页(P701-706)【关键词】光滑粒子法(SPH);楔形体;小艇;入水;砰击【作者】胡杰;谢荣【作者单位】江苏海事职业技术学院船舶与海洋工程学院,南京211170;江苏海事职业技术学院船舶与海洋工程学院,南京211170【正文语种】中文【中图分类】U661.4救生艇是海上大型船舶或海洋平台的必备应急救生设备．在救生艇投放的过程中,艇体通常与海面发生高速入水砰击,此过程伴随巨大的瞬时冲击压力,不仅能影响到艇体在水中的运动,甚至会对艇体结构带来严重的破坏,威胁到艇内乘员的人身安全．故而,国内外众多学者针对救生艇入水砰击问题开展了研究[1-5]．为使救生艇在入水瞬时首部受到较小的砰击压力,同时保证艇体在入水后具备良好的浮态修正能力,艇体结构的截面形状通常被设计为楔形．故而,研究人员通常以结构简单的楔形体为物理对象对救生艇的入水砰击问题进行研究．自von Karman 的开创性研究以来[6],人们对此问题的探讨方法日益多样．其中,基于拉格朗日系统的光滑粒子法(smoothed particles hydrodynamics,SPH)能够真实地模拟物体入水过程中自由面的剧烈非线性变化过程,故而在近年来成为对该问题研究的重要手段．例如,文献[7]中采用SPH方法对楔形体的入水过程进行了数值模拟,在其研究成果中能够清晰观察到因冲击作用而形成的自由面射流现象．文献[8]中基于SPH 方法对楔形体较为完整的入水过程进行了数值模拟,并与试验中的自由面变化过程进行了对比．通过数值模拟手段再现了试验中的自由面射流、楔形体两侧波面的冲击等现象．文献[9-10]中采用SPH方法分别模拟了对称和非对称的楔形体入水过程,并考虑了楔形体的质量对冲击压力的影响作用．这些探索性的研究成果表明,SPH方法已能够用于楔形体入水砰击问题的研究．然而,救生艇不同站位处的楔形截面具有不同的舭部夹角,既往的研究则较少考虑舭部夹角对砰击现象的影响且主要考察了二维问题．1 数值方法1.1 控制方程基于拉格朗日描述的SPH方法进行流场数值模拟,相应流体控制方程为:+·V=0(1)P+ν2V+g(2)式中:ρ为流体密度；P为压力；V为速度向量；g为重力加速度向量,ν是运动粘性系数．式(1、2)的时间导数项是以物质导数的形式给出的．在粒子法中,粒子的位置和其他物理量都是基于拉格朗日描述法表达的,因此不需要计算对流项．1.2 核函数在SPH方法中,需要借助核函数对空间任意场函数f(r)进行近似积分：(3)式中：r为任意粒子的空间矢量;r′为目标粒子的空间矢量;Ω为r的积分域;h为积分域的光滑半径;W(r-r′,h)为核函数．文中采用的核函数：(4)式中:q=r/h．1.3 状态方程为实现流场压力的求解,SPH方法采用了描述弱可压流体的状态方程建立粒子压力P与流体密度P间的关系：(5)式中:ρ0为参考密度;常数γ=7;系数B=ρ0c2/γ,c为声速,通常取流场最大速度的10倍．1.4 浮体运动方程物体在入水过程中,将受到自身重力及流体外力的联合作用产生六自由度运动．物体运动方程：(6)式中:M为物体质量;VG为物体重心线速度;Ff为作用于物体表面的流体力;IG为绕通过重心轴的转动惯量;ΩG为物体角速度;Tf为旋转力矩．2 数值算例及结果分析2.1 二维楔形船体截面入水仿真文中针对救生艇的入水问题进行数值试验研究．为验证SPH方法在此类问题中的适用性,首先对二维楔形截面结构的入水现象进行数值模拟,并和韩国船舶与海洋工程协会(KRISO)船舶波浪载荷研发项目(WILS JIP-III)公开的物理试验结果进行对比[11]．数值仿真采用了与试验之相同的模型尺寸参数,如图1．水槽长为3 m,水深为1 m．楔形体上端平面长0.6 m,舭部夹角为θ,下缘顶角距水面的初始高度为0.5 m,重量为85.375 kg．图1 二维模型尺寸示意Fig.1 Schematic of 2D computational model为考察初始粒子间距对计算结果的影响作用,选取舭部夹角为30°的仿真模型进行了收敛性验证．计算模型参数如表1．计算的液体密度为1 000 kg/m3,运动粘度系数为1.01×10-5 m2/s,重力加速度为9.8 m/s2．表1 收敛性验证粒子模型参数Table 1 Parameters of convergence tests图2、3分别为楔形截面砰击水面后重心2轨迹Z及运动速度V时历曲线，t为入水时间．由图可见,3种不同初始粒子间距10模型的仿真结果均与试验结果吻合良好,文中采用的SPH方法能够较好地应用于物体入水问题的研究．为实现对自由面剧烈变化过程精细捕捉的同时能够节约仿真计算时间,采用初始间距为0.002 m的粒子模型开展进一步的楔形截面入水问题研究．图2 楔形截面入水轨迹时历曲线Fig.2 Time histories of trajectories of wedge 图3 楔形截面入水速度时历曲线Fig.3 Time histories of impact velocities图4为救生艇艏部截面型线图．图4 救生艇艏部截面型线Fig.4 Moulded lines of lifeboat由图可知,救生艇艏部截面可近似为舭部夹角不同的楔形结构．其中,舭部夹角的变化范围约为30°～70°,故而文中对此角度范围内的楔形截面入水问题进行了数值研究．各工况舭部夹角如表2,截面高度、质量、重心位置2等计算参数均与计算工况A2相同．表2 楔形艇体截面入水计算工况Table 2 Computational cases of drop testsof wedge sections图5为不同舭部夹角的艇体截面砰击水面后重心轨迹时历曲线．由图可见,舭部夹角θ=30°的结构在入水后所受浮力随湿表面积的快速增加而增大,入水0.04 s后轨迹明显趋缓．在入水时间t=0.12 s时,结构重心降至Z=-0.095 m．与此不同,舭部夹角较大(例如夹角θ=70°)时,虽然结构在入水后所受浮力亦有所增大,但由于湿表面积增幅较小,浮力亦增幅较小,结构入水后轨迹减速不明显．在t=0.12 s时,结构相对舭部夹角θ=30°入水深度增加0.117 m,重心位置为Z=-0.212 m．图5 不同舭部夹角艇体入水轨迹时历曲线Fig.5 Trajectories of wedge sections withdifferent dead-rise angles图6为不同舭部夹角的艇体截面砰击水面后运动速度vz时历曲线．图6 不同舭部夹角艇体入水速度时历曲线Fig.6 Impact velocities of wedge sections withdifferent dead-rise angles由图可见,舭部夹角θ=30°的结构在入水后因受到水面砰击力的反向作用,导致下沉速度迅速降低．在t=0.12 s时,结构下沉速度降低至vz=-1.172 m/s．舭部夹角θ=70°时,结构在入水后下沉速度继续增大,并于t=0.019 s达到最大值vz=-3.181 m/s．此后,随着水面砰击反力的增大,结构下沉速度逐步降低,并于t=0.12 s时降低至vz=-2.22 m/s．图7为艇体楔形剖面入水的自由面演化过程．由图可见,在结构入水过程中,在截面侧边流体因受到挤压而产生射流现象．随舭部夹角的增大,沿截面侧边飞溅的流体粒子数量减少,粒子飞溅速度降低,射流现象减弱．2.2 三维救生艇入水在对救生艇的入水问题进行研究时,采用二维数值模拟方法虽然能够获得入水砰击现象的局部精细流场,但在实际问题中,救生艇的入水过程伴随有自由面砰击破碎、艇体运动等方面的三维特性,故而有必要采用三维数值模拟方法对此问题进行研究．图7 艇体楔形剖面入水自由面演化过程Fig.7 Evolutions of free surface of wedge sections文中采用的救生艇三维模型及计算域分别如图8、9,救生艇主尺度参数如表3．实际工程中,采用导轨滑落式入水的救生艇入水姿态角通常在20°～50°范围内,且多采用35°入水姿态角,故而对35°角时艇体的入水过程进行数值模拟．计算选取艇体艏部入水瞬间为初始时刻,并在x和z方向分别具有初始入水速度vx=10 m/s、vz=-25 m/s．艇体在入水过程中受自身重力及水面砰击反力联合作用,能够在六自由度空间产生运动．图8 三维救生艇几何模型Fig.8 3D geometric model of lifeboat图9 三维救生艇入水计算域Fig.9 3D computational domain表3 救生艇主尺度参数Table 3 Main dimension of lifeboat采用SPH方法的数值模拟需要以粒子的形式对三维艇体模型及计算域进行空间离散．文中初始粒子模型间距为0.15 m,救生艇粒子数量为9 634,模型如图10,流体计算域粒子数量为1 418 272．计算的液体密度为1 000 kg/m3,运动粘度系数为1.01×10-5 m2/s,重力加速度为9.8 m/s2．图10 三维救生艇粒子模型Fig.10 Particle model of lifeboat图11为救生艇入水后自由面的演化及艇体运动过程．图11 三维艇体入水自由面演化过程Fig.11 Evolutions of water surface inducedby free drop of lifeboat在t=0.05 s时,救生艇与水面产生砰击．不同于二维入水问题中艇体横截面两侧具有高速运动流体粒子,三维入水问题中艇体艏部纵截面周围流体粒子的运动速度同样较大．t=0～0.75 s为救生艇的下潜阶段．此过程中,艇体因下落过程中自身重力及水面砰击反力的作用而产生了绕y轴的旋转运动．在t=0.75 s时,救生艇首倾姿态角恢复至0,并完全浸没于流体中,艇体周围流体自由面存在高速飞溅现象．t=0.75～2 s为救生艇的出水阶段．此过程中,艇体在自身惯性及流体阻力、浮力等外载荷联合作用下姿态角逐渐演化为尾倾状态,并冲出水面．与t=0.05 s时艏部与水面接触瞬间不同的是,此过程中艇体尾部在旋转力矩作用下与液体产生了较为明显的砰击现象,故而在艇体尾部周围的流体粒子运动速度较大．t=2 s之后为救生艇的自扶阶段．在此阶段内,艇体姿态将在尾倾、首倾间转变并最终在t=4 s之后趋于正浮的稳定状态,实现救生艇的自扶功能要求．图12为救生艇入水z向运动轨迹时历曲线．由图可见,艇体在t=0.75 s时重心下降至最低点Z=-1.37 m．在t=2.5 s时,重心上升至极大值Z=2.07 m．在整个入水过程中重心的升沉变化呈现逐渐衰减的趋势,并在t=4 s之后趋于稳定．图13为救生艇入水z向运动速度时历曲线．由图可见,艇体在下潜阶段垂向速度急剧降低,引起速度变化的加速度可达44 m/s2．图14为救生艇入水过程绕y轴转动角速度时历曲线．艇体在入水过程中,艏部将先与水面发生砰击作用．艇体在力矩作用下产生旋转运动．在t=0～0.2 s阶段,艇体加速旋转至角速度1.83 rad/s．随之,艇体与水面接触面积增大,艇体旋转角速度急剧降低．在t=1 s之后,艇体角速度在平衡位置附近以较小幅度波动,进而说明艇体姿态将在尾倾、首倾间转变并最终趋于正浮状态,满足救生艇的自扶功能要求．图12 救生艇入水z向运动轨迹时历曲线Fig.12 Time history of trajectory oflifeboat in z direction图13 救生艇入水z向速度时历曲线Fig.13 Time history of velocity of lifeboat in z direction图14 救生艇入水纵摇角速度时历曲线Fig.14 Velocity time history of pitch3 结论(1) 通过对二维楔形体截面入水问题进行数值模拟,将仿真结果与已公开试验数据进行对比,验证了文中SPH方法在入水问题上的适用性．(2) 考察了二维楔形截面的舭部夹角对入水砰击现象的影响．当舭部夹角增大时,楔形截面与液面发生砰击作用时的下沉速度增大,截面两侧因砰击产生的射流速度降低,飞溅的流体粒子数量减少．(3) 应用SPH方法对救生艇实船的入水过程进行了数值模拟,获得了艇体入水后自由面变化及艇体运动的三维特征．参考文献(References)[ 1 ] 史俊, 戴成龙, 张顺东. 自由抛落式救生艇主机轴承润滑特性分析[J]. 江苏科技大学学报(自然科学版), 2016, 30(2): 142-145. DOI:10.3969/j.issn.1673-4807.2016.02.008.SHI Jun, DAI Chenglong, ZHANG Shundong. Analysis of lubricating characteristics of main bearing on free fall lifeboats[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology (Natural Science Edition),2016, 30(2): 142-145. DOI:10.3969/j.issn.1673-4807.2016.02.008.[ 2 ] 苏石川, 戴成龙, 史俊, 等. 自由抛落式救生艇落水冲击响应及可靠性分析[J]. 江苏科技大学学报(自然科学版), 2015, 29(6): 511-515. DOI:10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.001.SU Shichuan, DAI Chenglong, SHI Jun, et al. Analysis of water entry impact response of free fall lifeboats and its reliability [J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2015, 29(6): 511-515. DOI:10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.001. (In Chinese)[ 3 ] 王珂, 王志东, 米旭峰. LNG船三维首部结构入水砰击载荷数值研究[J]. 江苏科技大学学报(自然科学版), 2012, 26(3): 218-221. DOI:10.3969/j.issn.1673-4807.2012.03.002.Wang Ke, Wang Zhidong, Mi Xufeng. Simulation of the slamming pressure of 3d bow construction for lng carriers[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2012, 26(3): 218-221. DOI:10.3969/j.issn.1673-4807.2012.03.002.[ 4 ] 王文华. 物体入水问题的分析研究及其在船舶与海洋工程中的应用[D].大连：大连理工大学, 2010.[ 5 ] 回达. 二维楔形体入水冲击问题的数值方法研究及应用[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学, 2014.[ 6 ] VON K T. The impact on seaplane floats during landing[J]. Technical Report Archive & Image Library, 1929.[ 7 ] OGER G, DORING M, ALESSANDRINI B, et al. Two-dimensional SPH simulations of wedge water entries[J]. Journal of Computational Physics, 2006, 213(2): 803-822. DOI:10.1016/j.jcp.2005.09.004.[ 8 ] LIU H, GONG K, Wang B L. Numerical Simulation of Violent Evolutionof Free Surface during Water Entry of Wedge [C]∥Proceedings of the 10th Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium, Vladivostok, Russia:[s.n.],2012：153-156.[ 9 ] KIM K H, LEE D Y, HONG S Y, et al. Experimental study of water impact loads on symmetric and asymmetric wedges[J]. Journal of Ocean Engineering and Technology, 2014, 28(3): 209-217.DOI:10.5574/ksoe.2014.28.3.209.[10] AMICARELLI A, ALBANO R, MIRAUDA D, et al. A smoothed particle hydrodynamics model for 3D solid body transport in free surface flows[J].Computers & Fluids, 2015, 116: 205-228.DOI:10.1016/pfluid.2015.04.018.[11] KRISO. Wave induced loads on ships joint industry project III—final report,No. BSPIS7230-10572-6 [R]. Seoul, Korea:KRISO Technical Report, 2014.。

水下爆炸远场冲击波的数值模拟

水下爆炸远场冲击波的数值模拟摘要：本文结合文献调研资料，分析了水下爆炸数值模拟的各个方向的研究现状。

阐明了水下爆炸数值模拟的研究背景以及研究发展的重要性，并且阐明了远场冲击波模拟的目的和应用前景。

结合论文资料和各个模拟软件的帮助手册，比较了各个数值模拟软件的特点。

展示了作者在水下爆炸的远场冲击波模拟方面做的实践，并且写出了笔者的心得体会。

关键词：水下爆炸；数值模拟；远场冲击波；AUTODYN；ABAQUS；1.水下爆炸数值模拟的研究背景水下爆炸是水中兵器设计技术、破坏效应和水下爆破工程的基础问题，对水下爆炸进行的相关研究对于提高水中兵器威力、提高舰船生命力和战斗力、提高工程效率等有重要的意义。

由于水下爆炸属于非常复杂的流体动力学问题，因此相关的研究一直以实验研究为主。

但是实际水下爆炸以及结构相应的实验研究的成本和复杂程度非常高，并且随着计算机技术和数值模拟技术的发展，水下爆炸的数值模拟渐渐受到了大家的重视，数值模拟受环境条件的影响较小, 可以较容易地改变模拟试验条件, 比较、分析不同条件下的模拟结果, 调整参数组合进行计算。

水下爆炸的模拟主要在近场的爆炸能量输出、气泡脉动的过程、远场冲击波及其对结构的的破坏三个方向。

这篇论文主要讨论远场冲击波的数值模拟。

2.当前国内外的工作ALE法全称arbitrary Lagrange-Euler方法，是一种避免网格过大变形的数值计算方法。

它兼具Lagrange方法和Euler方法的特长，因此在水下远场冲击波的数值计算中得到了大量的运用。

张奇.张若京[1]的研究阐明了ALE法可以用于土质中的爆炸模拟。

A.R.Pishevar等人[2]的研究利用数值方法仿真了二维多物质可压缩流，证明了水下爆炸可以用ALE算法进行计算。

并且模拟了在刚性墙一侧不远处的爆炸，也模拟了气泡的成型过程。

Young S.Shin等人[4]利用拉格朗日-欧拉耦合算法（论文中使用ALE算法）对水下爆炸问题进行了模拟，主要考虑了水域中冲击波传播时峰值压力的变化以及一个钢壳体球在冲击波作用下的动态响应。

计算水击的方法简化公式法、图解法、电算法等.在进行水击计算资料

水电站 HYDROPOWER ENGINEERING
五、复杂管水击近似公式
串联管水击近似公式
用简化公式计算水击波速采用加权平均值流速采用加权平均值
分岔管水击近似计算
假想所有机组合并为一台大机组，以假想管与主管组成串联管进行计算
直接用支管与主管组成串联管
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING
间接水击的计算
关闭情形第一相水击计算简化公式（式9-17与式9-17‘）极限水击计算简化公式（式9-23与式9-23‘）
开启情形第一相水击计算简化公式（式9-19与式9-19‘）极限水击计算简化公式（式9-24与式9-24‘）
间接水击类型的判别
根据图9-6。
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING
水击计算简化公式应用的条件：简单管、水管末端为水斗式水轮机（喷嘴-ρΔτ＜1。
若管末为反击式水轮机，需将简化公式计算值修正。混流式机组近似为1.2倍，轴流式机组近似为1.4倍。
六、水击图解法
基本原理
横坐标为流速相对值，纵坐标为水击压强相对值逆向方程与顺向方程表达的两条直线管内部断面B求解水管进口断面D求解水管末端断面A求解
求解实例
某水电站静水头120m，压力水管长400m，最大流速4.5m/s，水击波速1000m/s，净调速时间2.4s，管末为水斗式水轮机，直线关闭规律，求丢弃全负荷时管进口D断面、管中B断面以及管末A断面的水击压强。
5、水击图解法的基本原理是什么?图解法的步骤如何?它和解析法相比有何优缺点?
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING

一维水击波的高精度数值模拟

一维水击波的高精度数值模拟
樊书刚;刘韩生;张一
【期刊名称】《水力发电》
【年(卷),期】2010(036)004
【摘要】用本质无振荡ENO、TVD格式以及MacComark和Lax-Friedrichs格式对一维水击模型进行数值模拟.结果表明,Lax-Friedrichs和二阶MacCormark格式在间断处有较大的数值耗散,计算精度较低,后者还存在明显的虚假数值振荡:TVD 格式在光滑区具有高阶精度,在间断附近能在2个计算网格步长的范围内被光滑化,数值耗散较小:ENO格式数值解在间断附近无虚假数值振荡,数值解耗散很小,对间断具有较强的分辨能力和捕捉能力,能够很好地模拟水击波的变化过程.另外,ENO 格式对计算网格的要求较TVD格式低,数值计算性能稳定.
【总页数】3页(P79-81)
【作者】樊书刚;刘韩生;张一
【作者单位】西北农林科技大学,水利与建筑工程学院,陕西,杨凌,712100;西北农林科技大学,水利与建筑工程学院,陕西,杨凌,712100;西北农林科技大学,水利与建筑工程学院,陕西,杨凌,712100
【正文语种】中文
【中图分类】TV131.4;TV732.4
【相关文献】
1.4种TVD格式对调压室水击波的数值模拟 [J], 董瑜;刘韩生;曹长冲
D 格式数值模拟水电站水击波新探 [J], 范晓丹;刘韩生;董瑜;张丹
3.考虑迎风性的高精度水击数值模拟 [J], 柳思源;刘韩生;董瑜
4.基于ENO格式的一维水击波数值模拟 [J], 樊书刚;刘韩生
5.水下钻孔爆破水击波的传播规律及气泡帷幕对水击波的削减作用 [J], 刘天云; 龚书堂; 胡伟才; 仲鹰维; 吴立
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液体管道水击计算方法综述

２．ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＰｉｐｅｌｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＨｅｂｅｉＬａｎｇｆａｎｇ０６５０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｐｉｐｅｌｉｎｅｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｈａｖｅｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｄａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ，ｇｒａｐｈｉｃａｌｍｅｔｈｏｄａｎｄ
ＺＥＮＧＱｉａｎｇ，ＭＡＧｕｉ－ｙａｎｇ，ＪＩＡＮＧＤｏｎｇ－ｆａｎｇ￣，ＷＡＮＧＭｉｎ一
（１．Ｓｃｌｌ０ｏｌｏｆＰｅｒｏｔｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｉａｏｎｉｎｇＰｅｔｒｏｌｅｕｍＣｈｅｍｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＬｉａｏｎｉｎｇＦｕｓｈｔｍ１１３００１，Ｃｈｉｎａ；
的出现，数值解法体现了巨大的优势，逐步代替了解析法和图解法。综述了国外在水击分析计算方面数值求解方法，总结了特征线法，隐式有限差分法，以及有限体积法的模型构造，计算推导过程以及方法的适用范围。
期望通过对水击各类数值计算方法的研究，结合计算机编程进行仿真计算，使得液体水击计算更加便捷和直观。

水利工程水力特性数值模拟研究

水利工程水力特性数值模拟研究随着社会经济的发展，水利工程的建设和发展也越来越重要。

水力特性是水利工程中非常重要的一部分，是评估水利工程运行情况和进行工程设计的关键因素。

水力特性指的是在一定条件下，流体在受力作用下满足质量守恒和动量守恒，流体运动状态的描述。

水力特性包括水流速度、水压力、水流速度的分布、水位分布以及河床形态等等要素。

对于水力特性的分析和研究，可以使用数值模拟方法。

数值模拟是通过数学公式和计算机模型来模拟物理系统运行的过程，以得出各种结果。

下面我们来具体介绍一下水利工程中水力特性数值模拟的研究。

一、数值模拟方法在水力特性研究中的应用1. 二维数值模拟法二维数值模拟法主要针对平面问题，能够模拟复杂的水流运动情况，例如研究两岸之间的水流速度分布，以及数值化处理液体的流动动力学问题。

这种方法能够识别和分析区域的水流，预测水流的压力，以及考虑各种因素对水力特性的影响。

2. 三维数值模拟法三维数值模拟法能够针对空间问题进行模拟，能够更加细致地记录水流的运动轨迹，它可以分析复杂的三维水流动态，还可以考虑到水流的压力，同时还能够对水流中的杂质、氧气及其它物质进行分析和预测。

通过数值模拟方法，可以预测出水力特性中的各种问题，比如水流速度在不同情况下的变化，水压力的分布，以及水流在各个地方的流动情况等。

二、数值模拟研究在水利工程中的应用1. 水力特性的预测和分析通过对水力特性进行数值模拟，可以在建设水利工程时预测水流的流动情况、水位变化，计算水流的速度、方向和水量。

同时，还可以获取水力特性的更多信息，如水流密度、流态转换、水力破坏等。

2. 解决问题和优化设计数值模拟还可以解决实际工程中的问题，并且可以帮助优化设计。

通过模拟和比对实验，可以修复具体的破坏情况，包括河道水深、河床状况等各方面问题。

此外，数值模拟还可以为工程优化提供方案，根据预测故障和流量变化，来调整水电站的工作状态。

三、数值模拟方法的发展趋势1. 多项式规划技术的应用采用多项式规划技术可以对各种条件下的水力特性进行计算，开发和利用这种高级数学工具对于研究水利工程的水力特性具有重要意义。

水利工程的数值模拟和模型实验

水利工程的数值模拟和模型实验水利工程是指对水资源进行开发、利用、保护、治理和优化的一种工程。

在水利工程的设计、建设和管理过程中，数值模拟和模型实验是非常重要的手段。

通过数值模拟和模型实验，可以预测水利工程在不同条件下的运行情况、优化设计方案、预测水利灾害等等，对于水利科技的进步和水利工程的安全运行具有非常重要的作用。

一、数值模拟数值模拟是通过计算机数学模型，模拟大自然中的现象、情况等。

在水利工程中，数值模拟可以模拟水文过程、水力过程、水质过程等。

数值模拟可以为水利工程的设计提供依据，为水利工程的运行提供预测，为水利灾害的预防提供帮助。

1、水文模拟在水利工程中，水文模拟主要是模拟雨水径流量、水文循环等。

通过数值模拟可以预测不同情况下的径流量，如大雨时期的径流量、极端气候下的径流量等。

这些预测可以为水利工程的设计提供基础依据，可以为水利工程的安全运行提供预测，可以为防洪救灾等提供参考。

2、水力模拟水力模拟是模拟水流运动的过程。

在水利工程中，水力模拟可以为设计、运行、研究提供依据。

例如，模拟水流运动，可以为设计水利工程提供基础；模拟洪水流动，可以为防洪救灾提供预测；模拟水质流动和污染扩散，可以为水资源保护提供帮助；模拟水泥浆注入等，可以对岩土工程、地质工程中的注浆、固结、稳定、加固等项目提供依据。

3、水质模拟水质模拟就是模拟水体中的物质运移、转化、分布及其影响的过程。

水质模拟可以帮助研究和评估水质、水资源的管理和保护问题。

例如，模拟污染物的传输和扩散，可以为水质评估、污染控制和水源保护提供预测。

二、模型实验模型实验是指通过制作比真实情况小但比具体数学模型大的实验模型，对水流、水位、水工结构等进行测量、试验，以获得其性能、特性等方面的参数，从而为水利工程设计、运行提供依据。

模型实验常用于模拟小尺度的水利工程和特定水情；对于大尺度。

复杂水工问题，模拟水文和水力过程相对困难，而模型实验可以提供现场插值，使得物理现象更为清晰。

基于管嘴出流规律的水击边界条件数值模拟

第３８卷　第８期Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．８王鹏超基于管嘴出流规律的水击边界条件数值模拟王鹏超，余建平（兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州７３００５０）收稿日期：２０１８－０９－１３；修回日期：２０１８－１２－２８；网络出版时间：２０１９－０６－０５网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１８１４．ＴＨ．２０１９０６０５．１６３２．００４．ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１０７６０６１）；甘肃省自然科学基金资助项目（１６１０ＲＪＺＡ０２９）第一作者简介：王鹏超（１９９４—），男，陕西渭南人，硕士研究生（通信作者，１５００２３４１７１＠ｑｑ．ｃｏｍ），主要从事流动数值模拟研究．第二作者简介：余建平（１９７０—），男，甘肃白银人，副教授（ｙｕｊｉａｎｐｉｎｇ２０００＠１２６．ｃｏｍ），主要从事流动及传热数值研究．摘要：为研究阀门关闭瞬间产生的水击压力，以管嘴出流规律来确定阀门断面的水头和流量的关系，并结合特征线方程，以水击实验台为模型，用ＭＡＴＬＡＢ编程进行水击模拟计算．结果表明：阀端压力随阀门关闭先迅速上升，０．３６ｓ达到最大值，之后压力又迅速下降；随着时间的增加，阀端压力不断重复上升到峰值然后又下降，但其最大压力都小于第１个峰值．将数值模拟结果与水击实验台的试验结果进行对比分析，验证了管嘴出流模型以及计算程序的准确性．故在简单的有压管道中，当管道末端为阀门时，可以按照管嘴出流规律来建立边界条件．在此基础上依次取阀门关闭时间为１０，２．０，３．０，４．０，４．８ｓ，模拟了阀门关闭时间对最大水击压力的影响．结果显示，阀门关闭时间对水击压力有很大影响：关阀时间越长，产生的最大水击压力越小；但随着阀门关闭时间的延长，水击压力的减小幅度会越来越小．关键词：管嘴出流；数值模拟；特征线方程；ＭＡＴＬＡＢ；边界条件；关阀时间中图分类号：Ｓ２７７．９　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４－８５３０（２０２０）０８－０８１４－０５Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８５３０．１８．０１９３王鹏超，余建平．基于管嘴出流规律的水击边界条件数值模拟［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０２０，３８（８）：８１４－８１８，８３４．ＷＡＮＧＰｅｎｇｃｈａｏ，ＹＵＪｉａｎｐｉｎｇ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｂａｓｅｄｏｎｎｏｚｚｌｅｏｕｔｆｌｏｗｌａｗ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＪＤＩＭＥ），２０２０，３８（８）：８１４－８１８，８３４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｂａｓｅｄｏｎｎｏｚｚｌｅｏｕｔｆｌｏｗｌａｗＷＡＮＧＰｅｎｇｃｈａｏ，ＹＵＪｉａｎｐｉｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ，Ｇａｎｓｕ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄａｔｔｈｅｍｏｍｅｎｔｏｆｖａｌｖｅｃｌｏｓｉｎｇ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｈｅａｄａｎｄｆｌｏｗｏｆｔｈｅｖａｌｖｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｎｏｚｚｌｅｏｕｔｌｅｔｆｌｏｗｒｕｌｅ；ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｌｉｎｅｅｑｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｔｅｓｔｂｅｎｃｈｗａｓｕｓｅｄａｓａｍｏｄｅｌ，ａｎｄＭＡＴＬＡＢｗａｓｕｓｅｄｔｏｐｅｒｆｏｒｍｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｖａｌｖｅｅｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｒｉｓｅｓｒａｐｉｄｌｙｗｉｔｈｔｈｅｖａｌｖｅｃｌｏｓｉｎｇ，ｒｅａｃｈｅｓａｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｏｆ０．３６ｓ，ａｎｄｔｈｅｎｄｒｏｐｓｒａｐｉｄｌｙ．Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｉｍｅ，ｔｈｅｖａｌｖｅｅｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙｒｉｓｅｓｔｏａｐｅａｋａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ｂｕｔｉｔｓｍａｘｉｍｕｍｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓｌｅｓｓｔｈａｎｔｈｅｆｉｒｓｔｐｅａｋ．Ｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｔｅｓｔｂｅｎｃｈ，ｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｎｏｚｚｌｅｏｕｔｆｌｏｗｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍａｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｎａｓｉｍｐｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｗｈｅｎｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｉｓａｖａｌｖｅ，ｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｃａｎｂｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｎｏｚｚｌｅｏｕｔｌｅｔｆｌｏｗｌａｗ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｖａｌｖｅｃｌｏｓｉｎｇｔｉｍｅｉｓｔａｋｅｎａｓ１．０，２．０，３．０，４．０，ａｎｄ４．８ｓｉｎｏｒｄｅｒ，ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｖａｌｖｅｃｌｏｓｉｎｇｔｉｍｅｏｎｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｖａｌｖｅｃｌｏｓｉｎｇｔｉｍｅｈａｓａｇｒｅａｔｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｔｈｅｌｏｎｇｅｒｔｈｅｖａｌｖｅｃｌｏｓｉｎｇｔｉｍｅ，ｔｈｅｓｍａｌｌｅｒｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ａｓｔｈｅｖａｌｖｅｃｌｏｓｉｎｇｔｉｍｅｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｗｉｌｌｂｅｃｏｍｅｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｓｍａｌｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｏｚｚｌｅｏｕｔｆｌｏｗ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｌｉｎｅｅｑｕａｔｉｏｎ；ＭＡＴＬＡＢ；ｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｖａｌｖｅｃｌｏｓｉｎｇｔｉｍｅ水击是有压管道中流体流速发生急剧变化所引起的压强大幅度波动的现象，是以一种压力波的形式进行传播，使得管壁、阀门或其他管路元件承受极大的动水压力，严重影响了管路系统的正常运行和安全［１－３］．自２０世纪６０年代以来，国内外学者对有压管道的水击问题进行了大量的研究［４－５］．儒柯夫斯基提出众所周知的直接水击压强计算公式［６］；ＡＦＳＨＡＲ等［７］提出的隐式算法能够准确地预测水头和流量的变化；侯咏梅［８］、倪昊煜等［９］指出当前水击数学模型中的连续性方程不能满足恒定流条件、ｓｉｎ项存在不合理性等问题，并建立了正确的数学模型；ＬＩ等［１０］通过试验并结合ＣＦＤ非定常流模型对离心泵突然启动的瞬变流动进行了研究；钱木金［１１］假定阀门逐渐关闭时产生三角水击起始波，根据动量定理得出了直接水击的压强公式．但大多文献都是对计算方法或计算模型进行研究，在边界条件方面的研究很少．文中利用管嘴出流规律来建立边界条件并对由阀门快速启闭所引起的水击进行模拟计算，将计算结果与试验结果进行对比，分析其准确性．１　数学模型１９０２年，意大利学者阿列维（Ａｌｌｉｅｖｉ）以严密的数学方法建立了水击基本微分方程，奠定了水击的理论基础．水击的基本微分方程［１２］为ｖＨｘ＋Ｈｔ＋ａ２ｇＨｘ＝０，ｇＨｘ＋ｖｔ＋ｖｖｘ＋ｆ２Ｄｖｖ＝０，（１）式中：ｖ为流速；Ｈ为管中某节点的水头；ｘ为沿管轴线的轴向坐标；ｔ为时间；ｇ为重力加速度；ｆ为管路摩阻系数；Ｄ为管道直径；ａ为水击波速，ａ＝Ｋ／ρ１＋Ｋ／Ｅ()Ｄ／ｅ()[]１－μ２()槡，其中，ρ为流体密度，Ｋ为水的体积弹性模量，Ｅ为管道杨氏弹性模量，ｅ为管道壁厚，μ为管道的泊松比．式（１）可简化为标准的双曲型偏微分方程，从而可利用特征线法将其转化为同解的管道水击计算特征相容方程［１３］．Ｃ＋：ＨＰｉ＝ＣＰ－ＢＱＰｉ，（２）Ｃ－：ＨＰｉ＝ＣＭ＋ＢＱＰｉ，（３）式中：Ｃ＋为顺波特征线；Ｃ－为逆波特征线；Ｂ，Ｒ，ＣＰ，ＣＭ为编程时引入的参数，其中Ｂ＝ＣｇＡ，Ｒ＝ｆΔｘ２ｇＤＡ２；ＨＰｉ，ＱＰｉ为ｉ时刻Ｐ点的水头和流量；ＣＰ＝Ｈｉ－１＋ＢＱｉ－１－ＲＱｉ－１Ｑｉ－１，ＣＭ＝Ｈｉ＋１－ＢＱｉ＋１＋ＲＱｉ＋１Ｑｉ＋１，其中，Ｈｉ－１，Ｑｉ－１为ｉ－１时刻的水头和流量，Ｈｉ＋１，Ｑｉ＋１为ｉ＋１时刻的水头和流量．显然，方程只能用于单一管路的内部节点，对于上下游边界点，２个相容方程只有１个方程适用．因此，使用差分方程计算管道不稳定流时，需要建立对应于不稳定流动过程的初始条件和边界条件．２　边界条件图１为管嘴出流的模型示意图，图中ｐ１为静压；Ｃ－Ｃ为收缩断面．图１　管嘴模型Ｆｉｇ．１　Ｎｏｚｚｌｅｍｏｄｅｌ管嘴出流的流量公式［１４］为Ｑ＝ＣｄＡ０２ｇＨ＋Δｐρ()槡，（４）式中：Ｃｄ为流量系数；Ａ０为孔口断面积．如果容器敞开，容器上部为自由液面，则ｐ１＝ｐ２．小孔自由出流时，射流断面上的压强为常数，应等于表面上的压强，即大气压强，因此前后压差Δｐ＝ｐ１－ｐ２＝０，（５）则ｖ２＝Ｃｄ２槡ｇＨ，８１５Ｑ＝ＣｄＡ０２槡ｇＨ．（６）设恒定流时，阀门断面的流量为Ｑ０＝ＣｄＡ０２ｇＨ槡０，（７）式中：Ｑ０为恒定流状态下的流量；Ｈ０为阀门在恒定状态下管道末端的作用水头．阀门全开时流量为Ｑｍ＝ＣｄＡｍ２ｇＨ槡０，（８）式中：Ｑｍ为阀门全开时的流量；Ａｍ为全开时的截面面积．在任意水头和任意时刻下的流量为Ｑｔ＝ＣｄＡｔ２ｇＨ槡ｔ．（９）以上两式相除得Ｑｔ＝（ＣｄＡ）ｔＣｄＡｍＨｔＨ０槡＝τＱｍＨ槡０Ｈ槡ｔ，（１０）式中：τ为ｔ时刻时管道末端阀门的相对开度，τ＝（ＣｄＡ）ｔ／（ＣｄＡ）ｍ可通过试验测得．将式（１０）与顺波特征方程联立求解，可得ｔ时刻管道末端节点的水头ＨＰｉ和ＱＰｉ为ＱＰｉ＝－ＢＣ＋（ＢＣ）２＋２ＣＣ槡Ｐ，ＨＰｉ＝ＣＰ－ＢＱＰｉ，{（１１）（１２）式中：Ｃ＝τ２Ｑ２ｍ２Ｈ０．３　数值模拟计算３．１　编程思路用ＭＡＴＬＡＢ进行编程［１５］．图２为使用特征线法计算时所用的网格，也为程序编写时的思路框图．假设Ｐ为任意点，Ａ，Ｂ为点Ｐ两侧前一时刻的２点．图２中横坐标代表管道长度ｘ，步长为ｄｘ；纵坐标代表计算时间ｔ，步长为ｄｔ．首先算出ｔ＝０时刻即阀门全开时管道内每个节点处的压力与流量，以此为初始数据进行迭代计算，迭代步数为Ｔ／ｄｔ，用Ｍ表示，其中Ｔ为计算的总时间．图２　计算网格Ｆｉｇ．２　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｇｒｉｄ３．２　计算结果图３为阀门入口侧压力随时间变化曲线，图中ｐ为水击压力．计算总时间Ｔ＝５ｓ，ｄｔ＝ｄｘ／（ａ＋ｃ）＝０．０００４ｓ．　图３　阀门入口侧的压力随时间变化曲线Ｆｉｇ．３　Ｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｒｓｕｓｔｉｍｅｃｕｒｖｅｏｎｉｎｌｅｔｓｉｄｅｏｆｔｈｅｖａｌｖｅ由图３可以看出，从阀门关闭开始，阀端压力先迅速上升，在９００步左右即０．３６ｓ达到最大值，压力值为８５５．４ｋＰａ，之后压力又迅速下降；而后随着时间的增加，阀端压力不断重复上升到峰值然后又下降，但其最大压力都小于第１个峰值，在１００００步即４．００ｓ以后基本趋于平稳．４　试验验证４．１　试验设备与流程图４为试验设备图与试验流程图．整套试验装置由高位槽、输水压力管道、可快速控制关闭和开启时间可调的气动球阀（截止阀）、离心泵、压力传感器、数据采集箱、计算机及相应的测试软件等组成系统．由计算机快速关闭气动球阀（可以随时改变气动球阀关闭时间）产生水击现象，计算机随即记录气动调节阀门旁的压力随时间的变化情况．图４　试验设备图与试验流程图Ｆｉｇ．４　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔｄｉａｇｒａｍａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｆｌｏｗｃｈａｒｔ８１６在进行试验前首先开启离心泵持续向高位槽供水，保持试验过程溢流管始终有水流出，从而为试验管道提供稳定的入口水压力．然后，设置试验条件（调节流量大小及阀门执行速度），待水流稳定后由计算机快速关闭气动球阀产生水击现象，计算机随即记录气动调节阀门前的压力随时间的变化．４．２　系统主要参数管道水平放置，管道外径Ｄ＝０．０２５ｍ，管壁厚度ｅ＝０．００２ｍ，管道长度Ｌ＝２０ｍ，上游端与高位槽相连接，其水头Ｈ０＝１．３ｍ．经过测定，阀门关闭时间Ｔ０为０．３５ｓ，且由全开到全关阀门开度τ随时间Τ０变化的数据点如表１所示．表１　阀门开度随时间变化数据表Ｔａｂ．１　ＶａｌｖｅｏｐｅｎｉｎｇｔｉｍｅｃｈａｎｇｅｄａｔａｔａｂｌｅＴ０／ｓ００．０５０．１００．１５０．２００．２５０．３００．３５τ／％１．０００．９５０．７５０．５５０．４５０．３００．１００使用Ｍａｔｌａｂ对数据点进行拟合，得到阀门开度随时间变化的关系式为τ＝－３．０２４Ｔ０＋１．０４２．（１３）４．３　试验结果图５为水击试验中压力变化曲线．由图可以看出，阀门入口侧的最大水击压力在０．５ｓ左右达到最大值９００．０ｋＰａ．对比图３，５可看出，数值计算结果与试验结果的最大水击压力值基本吻合，且都是在阀门完全关闭后达到最大值，相对误差为５％，表明采用实测的阀门关闭曲线可以较好地模拟真实情况，而且采用管嘴出流规律建立边界条件是可行的．由波动变化的幅度可见，试验结果的压力波衰减很快，与数值计算的压力波曲线都是在４．０ｓ后基本趋于平稳，而数值计算的压力波衰减较慢．这是由于在计算中摩阻项采用了恒定摩阻，而瞬变流摩阻还包括流体惯性的影响，传统的恒定摩阻低估了实际的摩阻值，因此未能准确地模拟实际压力波动的衰减．图５　水击试验中压力变化曲线Ｆｉｇ．５　Ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｕｒｖｅ５　阀门关闭时间对水击压力的影响对于阀门关闭规律可用τ＝１－ｔＴ０()ｎ来刻画，其中Ｔ０为阀门关闭时间；若ｎ＝１，则为线性关闭．文中采用线性关闭规律，管道数据仍采用水击实验台的数据，模拟时间仍为５ｓ．阀门关闭时间依次取１．０，２．０，３．０，４．０，４．８ｓ，压力ｐ变化曲线如图６所示．图６　不同阀门关闭时间下的压力曲线图Ｆｉｇ．６　Ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｕｒｖｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖａｌｖｅｃｌｏｓｉｎｇｔｉｍｅｓ关阀时间Ｔ０＝１．０，２．０，３．０，４．０，４．８ｓ时，最大水击压力ｐｍａｘ分别为３５２．５，１５３．５，８５．６，５７．８，４６．４ｋＰａ．８１７图７为最大水击压力随关阀时间的变化曲线．由图可看出：阀门关闭时间越长，产生的最大水击压力越小；但随着阀门关闭时间的逐渐延长，所产生的最大水击压力下降幅度会越来越小．图７　最大水击压力随关阀时间的变化曲线Ｆｉｇ．７　Ｍａｘｉｍｕｍｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｗｉｔｈａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｖａｌｖｅｃｌｏｓｉｎｇｔｉｍｅ６　结　论１）通过数值模拟计算得到的最大水击压力值与试验结果基本吻合，误差为５％．这表明采用实测的阀门关闭曲线可以较好地模拟真实情况，且对于结构与管嘴出流模型相似的阀门，可以用管嘴出流规律来建立边界条件．２）根据数值计算结果与试验结果得到的压力波动曲线，试验结果的压力波衰减很快，而数值计算结果的压力波衰减较慢．这是因为在计算中摩阻项采用了恒定摩阻，而瞬变流摩阻还包括流体惯性的影响，传统的恒定摩阻低估了实际的摩阻值，因此未能准确地模拟实际压力波动的衰减．３）通过改变关阀时间发现：阀门关闭时间越长，产生的最大水击压力越小；但随着阀门关闭时间的逐渐延长，所产生的最大水击压力下降幅度会越来越小．参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］　王文婷，路宏．浅析压力管道中水击现象的危害及预防［Ｊ］．内蒙古石油化工，２０１３，３９（８）：９２－９４．ＷＡＮＧＷｅｎｔｉｎｇ，ＬＵＨｏｎｇ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｈａｒｍａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｉｎｐｒｅｓｓｕｒｅｐｉｐｅｌｉｎｅ［Ｊ］．ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｉｎｄｕｓｔｒｙ，２０１３，３９（８）：９２－９４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［２］　吕岁菊，冯民权，李春光．泵输水管线水锤数值模拟及其防护研究［Ｊ］．西北农林科技大学学报（自然科学版），２０１４，４２（９）：２１９－２２６．ＬＹＵＳｕｉｊｕ，ＦＥＮＧＭｉｎｑｕａｎ，ＬＩＣｈｕｎｇｕａｎｇ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｉｎｐｕｍｐｉｎｇｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｗｅｓｔＡ＆ＦＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ｎａｔｕｒａｌｓｃｉｅｎｃｅｅｄｉｔｉｏｎ），２０１４，４２（９）：２１９－２２６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［３］　葛光环，寇坤，张军．断流弥合水锤最优防护措施的比较与分析［Ｊ］．中国给水排水，２０１５，３１（１）：５２－５５，６０．ＧＥＧｕａｎｇｈｕａｎ，ＫＯＵＫｕｎ，ＺＨＡＮＧＪｕｎ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｎｏｐｔｉｍａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓｏｆｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｏｆｃａｖｉｔｉｅｓｃｏｌｌａｐｓｉｎｇ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａｗａｔｅｒ＆ｗａｓｔｅｗａｔｅ，２０１５，３１（１）：５２－５５，６０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［４］　ＫＡＬＩＡＴＫＡＡ，ＶＡＩＮＯＲＡＳＭ，ＶＡＬＩＮＣˇＩＵＳＭ．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆｖａｌｖｅｉｎｄｕｃｅｄｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｐｈｅｎｏｍｅｎａｉｎａｄｉｓｔｒｉｃｔｈｅａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ＆ｆｌｕｉｄｓ，２０１４，９４：３０－３６．［５］　ＣＨＯＯＮＴＷ，ＡＩＫＬＫ，ＡＩＫＬＥ，ｅｔａｌ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｅｆｆｅｃｔｔｈｒｏｕｇｈｐｉｐｅｌｉｎｅｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｊｏｕｒｎａｌｏｎａｄｖａｎｃｅｄｓｃｉｅｎｃｅ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２，２（３）：２４６－２５１．［６］　杨玲霞，李树慧，侯咏梅．水击基本方程的改进［Ｊ］．水利学报，２００７（８）：９４８－９５２．ＹＡＮＧＬｉｎｇｘｉａ，ＬＩＳｈｕｈｕｉ，ＨＯＵＹｏｎｇｍｅｉ．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７（８）：９４８－９５２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［７］　ＡＦＳＨＡＲＭＨ，ＲＯＨＡＮＩＭ．Ｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｙｉｍｐｌｉｃｉｔｍｅｔｈｏｄｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｊｏｕｒｎａｌｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅｌｓａｎｄｐｉｐｉｎｇ，２００８，８５（１２）：８５１－８５９．［８］　侯咏梅．水击理论与计算研究［Ｄ］．郑州：郑州大学，２００３．［９］　倪昊煜，杨玲霞，吴建平．水击计算与方程的实验验证［Ｊ］．河南科学，２００４，２２（４）：５０５－５０７．ＮＩＨａｏｙｕ，ＹＡＮＧＬｉｎｇｘｉａ，ＷＵＪｉａｎｐｉｎ．Ｖａｌｉｄａｔｅｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎａｂｏｕｔｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒ［Ｊ］．Ｈｅｎａｎｓｃｉｅｎｃｅ，２００４，２２（４）：５０５－５０７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１０］　ＬＩＺ，ＷＵＰ，ＷＵＤ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｆｌｏｗｉｎａｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｄｕｒｉｎｇｓｔａｒｔｕｐ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１，２５（３）：７４９－７５７．［１１］　钱木金．直接水击的计算公式［Ｊ］．水电能源科学，１９９６，１４（２）：１４０－１４４．ＱＩＡＮＭｕｊｉｎ．Ｄｉｒｅｃｔｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｊｏｕｒｎａｌｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙ，１９９６，１４（２）：１４０－１４４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１２］　李佳，蒋定国，王煜．长直管道阀门水击压强变化规律数值模拟研究［Ｊ］．三峡大学学报（自然科学版），２０１６，３８（２）：７－１０，３６．（下转第８３４页）８１８ａｎｄｔｈｅｇｌｏｂａｌｃａｒｂｏｎｃｙｃｌｅ［Ｊ］．Ｂｉｏｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０００，４８（１）：７－２０．［２］　王合玲，张辉国，秦璐，等．新疆艾比湖流域土壤有机质的空间分布特征及其影响因素［Ｊ］．生态学报，２０１２，３２（１６）：４９６９－４９８０．ＷＡＮＧＨｅｌｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＨｕｉｇｕｏ，ＱＩＮＬｕ，ｅｔａｌ．ＴｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒａｎｄｆａｃｔｏｒｓｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｉｔｉｎＥｂｉｎｕｒＬａｋｅＢａｓｉｎｏｆＸｉｎｊｉａｎｇａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｒｅｇｉｏｎ，Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ａｃｔａｅｃｏｌｏｇｉｃａｓｉｎｉｃａ，２０１２，３２（１６）：４９６９－４９８０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［３］　ＭＡＦｅｉ，ＤＵＣｈａｎｇｗｅｎ，ＺＨＯＵＪｉａｎｍｉｎ．Ａｓｅｌｆａｄａｐｔｉｖｅｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒｕｓｉｎｇｍｉｄｉｎｆｒａｒｅｄｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ［Ｊ］．ＳｏｉｌＳｃｉｅｎｃｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａｊｏｕｒｎａｌ，２０１５，８０（１）：２３８－２４６．［４］　ＳＵＮＷ，ＬＩＸ，ＮＩＵＢ．ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｉｎａｃｏａｌｍｉｎｉｎｇａｒｅａｂｙＶＩＳ－ＮＩＲｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ［Ｊ］．Ｐｌｏｓｏｎｅ，２０１８，１３（４）：１９６－１９８．［５］　ＲＯＳＳＥＬＲＡＶ，ＢＥＨＲＥＮＳＴ，ＧＵＥＲＲＥＲＯＣ，ｅｔａｌ．Ｕｓｉｎｇｄａｔａｍｉｎｉｎｇｔｏｍｏｄｅｌａｎｄｉｎｔｅｒｐｒｅｔｓｏｉｌｄｉｆｆｕｓｅｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｓｐｅｃｔｒａ［Ｊ］．Ｇｅｏｄｅｒｍａ，２０１０，１５８（１）：４６－５４．　［６］　ＷＡＮＧＪ，ＤＩＮＧＪ，ＡＢＵＬＩＭＩＴＩＡ，ｅｔａｌ．Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｓａｌｉｎｉｔｙｂｙｍｅａｎｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｖｉｓｉｂｌｅ－ｎｅａｒｉｎｆｒａｒｅｄ（ＶＩＳ－ＮＩＲ）ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ＥｂｉｎｕｒＬａｋｅＷｅｔｌａｎｄ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＣｈｉｎａ［Ｊ］．Ｐｅｅｒｊ，２０１８，６：ｅ４７０３．ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．７７１７／ｐｅｅｒｊ．４７０３．　［７］　张娜，张红玲，张栋良，等．基于高光谱的区域土壤颗粒组成及有机质预测模型尺度转换［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０１８，３６（１１）：１１７５－１１７９．ＺＨＡＮＧＮａ，ＺＨＡＮＧＨｏｎｇｌｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＤｏｎｇｌｉａｎｇ，ｅｔａｌ．Ｓｃａｌｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｒｅｇｉｏｎａｌｓｏｉｌｐａｒｔｉｃｌｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｂａｓｅｄｏｎｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒｕｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１８，３６（１１）：１１７５－１１７９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［８］　ＤＯＴＴＯＡＣ，ＤＡＬＭＯＬＩＮＲＳＤ，ＴＥＮＣＡ，ｅｔａｌ．ＡｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｃａｔｔｅｒｃｏｒｒｅｃｔｉｖｅａｎｄｓｐｅｃｔｒａｌｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｆｏｒｍｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｂｙＶｉｓＮＩＲｓｐｅｃｔｒａ［Ｊ］．Ｇｅｏｄｅｒｍａ，２０１８，３１４：２６２－２７４．［９］　ＬＩＨ，ＬＩＡＮＧＹ，ＸＵＱ，ｅｔａｌ．Ｋｅｙｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｓｃｒｅｅｎｉｎｇｕｓｉｎｇｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅａｄａｐｔｉｖｅｒｅｗｅｉｇｈｔｅｄｓａｍｐｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｎａｌｙｔｉｃａｃｈｉｍｉｃａａｃｔａ，２００９，６４８（１）：７７－８４．［１０］　叶红云，熊黑钢，包青岭，等．基于灰度关联－极限学习机的土壤有机质含量高光谱多尺度反演［Ｊ］．江苏农业科学，２０１９，４７（２４）：２８９－２９５．ＹＥＨｏｎｇｙｕｎ，ＸＩＯＮＧＨｅｉｇａｎｇ，ＢＡＯＱｉｎｇｌｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｍｕｌｔｉｓｃａｌｅｉｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｂａｓｅｄｏｎｇｒａｙｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｅｘｔｒｅｍｅｌｅａｒｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．Ｊｉａｎｇｓｕａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｓｃｉｅｎｃｅｓ，２０１９，４７（２４）：２８９－２９５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１１］　ＢＲＥＩＭＡＮＬ．Ｒａｎｄｏｍｆｏｒｅｓｔｓ［Ｊ］．Ｍａｃｈｉｎｅｌｅａｒｎｉｎｇ，２００１，４５（１）：５－３２．［１２］　郭澎涛，李茂芬，罗微，等．基于多源环境变量和随机森林的橡胶园土壤全氮质量比预测［Ｊ］．农业工程学报，２０１５，３１（５）：１９４－２０２．ＧＵＯＰｅｎｇｔａｏ，ＬＩＭａｏｆｅｎ，ＬＵＯＷｅｉ，ｅｔａｌ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎｆｏｒｒｕｂｂｅｒｐｌａｎｔａｔｉｏｎａｔｒｅｇｉｏｎａｌｓｃａｌｅｂａｓｅｄｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｖａｒｉａｂｌｅｓａｎｄｒａｎｄｏｍｆｏｒｅｓｔａｐｐｒｏａｃｈ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣＳＡＥ，２０１５，３１（５）：１９４－２０２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）（责任编辑　徐云峰）檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨（上接第８１８页）　ＬＩＪｉａ，ＪＩＡＮＧＤｉｎｇｇｕｏ，ＷＡＮＧＹｕ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃｈａｎｇｅｒｕｌｅｏｆｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆａｌｏｎｇｓｔｒａｉｇｈｔｐｉｐｅｖａｌｖｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎａＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ｎａｔｕｒａｌｓｃｉｅｎｃｅｓ），２０１６，３８（２）：７－１０，３６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１３］　魏闯，李明思，李东伟．ＰＶＣ管网中支管连接方式对干管水锤压力叠加的影响［Ｊ］．农业工程学报，２０１２，２８（１８）：８８－９７．ＷＥＩＣｈｕａｎｇ，ＬＩＭｉｎｇｓｉ，ＬＩＤｏｎｇｗｅｉ．ＥｆｆｅｃｔｓｏｆｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｂｒａｎｃｈｐｉｐｅｓｏｎｓｕｐｅｒｐｏｓｅｄｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｔｒｕｎｋｐｉｐｅｆｏｒｔｈｅＰＶＣｐｉｐｅｌｉｎｅｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣＳＡＥ，２０１２，２８（１８）：８８－９７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１４］　黄儒钦，禹华谦，陈春光，等．水力学［Ｍ］．３版．成都：西南交通大学出版社，２００６．［１５］　王薇．ＭＡＴＬＡＢ的循环向量化编程方法研究［Ｊ］．长春大学学报，２０１０，２０（２）：５７－５９．ＷＡＮＧＷｅｉ．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｌｏｏｐｖｅｃｔｏｒｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｎＭＡＴＬＡＢｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１０，２０（２）：５７－５９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）（责任编辑　朱漪云）８３４。

水击现象资料

而产生的
02
• 阻尼：流体在管道或设备中的摩擦、碰撞等 • 惯性：流体在运动过程中具有的保持原有速度的性质
水击现象的主要类型及其特点
水击波：当流体中的压力波以音速传播时，称为水击波
01
• 特点：传播速度快，能量大，易导致管道和设备损坏
蒸汽水击：当蒸汽与液态水混合时，由于密度差异和速来自差异而产生的水击现象03
水击现象的预防与应对措施
设计阶段的预防措施与方法
合理设计：在设计阶段，充分考虑管道和设备的水击承受能力，合理选择管径、壁厚等材料
• 管径：选择合适的管径，以减小流体在管道中的流速，降低水击风险 • 壁厚：选择合适的壁厚，以提高管道的强度和刚度，抵抗水击冲击力
缓冲装置：在管道和设备上设置缓冲装置，以减小水击现象的影响
水击现象深度解析
01
水击现象的基本概念与原理
水击现象的定义及其成因
水击现象是指在流体（如水）中，由于流速突变或压力突变而导致的现
象
01
• 流速突变：如阀门突然关闭、泵的启停等 • 压力突变：如流体在不同高度的压力变化
成因：水击现象主要是由于流体在管道或设备中受到阻尼和惯性作用
04
水击现象的研究进展与展望
水击现象的研究现状及分析方法
• 研究现状：水击现象的研究已取得一定的成果，但仍存在一些问题和挑战 • 理论研究：水击现象的理论研究已取得一定的进展，但仍有待进一步完善 • 实验研究：水击现象的实验研究相对较少，需要进一步开展
• 分析方法：水击现象的分析方法主要有数值模拟、实验研究和现场监测等 • 数值模拟：通过建立数学模型，对水击现象进行模拟分析，预测水击现象的发生和发展 • 实验研究：通过实验装置，对水击现象进行实验研究，验证理论分析和数值模拟的结果 • 现场监测：通过对管道和设备的现场监测，收集实际运行数据，为水击现象的研究和分析提供依据

水击分析方法及保护措施

水击分析方法及保护措施李立婉;高永强;万宇飞【摘要】Reliable water hammer protection measures are of great significance to close-line transportation safety. In this paper, the water hammer analysis method and its research status at home and abroad were summarized; meanwhile the water hammer protection measures were listed.%可靠的水击安全保护措施对密闭输送管道的安全性具有重要意义。

对水击分析方法以及国内外研究现状进行概述，同时总结了管道输送过程中的水击保护措施。

【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2014(000)007【总页数】3页(P1367-1369)【关键词】密闭输送;水击;分析;保护措施【作者】李立婉;高永强;万宇飞【作者单位】中国石油大学北京，油气管道输送安全国家工程实验室，北京102249;中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026;中国石油大学北京，油气管道输送安全国家工程实验室，北京 102249【正文语种】中文【中图分类】TQ832密闭输油管道是一个整体的水力系统，稳态下流量一致，运行状态由全线各站泵的运行台数、扬程及管道调节情况确定。

管道沿线某一点的流动参数变化会在管内产生瞬变压力脉动，从而引起水击。

造成水击现象的原因有很多，如阀的开启和关闭、泵机组停运与投运、管道充液排气、混油界面通过离心泵等。

密闭运行的输油管道一旦发生突发的、具有严重破坏性的水击事故，可能造成管道局部超压破裂和设备损坏，导致跑油、火灾并严重污染环境。

因此，可靠的水击安全保护措施，对于密闭输油管道的安全输送具有重要意义。

引起管道水流速度突然变化是水击发生的条件,液体具有惯性和压缩性是发生水击的内在原因[1]。

水击问题的Fourier谱方法计算

水击问题的Fourier谱方法计算陈宏玉;刘红军;刘上【摘要】The mathematical model of fluid transient inside propellant pipelines is introduced. A new algorithm is proposed to solve the nonlinear hyperbolic partial differential equations for gover- ning the fluid transient by spectral-Fourier method. The method is presented in detail with an illustra- tion of the water hammer in a simple piping system connecting tank and valve. The water hammer and pressure oscillation formed in the pipeline when its valve is suddenly shut down were solved with the method. The corresponding simulation results are given and compared with the results obtained by method of characteristics and finite element method issued previously. The high frequency oscillation problem in the numerical calculation is also discussed.%给出了推进剂供应系统管路内流体瞬变流动的数学模型，提出了采用Fourier谱方法求解瞬变流非线性偏微分方程的新方法。

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单易行，述数值格式均司以推广到水击的拟线性方程组。Ｆ
中图分类号：Ｖ３Ｔ１
１概述
在水利枢纽等给水管道系统的设计和运用中，水击是要考虑的重要因素之一，而数值模拟是进行水击计算的常用方法。目前，关于管道水击问题分析计算的数值计算方法多种多样，它们各有特点。本文选用计算流体力学ｌ中几种具有代表性的ｌ
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３３二阶ＴＤ格式．Ｖ
自１８年Ｈｒｎ９３ａｔ在文献［］ｅ３中提出ＴＤ格式以来，ＶＶＴＤ格式就以其具有模拟大梯度流动和自动捕捉激波的能力，在空气动力学及溃坝水力学计算中得到广泛的应用，但在水击计算中的应用却尚未见到。近年来Ｔ１格式有了许多新进展，Ｖ）本文采用文献［］５中计算浅水方程的通量限制的组合型ＴＤ格式进Ｖ
３计算格式
３１Ｌｘｒｄｉｓ．ａ —Ｆｉｒｈ格式ｅｃ
Ｌｘｒｄｉｓａ —Ｆｉｒｈ格式是在简单中，ｅｃｌｆ差分格式（ＴＳ的基础ＦＣ）上添加一个二阶耗散项而得到的条件稳定格式，其形式如下：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
数值方法进行计算，包括ｔｘｒｄｉｓ式、ｃｏａａ —Ｆｉｒｈ格ｅｃＭａＣｒｒｍｋ格式
维普资讯
第３９卷第ｌ８期２００８年９月
人民长江
ＹａｇｚＲｉｅｎｔｅｖｔ
Ｖ０．９．１３Ｎｏ．８１Ｓｐ．ｅ，２００８
文章编号：１１４７（０８１ — ０５２１ — １９２０）８０７ —０３０
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（｛一７｛王）
作者简介：张
丹，，女西北农林科技大学水利与建筑工程学院，硕士研究生。
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７６
人民长江
２００８正
式中ｆ＋＝｛
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．
式＝，［】其守式中［＝言将成形下。写恒如
ＯＵ
＋
：０
（）４
式中Ｆ：Ａ。Ｕ
行水击计算，其形式如下：
＾
“
本文着重于各种数值格式激波捕捉能力的比较，选用水击的简化线性偏微分方程进行分析计算只是为了使计算及编程简
收稿日期：０８０ —１２０ — ６６
结果表明：ａＬｘ—Ｆｉｒｈ格式在间断处有较大的耗散；Ｍｃｏｍｒ格式则出现了明显的数值振荡；Ｖｒｄｉｓｅｃ而ａＣｒａｋＴＤ格式具有耗散性低，不产生虚假数值振荡的优点。且关键词：值方法；间断；水击；给水管道系统数文献标识码：Ａ
２控制方程
一
，｛｛。一（。工＝（＋一＋）＋）
３２Ｍｃｏｎｒ格式．ａＣｎａｋ
ＭｃｏｎｒａＣｎａｋ显式差分格式是一种时空混合型二步预估校正格式，可以写为如下两步。
（）１Ｌ（）２
维水击的简化基本微分方程可以描述为式（）１的连续方
ＯＨＣＯｕ２
＝
程和式（）２的运动方程，一组线性双曲形方程：是
０
预测步：
＝一
— Ｏ＋ｇｔ
：０ｏ
（。）一
式中Ｈ为测压管水头；“为断面平均流速；Ｃ水击波速。为方程式（）式（）以写成矩阵的形式：１和２可
以及近年来广泛用于空气动力学和溃坝水力学中模拟激波的ＴＤ格式，将计算结果与解析解进行比较，析数值方法的Ｖ并分优劣。
ｕ” ＝７
其中：
一Ａ（工五，｛一７｛ｔ三）
道末端阀门处的最大水头和最低水头。
Ｉ＝［（｛（）＋（一（），＋］Ａｏ＇）ｒ１ｒ）（｛）ａ｛
格式质量优劣的关键。举例如下：
某压力钢管，游与水库相接，游接冲击式水轮机的控制上下
２
，｛号＋。 ∑ ＋｛＝（＋＋）＋一
式中＋１为＋处的右特征向量。｛
＋
阀门。已知：压力钢管的长度Ｌ＝８０ｍ，０管径Ｄ＝２Ｏｍ，０ｍ管４壁厚度＝２ｉ，０ｍｌ水头／ｌ４ｏ＝１０ｍ，门全开时管道中最大流５阀速Ｕ４ｍｓｍ＝／。阀门突然关闭，管道中将产生水击现象，试求管
水击的数值模拟方法比较
张丹刘韩生李顺兵２
（．北农林科技大学水利与建筑工程学院，西杨凌７２０；２葛洲坝集团第二工程有限公司，北宜昌４３０）１西陕１１０．湖４０２
摘要：选用计算流体力学中几种具有代表性的数值方法进行水击的分析计算，包括Ｌｘ—Ｆｉｒｈ格式、ａ．ａｒｄｃｓｅｉＭｃＣｒａ格式，ｏｒｍｋ以及近年来广泛用于空气动力学和渍坝水力学中的ＴＤ格式，Ｖ并将计算结果与解析解进行比较，