有压管道阀门关闭规律对数值模拟水击压强的研究

有压管道阀门关闭规律对数值模拟水击压强的研究
摘要：本文采用TVD格式数值模拟了城市供水有压管道在不同关阀时间和关阀
方式的条件下产生的水击压力和波动规律。

结果表明：TVD格式能较好的计
算阀门在不同关闭时间产生的水击压力，具有较高的计算精度；利用新的计算格
式对四种阀门关闭方式产生的水击压力进行数值计算，结果表明：关阀时间
一定时，采用曲线关闭规律，加速关闭产生的压强大于减速关闭；采用两阶段直
线关闭方式能有效降低最大水击压力。

关键词：水击；数值模拟；关闭规律
1 前言
水击现象是城市输水管道系统设计和运行管理考虑的重要因素之一。

阀门的
突然启闭产生的巨大压力可能导致管道的剧烈振动甚至爆炸，造成严重事故，给社会和人民带来巨大的经济损失。

因此，研究计算水击压力，探讨水击波在管
道中的传播规律，研究防止和削弱水击作用的技术措施，减少水击带来的经
济损失，对城市供给管道的建设、运行和管理有着重要的技术经济意义。

TVD格式是一种高分辨率激波捕捉方法，在激波间断附近不会产生非物理振荡，目前已在空气动力学和溃坝水力学等领域得到了成功而广泛的应用[1-3]。

水击波也是一种激波，刘韩生等[4-6]成功应用TVD格式数值模拟水击得到了良好
的效果。

本文采用Harten构造的经典TVD格式研究分析市政管道系统阀门关
闭时间和关闭方式对水击压强的影响，证实TVD格式是数值计算水击行之有效的
方法。

2 水击的控制方程
考虑水头损失和管道倾斜的影响，一维水击的控制方程是一组拟线性双曲型
偏微分方程，可以描述为[7]：
式中：H为测压管水头；v为管道断面流速；c为水击波速；D为管道直径；
为管道倾斜度；为沿程水头损失系数。

3数值模拟计算
TVD格式是一类比较成功的激波计算方法，只要采用统一的计算格式，便可
自动求得激波的位置、强度和运动，具有分辨率高，激波间断处不产生非物
理振荡等优点[4]。

自1983年Harten[8]提出以来，国内外很多学者在他研究的基
础上继续研究并构造了其他高精度无波动格式得到了广泛的应用。

本文采用
经典的Harten构造的修正通量TVD格式进行水击计算。

将水击控制方程组写成守恒形式为[4]：
5算例
某城市供水管网工程有一水平放置的管径不变的供水钢管，进口与水库相连，末端为阀门。

已知管长L=500m，管径D=1m，恒定流时管中流速 v0=4m/s，
静水头H0=100m，管壁厚度 =10mm。

管壁粗糙系数n=0.013。

将阀门快速关闭，
管道中将产生水击现象。

本文采用前文介绍的TVD格式计算阀门规律对水击
压强产生的影响。

阀门关闭时间
表1反映的是不考虑水头损失时，阀门按直线规律关闭，关闭时间分别为2s、3s、5s时，阀门末端不同相末水击压力大小。

随着阀门关闭时间的延长，阀
门末端水击压力随之减小。

通过对比解析解，说明TVD格式具有相当高的计算精度，最大相对误差不超过2%，能够有效的计算管道水击压力大小。

（2）阀门关闭方式
固定阀门关闭时间Ts=3s，通过改变阀门关闭速度，按图1所示的阀门关闭方式进行计算。

模式Ⅰ、Ⅳ按曲线关闭规律，模式Ⅱ直线关闭规律，模式Ⅲ两
阶段直线关闭规律由全开至完全关闭。

从图2中可以看出，阀门关闭时间一定时，不同的关闭方式对管道产生的最大水击压强有较大的影响。

模式Ⅰ和Ⅳ虽然
都是按曲线方式关闭，但前者关闭速度先慢后快，后者相反，结果有较大的反差。

模式Ⅰ产生的水击压力最大，且管道中出现负水击，管道水击振荡强烈；模
式Ⅳ产生的水击压力变化先快后慢，振荡较小，最大水击压强相对较小；模式Ⅱ
和Ⅲ都是按直线规律关闭，相比较而言，两阶段关闭方式产生的水击压力明
显小于其他关闭方式，且6s以后水击压力趋于平缓。

表1 阀门不同关闭时间，TVD格式与解析解对比结果
5 结论
本文采用经典TVD格式对有压管道阀门不同关闭规律的条件下产生的水击现
象进行了数值模拟。

通过改变阀门关闭时间以及关闭方式，计算阀门末端水
击压力的变化过程。

计算结果表明：TVD格式具有较高的计算精度，能够有效地
数值计算管道水击压力。

阀门直线关闭规律条件下，关阀时间越快产生的水
击压力越大；关闭时间一定时，阀门关闭方式对管道水击压力变化的影响不同，
直线关闭产生的压力大于两阶段关闭，采用曲线规律加速关闭产生的水击压
力大于减速关闭。

因此工程上应尽量采用两阶段关闭或减速关阀的方式减小最大
水击压力。

图2 不同关闭模式阀门末端压力水头变化过程线
参考文献
[1].谢禁睿，吴颂平.TVD格式与高超音速气动加热数值模拟[J].北京航空航天
大学学报，2007,33（4）：392-396.
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利学报，1998，（5）：7-15.
[4].刘韩生，樊书刚，张丹，张一.TVD格式在水击数值模拟中的应用[J].水力
发电学报，2010，（4）：107-112.
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[6].黄逸军，刘韩生.TVD格式在上游调压室水击数值模拟中的应用[J].长江科
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[7].E.B怀利，V.L.斯特里斯.瞬变流[M]。

清华大学流体传动与控制教研组译.北京：水利水电出版社，1983.
[8].Harten A.High resolution schemes for hyperbolic conservation laws[J].J.of Comp Phy.1983,49: 357- 393。