水击随机分析在压力管道结构设计中的应用
压力管道中水击的介绍
在 有 压管 路 中 ， 由于某 些 外 界原 因 （ 阀 如 门 突然 关 闭 、水 泵机 组突 然停 车 等 ）使 得水 ， 的流 速发生 突然变 化 ， 而引起压 强 急剧 升高 从 和 降低 的交 替 变化 ， 种水 力现 象称 为水 击 ， 这 或水 锤 。水 击 引起 的压强 升高 ， 达管 道正常 可 工作 压强 的几十倍 甚至几 百倍 ， 种大 幅度的 这 压 强波动 ， 往往 引起管道 强烈振 动 ， 门破坏 ， 阀 管道接 头 断开 ， 至管道爆 裂等重 大事故 。因 甚 此 ，在 有压 引水 系 统的 设计 中 ，必须 进 行水 击 计算 ，确 定 可能 出现 的最 大和 最 小水 击压 强 ，研 究防 止和 消 弱水 击作 用 的措施 ，研 究 这一 问题就 有较大 的实际价 值 。
ｄＶ 来 的减压波的影响 ，这 种水击称为直接水 击。 墨 一 塑 墨 ＋ ： ｄ 兰 ０一 ｘ 当 阀门 关 闭时 间Ｚ ＞ 时 ，阀门处 的最 大 压 ｄｔ Ｃ 出 ｃ ２Ｄ 出 强被 反射 回来的减压波抵消 了一部分 ，其大小 ３ ２ ２建立 代数方 程 ．． 与 阀门的关闭时 间长短有关 ，这种水击称 为间 如 图１ 示 ，将 管 道沿 着Ｘ 向分 成Ｎ等 所 方 接水击 。间接水击时阀 门处 的最大水击压 力小 份 ，其 间隔 为 ａ （ ｘ 称为 距 离步 长 ，取 正值 ） ， 于直接水 击时的最大压 强，因此工程设计 中总 每一 结 点 （ 中 包 括ｘ ， ＝ 两 个 端 点 ） 其 ＝０ ｘ Ｌ 在 是 力图合理 的选择参数 ，并 尽量的延长阀 门的 ｔ ０ ＝ 时刻 的Ｖ＊ Ｈ作 为初始 值 。相对 于水 击波 Ｎ 关 闭时 间，以避免 发生直 接水击。 速 ，水 流 速度 很小 ，可以忽 略 ，因此时 间步 ２水击 压强计 算 长 若 采 用 ＝ ｃ 取正 值 ， 网格 上 的每 一 （ 则 ２ １ 接 水击 ．直 个交点都满 足特征 方程 。
管道的水击分析与计算
管道的水击分析与计算学生姓名：某某专业：过程装备与控制工程班级：过控0704指导教师：某某2010年10月10日目录摘要 (3)关键词 (3)Ⅰ水击的产生 (3)Ⅱ水击保护方法 (3)一.增强保护 (3)二.超前保护 (3)三.泄放保护 (3)Ⅲ管道的水击分析 (4)一.水击对输油管道造成的主要危害 (4)二.管道分析的目的 (4)三.管道分析所需要的基本数 (4)四.管道分析取得的成 (4)Ⅳ水击控制及保护设施 (5)一.泄压阀 (5)二.调节阀 (6)Ⅴ水击计算 (7)一.水击波的压力增加 (7)二.水击波的传输速度和水击压强 (7)Ⅵ防止水击的措施 (9)一.增加防止水击设备 (9)二.建立安全操作体系 (10)Ⅶ结语 (10)参考文献 (11)管道的水击分析与计算摘要：输油管道的密闭流程使管道全线成为一个水力系统，管道沿线的某一点流动参数变化会在管内产生瞬变压力脉动。
该压力脉动从扰动点沿管道上下游传播，引起管道的瞬变流动进而引起的压力波动称为水击。
它引起管内压强上升，轻则噪音与振动，重则超过管内原有正常压强的几十倍甚至上百倍，以致超过了管壁材料的允许应力，造成管道和管件的变形甚至破裂。
因此，了解水击现象的发生、发展过程和计算，对削弱水击所产生的危害是十分必要的。
现代大型计算机的广泛应用，对输油管道的水击分析利用专门编制的程序进行，使得在防护方面取得了理想的经济和社会效益。
关键词：水击；水击防护；瞬变流动；防护系统；水击计算Ⅰ水击的产生管道中液体的运动状态突然改变的情况下发生（如阀门的突然关闭或突然开启，水泵的突然启动或停止，水轮机或液压油缸突然变化负载等）。
由于流速突然发生迅速变化，结果由于流体惯性，必然引起管内压强的剧烈波动，即压强的突然上升与突然下降，并在整个管长范围内传播。
压强突变使管壁产生振动，并伴有似锤之声，故将这种现象称为管内水击现象。
现代输油管道的密闭输油流程使管道全线成为一个水力系统，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。
什么是压力管道的水击(水锤)现象？有何危害？如何消除？
什么是压力管道的水击（水锤）现象？有何危害？如何消除？
在压力管道中，由于液体流速的急剧改变，从而造成瞬时压力显著、反复、迅速变化的现象，称为水击，也称水锤。
引起水击的基本原因是：当压力管道的阀门突然关闭或开启时，当水泵突然停止或启动时，因瞬时流速发生急剧变化，引起液体动量迅速改变，而使压力显著变化。
管道上止回阀失灵，也会发生水击现象。
在蒸汽管道中，若暖管不充分，疏水不彻底，导致送出的蒸汽部分凝结成水，体积突然缩小，造成局部真空，周围介质将高速向此处冲击，也会发出巨大的音响和振动。
水击现象发生时，压力升高值可能为正常压力的好多倍，使管壁材料承受很大应力；压力的反复变化，会引起管道和设备的振动，严重时会造成管道、管道附件及设备的损坏。
消除或减轻水击危害的基本方法有：
（1） 缓慢开启或关闭阀门；
（2） 尽量缩短阀件与容器间的管道长度；
（3） 止回阀应动作灵活，不应出现忽开忽关现象；
（4） 管道就装设安全阀、空气阀或蓄能器；
（5） 蒸汽管道送汽前要充分暖管，彻底疏水，然后缓慢开启阀门送汽。
水击在压力管道工程设计中的防控
2 水击压力的起因
利用得出的最大水击压力对管系进行校核 ,确
任何造成管线中流速突然变化的情况都可能引 保管系在水击发生时有足够的安全余度 ,如余度不
起水击 。以下列举了引起水击的部分原因 : ①水泵 足应对管系设计重新进行调整 ,或者加设适当的补
的正常启动和关闭 ; ②水泵电源中断 ; ③阀门操作 ; 救或控制装置 。一般情况下 ,后一种方式比前一种
管设计水头需提高到 300 m 进行结构计算 ,另需在 机组出口设置水锤消除器 ,这些结构和设备方面的 措施都是针对水击的影响而采取的 ,可见 ,水击对 管道设计的影响之大 。本文仅讨论水流质 。
1 水击压力的基本公式
管系的临界时段 TC (或称相长) 为瞬时水波在 管系内行进到反射点并折回起始点的时间长度 :
起爆 :起爆前量测主线电阻值 ,网路正常后 ,合 闸起爆 。
215 观测与监测
在汾河水库岩塞爆破过程中 ,为了对大坝和进 水塔闸门井等建筑物进行安全监测 ,了解有较厚淤 积物覆盖的岩塞爆破的特点 ,取得较为完整和系统 的资料 ,进行了观测与监测 ,项目情况见表 2 。
[ 1 ] 王树人 ,董毓新 1 水电站建筑物 [ M ]1 北京 :清华大学 出版社 ,19841
[ 2 ] 水工设计手册 (第七卷 —水电站建筑物) [ Z]1 北京 :水 利电利出版社 ,19891
[3 ] SD 144 - 851 水电站压力钢管设计规范 [ S ]1 北京 :水 利电力出版社 ,19851
对于水击问题 ,不同的管系都有其特殊性 ,不可 能找到一个适用于所有管系的解决方案 。在设计 中 ,应针对具体的设计任务选择适合的水击控制方 法 、控制设备及设备的尺寸 ,在多种方案中比选出一 种能对管系提供最大保护并且经济可行的方案 。通 常采用下列方法可以在很大程度上减小水击压力 :
某型发动机试验管路水击研究
某型发动机试验管路水击研究发布时间：2022-09-08T05:07:22.397Z 来源：《城镇建设》2022年第5卷4月第8期作者：陈明航张晓丽赵宗焕[导读] 某型发动机在试验过程中经常出现水击现象，陈明航张晓丽赵宗焕摘要某型发动机在试验过程中经常出现水击现象，过高的水击压力会对输送管路产生损害，通过搭建仿真模型对管路长度和夹气量对水击压力的影响进行研究，结果表明管路长度和夹气量与水击压力成正比，基于此结论对试验设计提出了建议，可为相似管路设计提供参考。
关键词液体火箭发动机水击仿真0.引言某型发动机试验过程中管路经常出现水击现象，过高的水击压力峰会造成发动机管路、阀门等组件的使用寿命减少甚至破坏。
为此本文采用AMESim软件搭建仿真模型对管路长度和夹气量对水击的影响进行了研究。
1.水击现象产生的原理水击现象产生的物理原因主要是由于液体的惯性和压缩性。
由于液体流动的惯性和压缩性, 当阀门突然关闭时, 管路内液体不是在同一时刻全部停止流动, 压力也不是在同一时刻同时升高, 而是以波的形式在管道中传递, 当阀门关闭后连续发生多次水击时水击压力峰值非常大,可以达到工作压力的数倍。
2.管路动力学模型分析管路系统的动态特性时，需要考虑流体的压缩性、黏性和惯性等因素的影响。
由于这些影响因素的数学模型比较复杂，在实际分析时，如果某一种因素起主要作用，则可忽略其他因素的影响。
由于水击主要受流体惯性和压缩性影响，模型主要考虑流体的惯性和压缩性。
流体的惯性，即表征流体维持其原有运动状态的能力，类似于电路中的电感，可称之为流感，用表示。
非稳态运动可用动量守恒方程来描述：4.影响因素分析采用上述模型对不同管路长度和夹气量产生的水击压力峰进行仿真计算，结果如下：管路夹气量：从图3可以看出，上下游管路长度一定的情况下，水击压力峰与管路夹气量成正比。
夹气处上游管路长度：从图4可以看出，上游管路长度越长水击压力峰越大。
夹气处下游管路长度：随着下游管路长度增加，下游的水击压力峰逐渐减小（图5），夹气处的水击压力峰不变（图6），说明最大水击压力出现在管路夹气处。
压力管道中水锤现象及其防止问题
前 者探 用 表 三 福 制
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后 者探 用 表 二 榻
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压 力管道 中水捶 现 象 及其 防止 周题
康 罗 奇 金 寡家
一
、
水锤 现 象 的 一 般 概 念
。
冲 击 波 的 傅 播速 度 按 下 列 公 式 确 定
:
压 力 管 道 中 液 体 流 动 速 度 骤 然 变化 而 引起 的 压 力 剧 烈 变 化 称 为 水 锤现 象
水击
1 水击及其危害水击是压力管道中一种重要的非恒定流。
当压力管道中的流速因外界原因而发生急剧变化时，引起液体内部压强迅速交替升降的现象，这种交替升降的压强作用在管壁、阀门或其他管路元件上好像锤击一样，称为水击。
水击引发的压强的升高或降低，有时会达到很大的数值，处理不当将导致管道系统发生强烈的震动，引起管道严重变形甚至爆裂。
因此，在压力管道引水系统的设计中，必须进行水击压力计算，并研究防止和削弱水击作用的措施。
2 水击压力防护措施为确保管道安全运行，除在设计中慎重考虑外，更应加强管理，制定和遵守严格操作规程。
水击压力计算公式表明：影响水击压力的主要因素有阀门起闭时间、管道长度和管内流速，因此，可针对以上因素在管道工程设计和运行管理中采取以下措施来避免和减小水击危害。
（1）操作运行中应缓慢启闭闸门以延长闸门启闭时间，从而避免产生直接水击并可降低间接水击压力。
（2）由于水击压力与管内流速成正比，因此在设计中应控制管内流速不超过最大流速限制范围。
但有时管道中的流量是一定的，管径一般由动能经济计算确定，减小流速意味着加大管径。
用减小流速的办法降低水击压强，往往是不经济的，一般并不采用。
但在一定的条件下，例如适当的加大管径可以免设调压井时，采用这一措施可能是合理的。
（3）由于水击压力与管道长度成正比，因此在设计中可隔一定距离设置具有自由水面的调压井或安装安全阀和进排气阀，以缩短管道计算长度并消减水击压力。
减压阀适用于引水管道较长和不担任调频任务的中小型水电站是比较经济的。
但由于减压阀在电站机组增加负荷时不起作用，不能改善电站运行的稳定性，电站在变动小负荷（机组额定出力15％以下）时减压阀不动作，因而恶化了机组的速动性，这种一般采用调压井减小水击压强。
水击压头H=a•△V/g= a•(V0－V)/g其中：V0－水击前的流速，米/秒V－水击后的流速，米/秒g－重力加速度，米/秒2a－水击波传播速度，米/秒，与管径、壁厚、管道材质、管道弹性模量、介质密度、介质的体积弹性系数、管道的固定情况有关可见，对输送某种介质的某条管道，水击压头的大小与水击时管道流速的变化量成正比（注意流速应有方向性，假设某方向为正，即反方向应为负）第四节输油管道中的水击一、水击产生的原因及其危害水击现象，是指在压力管路中，由于某种原因而引起流速变化时，引起的管内压力的突然变化。
长距离供水管道水锤分析优化与应用研究
长距离供水管道水锤分析优化与应用研究长距离供水管道水锤分析优化与应用研究摘要：水击是长距离供水管道系统中的常见问题，它可能导致管道爆裂、泄漏等安全隐患，并对管道运行稳定性和供水质量造成不利影响。
本研究旨在分析长距离供水管道中的水击问题，并提出相应的优化措施和应用研究，以确保管道系统的安全稳定运行。
1. 引言长距离供水管道是城市和农村供水系统的重要组成部分，其作用是将水源地的水源输送到用户所在的位置。
然而，供水管道中会遇到水击问题。
水击是由于管道中水流速度和压力的急剧变化引起的瞬时液压冲击，可能对管道系统造成严重破坏。
因此，研究长距离供水管道的水击问题，进行优化与应用研究，具有重要意义。
2. 长距离供水管道水击分析在长距离供水管道系统中，水击问题会随着供水管道的设计、运行和维护等因素而产生。
目前，常用的分析方法包括数值模拟和实验研究。
数值模拟可以通过计算水流速度与压力的变化来预测水击的发生。
实验研究可以通过在实际管道上进行实测来获取数据，并验证数值模拟的结果。
通过对长距离供水管道中的水击进行分析，可以了解水击的机理和特征，以便更好地优化管道系统的设计和运行。
3. 长距离供水管道水击优化措施为了解决长距离供水管道水击问题，需要采取一系列优化措施。
首先，合理设计管道系统，根据水源地和用户位置的距离、高差等因素，确定管道直径和材质。
其次，在系统中设置阀门、消声器等装置，用于调节水流速度和压力的变化。
此外，还可以采用自动控制系统，通过监测和调节水压，减小水击的发生。
最后，加强管道的维护和检修工作，及时修复漏水和破损等问题，以确保管道系统的稳定运行。
4. 长距离供水管道水击应用研究长距离供水管道的水击问题不仅在理论研究中需要关注，也需要在实际应用中进行研究。
通过实地调研和数据分析，可以了解不同地区和不同管道系统中水击问题的发生频率和程度。
同时，还可以比较不同优化措施的效果，并提出相应的改进方案。
此外，还可以开展培训和宣传活动，提高用户和维护人员对长距离供水管道水击问题的认识和应对能力。
动态水击模拟在管道设计中的应用与研究
（． ３中海石油 （ 中国）有限公司天津分公司 ， 天津 ３０ ５ ） ０ ４ ２
［ 要］ 液相 管道在运行 时发生的水击现 象，可对管道 系统造成影响和破坏 。本文应用Ｐ ＰＮ Ｎ 动态水击模 拟软件对动 态水 摘 ＩＥ ＥＴ
击过程进行了分析，指出实际水击压力是由直接水击压力和充装水击压力两部分构成的，动态模拟计算比静态水击计算有一 定的优 势，可以应用动 态计算结果指导液相 管道 的设计。
第５ 期
刘冰 等
动态水击模拟在管道设计 中的应 用与研究
一 ７一 Ｊ
设 计压 力值 为 １３３ １５ ２ ８ ｍＨ２ ２ ． ｂｒ ０ ．＋ ５＝ ５ ． ３ ０＝ ５８ ａＧ ３
２ 动态水 击压 力计算
＠
利 用ＰＰ ＮＥ 软 件 建 立Ｏ 型如 图ｌ ＩＥ Ｔ 的模 豫 。为 了 同
弹性模量（ 钢管的弹性模量为２０ “Ｐ ） ａ ． Ｘ１ ７ ０ ａ，Ｐ ； Ｃ，管 子 的 约 束 系 数 ， 由 于 管 道 埋 地 敷 设 ，可 认 。 为管道无轴 向位移，Ｃ ＝ ；ｄ管道 内径（ ｌ１ 本计算管 道 内径 取 Ｏ１ ９ ｍ） ．４ ３ ，ｍ； ６一 道 壁 厚 （ 计 算 为 管 本 ０ ０ ５ ，ｍ。 ． ９ ｍ） ０
１ ． ■ 论文广场 ６
一
２ ２ 第１ 石１ 化 ５备 ０ 和 工卷 油年 设
动态水击模拟在管道设计 中的应用与研究
刘冰 ，武 明 ，李伟 ，彭 宇 ，蔡广远 ，王东 ，李伟
（． １ 康菲石油中国有限公司渤海分公司 ， 天津 ３ ０ ２ ） Ｏ ４ ２ （． ２海洋石油工程股份有限公司 ， 天津 ３ ０ ５ ） ０４ １
经计 算 ，得到 水击 波传 播速 度ａ １９ ｓ ＝ ９ ３ ｍ／ 。
智能控制压力管道爆破保护系统的水击分析
ＣＨＥＮ ｎ Ｋｕ ，ＺＥＮＧ ａ ｇ ｗｅ ，ＣＨＥＮ ｅ Ｘｉ ｎ ． ｉ Ｗ ｉ
（． １ 四川 大学 制造科学与工程学 院 ，四川 成都
６ ０６ ； ． １０ ５ ２ 四川孚硌技术公 司 ，四川 成都 １ １６ ０ ７）
ｓ Ａ＝ｃ ｌ ＾ 卜 ａ ｔ ｗ＋ Ｊ Ａ Ｑ Ｓ Ｂ：Ｃ ／ Ｂ卜 ａ Ａ ｗ＋ Ｉ ％ ｔ Ｑｌ
ｃｗ
１主阀 ． ２ 阀体 ． ３ 主 管道 ． ４阀杆 ． ５控制缸 ． ６ 活 塞 ．
７ 控制杆 ．
８ 齿条 ．
９ 压缩弹簧 ．
１． 芯 ９阀
１． ０ 控制缸进 口
２． 位弹簧 ０复 ２． ６ 储压 缸
例说 明管道 内压 力变化 的情 况 ， 出主 阀关 闭时 间 ， 管道 的设计 提供 理论依 据 。 得 为 关键 词 ： 智能控 制 ； 爆破 保护 ； 力 管道 ； 压 水击 中 图分类 号 ： Ｈ１７ 文献标 识 码 ： 文章 编号 ：０ ０４ ５ （０ ０ ０ － ４ －３ Ｔ ３ Ｂ １０ －８ ８ ２ １ ） １ ０ ５０ ０ 管 道运 输作 为五 大 运 输 手段 之 一 ， 已成 为工 业 国
［ ］ 李经源 ， ３ 徐文 云． 双缸同步运动控制算法研究 ［ ． Ｍ］ 北京 ：
北 京 理 工 大 学 出版 社 ，９ ８ １９ ．
影 响机 电一体 化 设 备 运 行 同步 的 因素 很 多 ， 很 也
复 杂 ， 过对 其分 析并 加 以适 当控制 ， 够 比较 精 确 而 通 能
１ 压 力管 道非 能动 控制 爆破保 护 系统 的结构 与原理
家 的 主动脉 。在 管道 的 使 用过 程 中 ， 管道 会 由于 自然
有压管道中的水击现象初探
有压管道中的水击现象初探作者：黄丽萍来源：《科学与财富》2020年第11期摘要：在一些外界因素影响下，将使有压管道中的流速发生剧烈的变化，随之管道中的液体压强将会产生快速的交替升降的过程，产生非常高的水击压强，通常能够达到正常工作压强的几十倍，或者更高，因此应采取必要的防止和削弱措施。
关键词：水击现象;传播过程;水击分类;预防措施1 水击产生的原因有压管流中，由于某些外界原因（如水泵的突然停止、阀门的突然开启或关闭），使得水流速度发生突然变化，从而引起压强急剧升高或降低的交替变化的现象，称为水击或水锤[1]。
如上图所示，简单管道长为，进口端接水库，末端接调节阀门。
为了方便分析，我们忽略水头损失和流速水头，认为管路中的测压管水头与水库水位相同，并且这里我们考虑液体的压缩性和管壁的弹性。
当闸门开启时，我们假设管中的水流为恒定流，压强为，流速为。
若端閥门瞬间关闭，紧贴阀门的一层液体则以速度冲击阀门，速度骤然下降至零，动量发生了变化。
根据动量定理，动量的变化量等于阀门对水体的反作用力的冲量[2]。
因此在外力作用下，靠近阀门处的液体压强升高至，由于管壁是弹性体，管壁膨胀。
一层一层的液体和管壁相继发生同样的变化，以速度向上游传播，并在边界处发生反射，由此就产生了水击现象。
2 水击波的传播过程在阀门关闭的瞬间，管内的液体不会全部都停止流动，压强亦不是一起升高的，而是紧靠阀门断面的液层流速首先下降至零，压强增大，管壁横截面增大。
这种变化由阀门断面产生，然后迅速向上游传播，传播速度为，所到之处压强发生变化，管道断面面积也发生变化，我们称之为水击波的传播。
3.2间接水击间接水击是阀门的关闭时间时产生的水击。
当发生间接水击时，水库反射波在阀门开度变化结束前就已经到达阀门断面，其压强值相比于直接水击来说减少了很多，但是间接水击的计算相比于直接水击来说要复杂得多。
4 水击的防止和削弱由于水击产生的压强非常大，可能使有压管道剧烈振动、产生形变甚至破裂，对我们的生产和生活产生严重影响，因此必须采取措施加以削弱。
水击在压力管道工程设计中的防控
水击在压力管道工程设计中的防控摘要：水击是因为压力管道内液体流速突然发生改变，液体流速在变化的瞬间产生水击波，向上下传播，从而引起管内的压力改变，这以压力改变就产生水击压力，水击压力对水电站的管道设计具有很大的影响，是管道设计中非常重要的一项内容。
由于水击在压力管道中不稳定，由于水击引起的管道压强变化无常，压强升高时可使管道承受正常工作时管道压强的几十倍，出现的波动非常大，这使管道的管壁承受巨大的压力，由于压力极不稳定，所以压力的变化会损坏管道或者管道附件设备，对水电厂的正常工作产生极大地影响。
关键词：压力管道；水击压力；设计与防控在压力管道工程中，水击现象会经常出现，如果在设计中设计不合理或者在实际操作中对水击现象处理不当，管道的水击会阻碍管道液体的流动，甚至导致管道严重受损，对人身健康造成威胁，因此，水击在压力管道工程设计中的严格把控对水电厂的安全工作具有重大的意义。
下文就水击现象产生的原因及引发的后果，介绍了如何计算管道中水击压力值，从设计的角度来对水击现象进行预防和控制。
一、计算水击压力的基本公式管道水击现象的瞬时水波从开始到结束位置的临界时段的时间长度为TC，从起始点到反射点的这段反射距离为L，在反射过程中，水击的波速为a，那么就会得出瞬时水波在管道内发生水击的时间: TC 2L/a......①。
利用这个式中可以计算出水击现象发生的时间，采用临界时段更能体现出水击流速变化时间对水击压力的影响。
当水击流速变化时间低于水击时间TC 时，则会导致特定水击事件中最大压力变化。
在TC内发生的流速变化引起的压力波，导致水分子之间的相互摩擦和和低压回流水击的波尾流重叠而得到消减。
在水击想象的瞬时水波的临界时段内流速发生变化引起的压力变化，水击引起的压力升高用HS表示，得出以下计算公式：()=-……②。
HS a V0 V f/g在计算公式中，V f 表示为在水击时间t = TC 时的水击流速，单位为m/s , 当水击时间在TC时间内水击现象完全消失，即水电站正常工作时，此时 V f 就等于零，g表示重力常量(9 .8 m/s)，a表示水击波速，管道的最大水击压力是管道系统所能承受水击的最大流速和管道材料相关的波速的数学计算函数，在最大水击压力下，此时管内水流的流速是管内水流所能承受的最大流速，如果这时管道阀门快速关闭、压力泵停止运转或者水击时间小于临界时段TC，导致水流突然停止等，水击波速由于管道的管壁厚度、管道材料的类型、管道里的液体以及管道的直径等因素共同决定，因此得出管道内的水击波速计算公式为：α③在算式中:E w 表示水的体积弹性模量kg/m2(标准大气压下为 2 .11 ×108kg/m2)；γ为水的容重kg/m3(标准大气压下为1020 kg/m3)；r 为管道内半径；k 为抗管道压力系数，针对不同的管道选取不同胡抗压系数。
水击
在管壁材料强度允许的条件下，应当选用直径较大， 管壁较薄的水管。
水击波传播的速度
根据质量守恒原理可推导出水击波的传播速度
c
c0
(1 D K )
E
c：0 声波在水中的传播速度 c0 1435m/s
K——液体的弹性系数 E、D、δ——管壁材料的弹性模量、管径、管壁厚度
2、减压顺波
H
c H
B
v0
v=0 A
L
阶段 时段
速度 变化
流速方向
压强变化
水击波 传播方向
运动状态
液体状态
(b) L/c<t<2L/c 0 → -v0 阀门→水库 恢复原状 水库→阀门 减速减压 恢复原状
h0
B
v0
A
L
时刻
全管速度
全管压强 水头
水击波 到达
t=2L/c
v= -v0
H
A点
液体状态
v= v0
h0
A点
复原
状
态
阶段 时段
速度 变化
流速方向
压强变化
水击波 传播方向
运动状态 液体状态
(a) 0<t<L/c v0→0 水库→阀门 增高p 阀门→水库 减速增压 压缩 (b) L/c<t<2L/c 0 → -v0 阀门→水库 恢复原状 水库→阀门 减速减压 恢复原状 (c) 2L/c<t<3L/c -v0→0 阀门→水库 减低p 阀门→水库 增速减压 膨胀
若关闭阀门所经历的总时间为Ts，则可将它分成n 个时段△t1， △t2 ，…… △tn ， Ts =∑△t1 ，
圆管流动水击压力波测量及水力计算
圆管流动水击压力波测量及水力计算
答案：
圆管流动水击压力波的测量和水力计算是研究水击现象的重要手段。
测量方法
为了探索水击现象的物理过程和机理，研究人员研制了自循环定常流动管路瞬态特性计算机控制试验装置，并利用该装置进行圆管流动水击压力波实验测量。
通过使用12只扩散硅压力传感器，测定圆管流动水击压力波的瞬态分布及最大、最小压力值，由试验数据拟合出水击波波形，揭示了水击压力波传播方式、特性及衰减规律。
水力计算方法
通过分析随机捕捉测量技术方法，理论上推断出测量数据达到可信精度。
在归纳分析试验数据基础上，得出最大压力随关阀时间的关系曲线，用数值分析方法拟合出水击最大压力水力计算修正方程式。
实际应用和影响
水击现象在管道设计、液压传动、水力机械和流体工程等领域具有重要影响。
掌握水击过程机理及预测方法，以及研究水击的防护方法及其设计，对于减少水击带来的危害具有重要意义。
雷诺数和阻力损失的计算公式
•雷诺数（Re）：Re = vd/r，其中v是流体速度，d是管线内径，r是运动黏度。
当Re小于2040时为层流，2040-2800为不稳定流，2800以上为紊流。
•阻力损失（h）：h = λlv^2/(2gd)，其中λ是摩阻系数，l是长度，v是流体速度，g是重力加速度，d是管线内径。
层流的摩阻系数λ = 64/Re；不稳定流的摩阻系数λ = 0.16Re^-13；紊流的摩阻系数λ = 0.3164Re^0.25。
水击仿真在管道加油车加油研究中的应用
水击仿真在管道加油车加油研究中的应用摘要:简要介绍了国内外管道加油车的发展和对水击问题研究的发展和现状,介绍了键合图法的发展和应用。
关键词:水击;仿真;管道加油车引言使用加油车给飞机加油,始于第二次世界大战期间。
飞机加油车出口的燃油压力一定,它向飞机油箱加油,满油时飞机加油控制活门的快速关闭将引起水击,该过程中最大压力往往发生在阀口附近的管路,由于加油管路系统比较短,水击传播快,高于期望的水击压力将严重威胁到管路系统总体效能及其安全可靠性。
但如果有泵源,管道达到一定长度,加油速度提高,压力增大,在设计中必须考虑水击压力的影响。
1.国内外飞机管道加油车现状管道加油系统自五十年代问世以来,在发达国家得到了快速发展,到七十年代初发展得已经比较完善,并开始进行规范化建设。
民航系统的大中型飞机以使用管道加油车为主,对不能靠近加油点的飞机,则使用罐式加油车加油。
飞机管道加油车的加油能力一般划分为单管、双管和三管压力加油方式。
加油流量一般是60m3/h和180m3/h。
美军的加油车主要有两种类型,即汽车加油车和半挂加油车。
美军研制的新型加油车,容量达80000L,加油可达4000L/min英军在90年代初装备部队的有9000L飞机加油车和18920L加油车。
90年代后期,英国装备了新型15000L加油车,该车可为陆军的地面装备加油和空军的飞机加油。
2.水击的研究2.1水击研究的历史和现状水击引起人们的重视要追溯到十九世纪初期,许多科研工作者在这方面作了大量有益的实验研究和理论分析工作。
1898年Nic01aijoukovsky首次提出了压力上升与流速变化、波速、流体密度有关,推导了波速和压力跃升的方程:1913年Loreuzo Allievi创造了水击分析的数学方法和图解法,成为这一领域其后50年研究的基础。
二十世纪六十年代以来,随着高速电子计算机和现代动态测量技术的发展及数值计算方法的不断完善,使管网瞬变流分析的重点几乎完全集中到了计算机的应用上。
水击随机分析在压力管道结构设计中的应用
下面采用平稳二项随机过程模型来分析荷载随机过程ΔH ( t) , t ∈[ 0 , T ]. 设计基准期 T 划分为时段 τ(1 a) ,在时段 τ内的水击事故发生概率 P 从电站统计取得[4] , 设计基准期 T 内最大水击升压的概率分布
为[6]
FT (ΔH) = [ Fτ(ΔH) ]50 P
(7)
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特性来选取. 例如 ,进行正常使用极限状态设计时 ,若采用长期效应组合 , 静压部分 H0 的准永久值系数宜取 较大值 ,而水击升压ΔH 宜采用较小的准永久值系数进行折减才符合实际情况.
2 压力管道强度设计原理
2. 1 传统设计方法 2. 1. 1 荷载确定 (忽略温度力 、风荷载 、雪荷载等影响)
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河 海 大 学 学 报
2000 年 3 月
现以机组甩负荷引起水击升压为例 ,分析静水压力 H0 ( t) 与水击升压ΔH ( t) 这两种随机过程的不同特 性和概率分布.
1. 1 静水压力 H0 ( t) 荷载特性与概率分析 压力管道某断面处的静水压力 H0 ,即甩负荷前管道恒定流时该断面处的内水压力为
(9)
式中 S Gk , SQ1k , SQ2k分别为荷载 G , Q1 , Q2 产生的荷载效应. 2. 2. 1 荷载标准值
a . 钢管和管内水体自重 G 属确定性永久荷载 ,荷载分项系数 γG 按规范[1 ,6]取为 1. 2 , 荷载标准值 Gk =
基于PIPENET的管道系统水击分析
（5） 设置调压室。 在较长的管道上设置调压 室， 缩短管道长度， 可以缓和水击。 2 利用 PIPENET 软件进行管道系统水击分析
PIPENET 软 件 的 瞬 态 模 块 ， 可 模 拟 由 于 设 备 启停、 阀门操作等因素造成的管网内流场瞬态变 化， 计算系统压力和流量的波动， 预知水击或汽 锤， 验证系统对动态工况的响应性。 并且， PIPENET 瞬 态 模 块 可 以 为 安 全 阀 、 呼 吸 阀 、 压 力 容器等在动态工况下工作的关键设备进行动态设备 选型， 使设备的型号更准确、 更安全、 更经济。 2.1 油码头装卸管道系统概况
模拟结果显示安全阀 在 NSV 阀 前 时 ， 在 工 况 2、 3、 4、 5 中， 工况 5 的阀门入口压力大于系统 设计压力， 工况 2、 3、 4 均满足压力小于 1.5 MPa 的 要 求 ， 但 是 考 虑 到 工 况 4 安 全 阀 开 度 54%， 阀 门型号较小可以降低工程造价， 所以选择 Cv50 安 全阀安装于 NSV 阀前最优， 系统可以达到减小 水 击， 保持管道系统正常运行的目的。 在此基础上， PIPENET 软件还可以模拟关断阀不同的运动行程， 水击对管道系统的影响。 这样可以要求操作人员严 格执行操作规程， 将水击发生的频率和水击造成的 损失降至最低。
（1） 系统选用了不合理的管径， 部分管道流速 不合理。
压力管道中水击的介绍
压力管道中水击的介绍
华晔
【期刊名称】《中国科技财富》
【年(卷),期】2008(000)010
【摘要】对水击现象进行了分析,阐明了水击的机理,介绍了管道水击的几种类型和研究方法.文中通过对水击现象的探讨,以期达到减轻、控制水击危害的目的
【总页数】3页(P113,115,117)
【作者】华晔
【作者单位】西安理工大学水利水电学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU99
【相关文献】
1.压力管道中水击的探讨 [J], 戴安全
2.浅析压力管道中水击现象的危害及预防 [J], 王文婷;路宏
3.用水轮机导水机构程序关闭方法降低压力管道中的水击 [J], 膝文炳
4.水电站压力管道中水击波速计算公式的修正 [J], 金丽珠
5.水击在压力管道工程设计中的防控认识实践 [J], 李笑亚
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有压管中的水击
1.1 水击现象的基本概念
前面各章节中所研究的水流运动，没有也不需要考虑液体的压缩性，但 对液体在有压管中发生的水击现象，则必须考虑液体的可压缩性，同时考虑 管壁材料的弹性。
有压管中运动着的液体，由于某一管路中的部件工作状态的突然改变， 就会引起管内液体流速的急剧变化，同时引起液体压强大幅度波动，这种现 象称为水击现象。水击引起的压强升高，可达管路正常工作压强的几十倍至 数百倍。压强波动幅度大，破坏性很大，可导致管路系统剧烈振动、噪声， 造成阀门破坏，管件接头断开，甚至管路爆裂等重大事故。
有压管中的水击
1.3 水击波的传播过程
第三阶段 减压波从阀门向管路进口传播。时 间t=2l/c时，因惯性作用，水继续向水池倒流，因 阀门处无水补充，紧靠阀门处的水停止流动，流 速由-ν0变为0，同时压强急剧降低△p，随之后续 各层相继停止流动，流速由-ν0变为0，压强降低 △p。在t=3l/c时，减压波传至管路进口，全管压强 为p0-△p，处于减压状态。
有压管中的水击
1.3 水击波的传播过程
至此，水击波的传播完成了一个周期。在一个 周期内，水击波由阀门传到进口，再由进口传至 阀门，共往返两次，往返一次所需时间t=2l/c称为 相或相长。实际上，水击波传播速度很快，前述 各阶段是在极短时间内连续进行的。
有压管中的水击
1.4 水击压强的计算
在水击波的传播过程中，管路各断面的流速和 压强皆随时间变化，所以水击过程是非恒定流。 图是阀门断面压强随时间变化的曲线，时间t=0时， 阀门瞬时关闭，压强由p0增至p0+△p，一直保持 到t=2l/c，即水击波往返一次的时间；在t=2l/c时， 压强由p0+△p降至p0-△p，直到t=4l/c，压强由p0△p恢复到p0，然后周期性变化。
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H0 = ZR - hw0
(3)
式中 : hw0 ———自进水口至该断面处的总水头损失 , 因其值相对较小 , 此处认为 hw0为常量 (确定量) ; ZR ——— 库水位. 因 ZR 随时间变动 ,因此 H0 也属随机可变荷载 ,并且只需统计分析 ZR 的随机特性 , 即可推知 H0 的 随机统计特性.
取一年中库水位观测值的最大值为年库水位峰值 , 运行 N 年的电站即获得 N 个年库水位峰值样本资
料 ,对此 N 个样本进行统计分析和假设分布检验 ,可得出该水库库水位峰值 ZR 的统计特性和概率分布. 根
据文献[5 ]对我国 83 座大中型水库进行的统计分析结果 ,年库水位峰值 ZR 服从正态或对数正态分布.
水击升压ΔH 一般只在甩负荷时产生 ,根据对 8 个电站 13 个水力单元共计 188 个运行年发生的事故紧
急关机统计 ,年均发生率不到 1 次/ a[4] , 而且每次发生时持续时间很短 , 只有几秒 , 如图 1 (b) 所示 , 因此水击
升压属偶然性的可变荷载. 虽然习惯上将它考虑为基本组合荷载之一 ,但它的发生频率及持续时间在结构可
1 压力管道内水压力荷载分析
总内水压力 H 指压力管道某断面处静水压力 H0 及水击升压ΔH 之和 ,即
H = H0 +ΔH
(1)
作为时间 t 的随机过程 ,则有
H ( t) = H0 ( t) +ΔH ( t)
(2)
如图 1 所示.
图 1 水击压力荷载随机过程示意图 Fig. 1 Stochastic process of waterhammer
相应地取为 1 a ,并需获得各个时段 τ上最大水击升压ΔH 的概率分布 Fτ(ΔH) . 而水击升压ΔH 很少能直接 量测得到足够容量的观测样本 ,因此文献[3 ,4 ]建立了年最大水击升压ΔH 的随机分析数学模型 , 求得了年 最大水击升压ΔH 的概率分布 Fτ(ΔH) 曲线 ,它与甩负荷程度等多种随机因素有关.
性. 当然 ,两者的标准值 、分项系数 、组合值系数以及准永久值系数均应按照它们各自的概率分布 、随机过程
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第 28 卷第 2 期
张芹芬等 水击随机分析在压力管道结构设计中的应用
-
σr) 2
+
(σr
-
σθ) 2
+
(σθ -
σx) 2 ]
+ 3 (τ2xr
+ τ2θr
+ τθ2x)
(8)
若满足 σ< φ[σ] ,则表明钢管厚度已能满足强度要求. 其中钢管焊缝系数 φ 取为 0. 95 , 允许应力 [σ] =
0. 67σs ,σs 为钢管屈服应力 ,可按管壁厚度 δ来取值[7] .
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河 海 大 学 学 报
2000 年 3 月
现以机组甩负荷引起水击升压为例 ,分析静水压力 H0 ( t) 与水击升压ΔH ( t) 这两种随机过程的不同特 性和概率分布.
1. 1 静水压力 H0 ( t) 荷载特性与概率分析 压力管道某断面处的静水压力 H0 ,即甩负荷前管道恒定流时该断面处的内水压力为
下面采用平稳二项随机过程模型来分析荷载随机过程ΔH ( t) , t ∈[ 0 , T ]. 设计基准期 T 划分为时段 τ(1 a) ,在时段 τ内的水击事故发生概率 P 从电站统计取得[4] , 设计基准期 T 内最大水击升压的概率分布
为[6]
FT (ΔH) = [ Fτ(ΔH) ]50 P
(7)
2. 2 分项系数设计方法 (静水压力 、动水压力作为两项可变荷载)
荷载效应组合仅考虑钢管和水体自重 G、静水压力 H0 (第一项可变荷载 Q1) 和水击升压ΔH (第二项可
变荷载 Q2) 三项 ,忽略温度力 、风荷载 、雪荷载等效应的影响. 分项系数极限状态表达式可写为
γ0 (γGS Gk + γQ1 SQ1 k + φγQ2 SQ2 k) ≤ Rk/ γR
年最大静水压力 H0 的随机过程如图 1 (a) 所示. 将设计基准期 T 划分为等时段τ, 因为水文变化周期为
年 ,故 τ取为 1 a. 由式 (3) 知 , H0 的分布函数 Fτ( H0) 与年库水位峰值 ZR 的概率分布类型相同 , 其统计参数
(均值 mH0及变差系数 V H0) 也可近似地由 ZR 的统计参数推知 :
靠度设计时应有所反映 ,也即它的作用分项系数不应按通常的可变荷载取为 1. 4 , 也不应按地震等偶然荷载
取为 1. 0 ,而应在 1. 0～1. 4 之间取值 ,因此规范[2]规定水击压力的分项系数为 1. 1 是合理的 ; 同时还需考虑
它与其它荷载的效应组合问题 ,取一合理的折减系数 ,它的荷载效应组合系数可取为 0. 6[6] . 由于静水压力 H0 (初始条件) 对水击升压ΔH 的计算及随机特性有较大影响 , 因此ΔH 的划分时段τ仍
mH0 = m ZR - hw0
(4)
V H0 = V ZR
(5)
压力管道设计基准期 T 一般为 50 a , r = T/τ= 50 ,采用平稳二项随机过程理论或按极值统计法 , 均可得
出设计基准期 T 内最大静水压力的概率分布[6]
FT ( H0) = [ Fτ( H0) ]50
(6)
静水压力 H0 是设计基准期内一定出现的持久性可变荷载 , 它的概率分布主要与库水位 ZR 有关 , 而与 甩负荷事故发生与否 、发生频率 P 及甩负荷程度等随机因素没有直接关系. 1. 2 动水压力ΔH( t) 荷载特性与概率分析
(9)
式中 S Gk , SQ1k , SQ2k分别为荷载 G , Q1 , Q2 产生的荷载效应. 2. 2. 1 荷载标准值
a . 钢管和管内水体自重 G 属确定性永久荷载 ,荷载分项系数 γG 按规范[1 ,6]取为 1. 2 , 荷载标准值 Gk =
q ,跨中弯矩 M = qL2/ 12.
收稿日期 :1999 07 20 基金项目 :教育部博士点基金资助项目 (97029403) . 作者简介 :张芹芬 (1965 —) ,女 ,江苏武进人 ,副教授 ,博士 ,主要从事水电站水力学研究.
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特性来选取. 例如 ,进行正常使用极限状态设计时 ,若采用长期效应组合 , 静压部分 H0 的准永久值系数宜取 较大值 ,而水击升压ΔH 宜采用较小的准永久值系数进行折减才符合实际情况.
2 压力管道强度设计原理
2. 1 传统设计方法 2. 1. 1 荷载确定 (忽略温度力 、风荷载 、雪荷载等影响)
布的 0. 95 分位点值即为荷载标准值 Q2 k . 分项系数 γQ2取为 1. 1 ,荷载组合系数 φ2 取为 0. 6[1]. 2. 2. 2 荷载效应计算
分别计算由永久荷载
Gk 、第一项可变荷载
Q1
k和第二项可变荷载
Q2
k产生的荷载效应
S
Gk
,
S
Q1
和
k
S
Q2
k
,
结
构重要性系数 γ0 据结构安全等级定为 1. 0. 以上各项均代入式 (8) 的左边 ,即得总的荷载效应 S .
第 28 卷第 2 期 2000 年 3 月
河海大学学报 JOURNAL OF HOHAI UNIVERSITY
Vol128 No. 2 Mar. 2000
水击随机分析在压力管道结构设计中的应用
张芹芬 , 索丽生
(河海大学水利水电工程学院 , 江苏南京 210098)
摘要 :从水电站压力管道结构可靠度设计的需要出发 ,提出应采用平稳二项随机过程或极值统计法 来研究内水压力 (含水击) 这类可变荷载 ;根据静 、动两部分荷载的不同特性 (年发生率 、持续时间及 概率分布等) ,通过压力钢管设计算例 ,阐明在结构分项系数设计中应将它们分别作为单独的可变 荷载 ,采用不同的作用分项系数和设计标准值. 关键词 :水击 ;随机分析 ;压力管道 ;结构可靠度设计 中图分类号 :TV734. 2 文献标识码 :A 文章编号 :1000Ο1980 (2000) 02Ο0017Ο06
b. 静水压力 H0 是一项主要的可变荷载 ,其年最大值一般服从正态分布 N (μH0 ,σ2H0) ,荷载标准值 Q1 k应 根据设计基准期 50 年内最大静水压力分布的 0. 95 分位点确定. 分项系数 γQ1按规范[1]取为1. 4.
c. 水击升压ΔH 是第二项可变荷载 , 其年最大值的概率分布由水击随机分析而得 , 其年最大值概率分
s
s
度统计均值 μσ = 391 MPa ,均方差 σσ = 25. 3 MPa. 抗力标准值取对结构设计不利的 0. 05 分位点值 ,即
s
Hale Waihona Puke sRk= μσ s
-
1. 645σσ s
(10)
抗力分项系数 γR 应根据具体结构取值 ,抗力效应为 Rk/ γR . 若总的荷载效应 S 小于抗力效应 Rk/ γR ,则钢管厚度 δ能满足分项系数强度设计要求.
目前工程结构的设计方法正从传统的安全系数法向可靠度设计方法过渡《, 水利水电工程结构可靠度设 计统一标准》[1]中规定 ,水电工程结构设计采用概率极限状态设计原则 , 以分项系数极限状态设计为实用设 计方法.
水击压力作为管道结构设计的主要荷载之一 ,其随机特性对结构可靠度设计有着不可忽视的影响. 但迄 今为止 ,水击压力随机过程概率模型尚未确定 ,其标准值仍采用确定性方法计算 ,即在进行水击分析计算时 , 仍将水力系统的参数 、边界条件 、初始条件及待求的控制变量当作确定量 ,并选择最不利条件组合 ,得出最大 正 、负水击压力 ,作为结构设计的动水荷载[2] . 因此 ,即使结构设计采用目前推广使用的较为精确的分项系数 极限状态设计方法 ,因作用荷载的精度不相匹配 ,设计水准并没有得到实质性的提高. 文献[3 , 4 ]对由水库 、 管道及阀门组成的简单管水力系统 ,在分析影响水击的主要随机因素及其统计规律的基础上 ,从水击极值近 似解析公式出发推导了第一相水击和极限水击的概率分布表达式 , 并通过数值分析得到了最大水击压力的 概率分布. 本文在此基础上对压力钢管的水击荷载及结构设计方法进行探讨.