输油管道瞬变流第一章
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输油管道瞬变流第二章
H a V g
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
2.4 长输管道水击的特点和产生原因
（1）特点 压力波反射时间长 不能忽略摩擦损失的影响（衰减） 要考虑充装的影响
充装压力
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
2.4 长输管道水击的特点和产生原因
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
2.4 长输管道水击的特点和产生原因
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
作业： 1、分析压力波传播速度的影响因素 要求：自己设计一个简单的管道，选取 参数，进行各种影响因素分析。 2、根据自己设计的管道计算惯性水击压 力，讨论波速和速度变化的影响。
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
水击 波速度也称为压力波速度。
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
2.2 水击波传播波速
k、D、E、 、 及 对其均有影响。 Nhomakorabea例如：D=750mm，E=207*109 Pa，k= 2.2*109 Pa，
=6.35mm, =998.2kg/m3, =0.3
管子在上游固定：a=1032.7m/s 管子处处固定：a=1014.4m/s 管子膨胀连接：a=988.6m/s 公式适于的薄壁金属管。
如图表示具有固定液面的油 罐、水库或水塔，沿长度为 L， 直径为 d的等直径管路流向大气 中，管路出口装有控制阀门。以 图为例，说明压力波传递过程。
2 .1 水击的基本过程
短管水击的描述 例如：一列以一定速度前进的老式火车列车，由于某种原因而使
机车急刹车时的情况。 周期（水击周期、管路周期）
t 4L a
（2）产生原因 正常启停泵 正常开关阀门 事故停泵或停电 意外事故关阀（误动作、误操作、损坏） 停输和启动管道 正常运行调节 管道泄漏（断管）、启停分输和注油操作 顺序输送中混油经泵
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2.4 长输管道水击的特点和产生原因
（1）特点 压力波反射时间长 不能忽略摩擦损失的影响（衰减） 要考虑充装的影响
充装压力
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
2.4 长输管道水击的特点和产生原因
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
2.4 长输管道水击的特点和产生原因
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
作业： 1、分析压力波传播速度的影响因素 要求：自己设计一个简单的管道，选取 参数，进行各种影响因素分析。 2、根据自己设计的管道计算惯性水击压 力，讨论波速和速度变化的影响。
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
水击 波速度也称为压力波速度。
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
2.2 水击波传播波速
k、D、E、 、 及 对其均有影响。 Nhomakorabea例如：D=750mm，E=207*109 Pa，k= 2.2*109 Pa，
=6.35mm, =998.2kg/m3, =0.3
管子在上游固定：a=1032.7m/s 管子处处固定：a=1014.4m/s 管子膨胀连接：a=988.6m/s 公式适于的薄壁金属管。
如图表示具有固定液面的油 罐、水库或水塔，沿长度为 L， 直径为 d的等直径管路流向大气 中，管路出口装有控制阀门。以 图为例，说明压力波传递过程。
2 .1 水击的基本过程
短管水击的描述 例如：一列以一定速度前进的老式火车列车，由于某种原因而使
机车急刹车时的情况。 周期（水击周期、管路周期）
t 4L a
（2）产生原因 正常启停泵 正常开关阀门 事故停泵或停电 意外事故关阀（误动作、误操作、损坏） 停输和启动管道 正常运行调节 管道泄漏（断管）、启停分输和注油操作 顺序输送中混油经泵
原油流变学第一章 绪论 新版讲解
单位：Pa.s或mPa.s。 2、运动粘度
运动粘度是动力粘度与同温度下的密度之比值。又称比密 粘度，用符号表示，即
单位：m2/s或mm2/s。
四、粘度与温度、压力的关系 粘度与温度的关系非常密切，在常温常压下当温度变化1℃
时，液体的粘度变化达百分之几至十几，气体约为千分之几。粘 度与温度并不呈线性关系，它与温度范围有关，温度越低，粘温 关系越密切，即随温度的降低，粘度随温度的变化越大。
公式（1－1）及（1－2）称为牛顿内摩擦定律或牛顿定律。凡符 合牛顿定律的流体称为牛顿流体，反之则称为非牛顿流体。牛顿 流体的剪切应力与剪切速率之间呈正比关系，剪切应力与剪切速 率的比值为常数，即动力粘度。非牛顿流体的剪切应力与剪切速 率之间无正比关系，剪切应力与剪切速率的比值不再是常数。
三、粘度的定义 1、动力粘度 动力粘度是稳态流动中的剪切应力与剪切速率之比值，即
物质在外力作用下变形与流动的性质可以称之为物质的流 变性，流变学就是研究物质流变性的科学。
二、流变学的研究发展 在流变学的建立与发展过程中，美国物理化学家宾汉姆教授作
出了划时代的贡献。他不仅发现了一类所谓宾汉姆（Bingham） 流体(如润滑油、油漆、泥浆等)的流动规律，而且把20世纪以前 积累下来的有关流变学的零碎知识进行了系统的归纳，并正式命 名为流变学(Rheology)。1929年宾汉姆等倡议成立了美国流变学 会(society of rheology of USA)，且同年创刊流变学杂志(Journal of Rheology)。人们一般以此作为流变学(作为学科)创立的标志。以 后流变学逐步被欧、美、亚等各大洲的许多国家所承认。目前全 世界许多国家都有自己的流变学会，1948年在荷兰召开了第一届 国际流变学会议，以后每4年举行一届国际流变学会议。2008年 在美国的加利福尼亚举行了第十五届国际流变学会议。一般的说， 我国在流变学方面的工作是从新中国成立后才开始的，特别是改 革开放以来，在科学技术和工业发展的促进下，无论是在广度还 是在深度，流变学在我国都有了很大的发展。我国于1985年11月 在长沙召开第一届全国流变学会议，2008在长沙湘潭大学举办了 第九届全国流变学会议。
第一章 油井基本流动规律
对于拟稳态流动，油井产量的一般表达式为
qo K ro CKh o B o dp re 3 ln S Pwf rw 4
pr
（1-10）
3、无因次IPR曲线
无因次坐标系： 横坐标：不同流压下的产量与最大产量比值
纵坐标：流压与地层压力的比值，无因次。
当qo=0 Pwf=Pr Pwf/ Pr =1
含 30 水 率 % 0
q , m3 /d
含水率的变化
当Pwf > Pso时，只产水，含水率100%；
当Pwf < Pso时,开始产油，含水率下降。
当Pwf下降到油水IPR曲线的交点时， qo=qw，含水率为50%。
( 1-1 )
(2)封闭边界拟稳态条件下的产量公式
CK o h(P e Pwf ) qo 1 re o B o (ln r S) w 2
CK o h(Pr Pwf ) qo 3 re 0 B 0 (ln r S) w 4
Pe C
Pw
( 1-1a )
参见: DAKE : Fundamentals of Reservoir Engineering
因为:Ko=f(Pwf)
J≠C
Pwf
q= f(Pwf)( Pr－Pwf）
这时IPR曲线为一外凸的曲线
q
2、流入动态曲线随地层压力的变化
随着原油不断采出，Pe↓，Sg ↓, Ko↓ 在不同的开采时期，地层中含气饱和度不同， 采油
指数不同，IPR曲线不是平行后退。
Pwf
Pwf
q
q
溶解气驱，不同时期IPR曲线不平行 弹性驱IPR曲线平行后退
(1-2a)式可写成 q = f (Pwf)
输油管道瞬变流复习概要
输油管道瞬变流复习概要一、基本概念1、不稳定流动的概念答：不稳定流动指的是管道内任意一点流体参数（速度，压力）不仅与空间有关，还与时间有关。
2、输油管道的水击事故答：1.有计划地调整管道输量,如改变阀门的开度；泵站泵机组的停车；中间站的启动和停输；泵机组的转速调节。
2.管道的某些操作程序；如管道首末站倒罐，顺序输送过程中的油品切换；分输，注入等。
3.管道运行中出现的事故：阀门的误操作。
泵机组机械故障；中间站突然停电；管道发生泄漏和管道破裂等缺陷。
3、短管水击的基本过程答：短管水击的四个过程，看课件或课本，有详细描述。
4、短管水击的周期、直接和间接水击答：水击周期4L a管路周期2L a当关阀时间小于2La，为直接水击，否则为间接水击。
5、压力波的影响因素答：a=具体叙述。
6、惯性水击压力答：aH Vg∆=±∆，了解推导过程，上游取正，下游取负。
7、长输管道水击的特点、产生的原因答：长输管道水击特点：1.长输管道的水击分析中需要考虑摩擦的影响。
2.长输管道发生事故后需要考虑管道的充装压力。
3.长输管道距离长，水击波传播和反射的时间长。
4长输管道是一个统一的水力系统，某处发生水击扰动后，将影响全线的运行情况。
5.长输管道操作复杂，引起水击的影响因素复杂长输管道的水击原因：1.有计划地调整管道输量,如改变阀门的开度；泵站泵机组的停车；中间站的启动和停输；泵机组的转速调节。
2.管道的某些操作程序；如管道首末站倒罐，顺序输送过程中的油品切换；分输，注入等。
3.管道运行中出现的事故：阀门的误操作。
泵机组机械故障；中间站突然停电；4管道发生泄漏和管道破裂等缺陷。
8、增压波、减压波、正反射、负反射10、液体中含气对压力波传播速度的影响（包括概念延伸）答：液体中含气量的越多，压力波传播的速度越低。
延生:相同条件下，油田地面集输管道中水击波的传播速度小于单相油品输 送管道11、瞬变分析中摩阻的影响如何考虑，为什么答：瞬变流分析中摩擦阻力采用准二次近视，因为摩擦项在微分方程中无法 积分12、特征线方程答：dx V a dt=± 13、相容性方程答：:sin 02aV V dH a dV C V dt g dt gDλα++-+= :sin 02aV V dH a dV C V dt g dt gD λα--+-= 14、为什么要利用有限差分方程求解答：因为摩擦项不可积分。
油气储运工程流变学复习资料
第一章1：流体流动时流层间存在速度差和运动的传递是由于流体具有粘性2：粘性：相邻流层存在速度差时，快速流层力图加快慢速流层，慢速流层力图减慢快速流层，这种相互作用随层间速度差的增加而加剧的特性。
3：内摩擦力/粘性力：流层间的这种力图减小速度差的作用力称为内摩擦力或粘性力4：牛顿粘性定律：粘度和内摩擦力的关系。
F=μA(dν) ／ dy 符合牛顿内定律的流体称为牛顿流体，反之称为非牛顿流体,牛顿流体的剪切应力与剪切速率之间呈比例关系，剪切应力与剪切速率的比值为常数，即动力粘度，非牛顿流体的剪切应力与剪切速率之间无正比关系，剪切应力与剪切速率的比值不是常数。
5：动力粘度：稳态层流流动中的剪切应力与剪切速率的比值，动力年度是流体对形变的抵抗随形变速率的增加而增加的性质。
（公式P3）6：运动粘度：是动力粘度与同温度下的流体密度的比值，又称比密年度。
运动粘度对比动力粘度：运动粘度方便，1许多条件粘度与运动年度之间比较容易建立经验换算公式，2利用重力型玻璃毛细管粘度计可以很方便地测得运动粘度。
3但不能用运动粘度衡量流动阻力的大小7：粘度与温度，压力的关系：粘度与温度不成线性关系，它与温度范围有关，温度越低，粘温关系越密切，即随温度降低，粘度随温度的变化越大。
低压下的气体与液体的粘度随温度变化的规律完全相反，气体的粘度随温度的升高而增大，因为气体的粘性是由动量传递导致的，温度升高时，分子热运动加剧，动量增大，流层间的内摩擦加剧，所以粘度增大。
液体的粘性来自分子间引力，随温度的升高，分子间的距离加大，分子间引力减小，内摩擦减弱，所以粘度减小。
液体和气体的粘度随着压力的增大而增大，因为气体的压缩性很强，所以压力的变化对气体粘度的影响更大。
8：流变学：是一门研究材料或物质在外力作用下变形与流动的科学，流变学研究对象是纯弹性固体和牛顿流体状态之间所有物质的变形和流动问题。
流变学中物质所受到的力用应力或应力张量表示。
流变学中用应变或应变速率表示物质的运动状态即变形或流动。
输油管道的瞬变流动与控制措施
１ ． ２ 瞬 变流 动 的基 本公 式 （ ２ ）不 能忽 略摩 阻的影 响 。长 输管 道用 于克 服 瞬 变流动 产生 的压 力波 动是 由惯性 造 成 的 ，其 摩 阻 的压力 较大 ，一般 来说 ，泵 站提 供压力 的大 部 实 质就是 能量 的转 换 。即液 流在 减速 的情况 下将 动 分 甚至 全部 都是用 于克 服液 流摩 阻 的 ，而 瞬变压 力
输油管道的水力瞬变流动与其他管道中的水力 管 线充装 ，使 管 内压力 进一 步增 大 。这 一超压 是 泵
一
２ ６一
油气 田地 面工 程 （ ｈ ｔ ｔ
ｐ ： ／ ／ ｗｗｗ． ｙ ｑ ￣ ｄ ｒ ｎ ｇ ｃ ． ｃ ｏ ｎ） ｒ
笫３ ２ 卷第 ６ 期 （ ２ ０ １ ３ ． ０ ６ ）（ 试验 研 究）
１ ． ３ ． ２ 长距 离管道 的瞬 变特 点 （ １ ）压 力波反 射 问隔时 问长 。 因站与站 的 问距
较 长 ，管道 压力发 生 瞬变后 ，其 沿线 的压力 变化 比 量变 化 的原 因有多 方面 ，但 大体 上分为 两大 类 ：调 较 平缓 ，便 于调节 ，但 通过 调节 而达 到新 的稳定 的 整输 量或 改变 流程 和事故 引起 的输量 变化 。 时间却 比较长，一般管道沿线不会产生周期性变化 。
关键 词 ：输油 管道 ；瞬 变流动 ；压 力保 护 ； 自动控 制
ｄ ｏ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ６ — ６ ８ ９ ６ ． ２ ０ １ ３ ． ６ ． ０ １ ３
１ 输油管道 的瞬变流 动过程
瞬变流 动 即为水 击 ，是指 压力 管路 中任 意一点 的流 速和 压力 不仅 与该点 的位 置有关 ，而且还 与 时
的时间越 短 ，产生 的瞬 变压力 波 动越剧 烈 。引起输
输油管道的水力瞬变流动与其他管道中的水力 管 线充装 ，使 管 内压力 进一 步增 大 。这 一超压 是 泵
一
２ ６一
油气 田地 面工 程 （ ｈ ｔ ｔ
ｐ ： ／ ／ ｗｗｗ． ｙ ｑ ￣ ｄ ｒ ｎ ｇ ｃ ． ｃ ｏ ｎ） ｒ
笫３ ２ 卷第 ６ 期 （ ２ ０ １ ３ ． ０ ６ ）（ 试验 研 究）
１ ． ３ ． ２ 长距 离管道 的瞬 变特 点 （ １ ）压 力波反 射 问隔时 问长 。 因站与站 的 问距
较 长 ，管道 压力发 生 瞬变后 ，其 沿线 的压力 变化 比 量变 化 的原 因有多 方面 ，但 大体 上分为 两大 类 ：调 较 平缓 ，便 于调节 ，但 通过 调节 而达 到新 的稳定 的 整输 量或 改变 流程 和事故 引起 的输量 变化 。 时间却 比较长，一般管道沿线不会产生周期性变化 。
关键 词 ：输油 管道 ；瞬 变流动 ；压 力保 护 ； 自动控 制
ｄ ｏ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ６ — ６ ８ ９ ６ ． ２ ０ １ ３ ． ６ ． ０ １ ３
１ 输油管道 的瞬变流 动过程
瞬变流 动 即为水 击 ，是指 压力 管路 中任 意一点 的流 速和 压力 不仅 与该点 的位 置有关 ，而且还 与 时
的时间越 短 ，产生 的瞬 变压力 波 动越剧 烈 。引起输
第八章 瞬变流1分析
20世纪60年代以后，借助于电子计算机的发展，数值 法求解阿列维方程成为可能。斯特里特（美）1963年 创建的特征线法，开创了水击分析的新局面。
二、水击产生的原因—流量突变
计划地调整输量或改变输送流程
开关阀门：阀门最后关闭的0.1～0.3秒，水击最 强。 油品的注入与分输 泵站节流、调速、启停泵 改变输送压力、流量 油品切换 混油通过中间泵站
a H v v0 g
如果阀门阶段性关闭，则
a H V g
四、管道瞬变流的基本公式
压力波传播速度 管内压力波的传播速度取决于液体的可压缩性和管子的弹性。
k a k D 1 C1 E 含气液体中的波速计算（略）
五、水击危害
1、正水击—超压，管道破裂 2、负水击—管道失稳、液柱分离、气体逸出 3、振动
输油管道设计与管理
第八章 输油管道瞬变流
第一节 管道的瞬变流动过程 第二节 管道瞬变流动过程的数学描述与特征线 解法 第三节 输油管道中的水力瞬变流动 第四节 输油管道瞬变流动过程的控制
第一节 管道的瞬变流动过程
稳定流动：压力管道中任一点的流速和压力仅与该点的
位置有关，而与时间无关的流动称为稳定流动。
一、管道瞬变流动过程的数学描述
运动方程
连续方程
（一）运动方程
运动方程是从处于瞬变流动的管内流体中 选取隔离体，应用牛顿第二定律建立的。 推导方程是有两点假设：
（1）管内流体为均质一维流动，这就意味着 管道横截面上的压力、流速和密度是均匀 分布的； （2）管子和流体变形均在线性弹性变形范围 内。
P A A x V V A x P x P x m gsin A ma x x x D 2
二、水击产生的原因—流量突变
计划地调整输量或改变输送流程
开关阀门：阀门最后关闭的0.1～0.3秒，水击最 强。 油品的注入与分输 泵站节流、调速、启停泵 改变输送压力、流量 油品切换 混油通过中间泵站
a H v v0 g
如果阀门阶段性关闭，则
a H V g
四、管道瞬变流的基本公式
压力波传播速度 管内压力波的传播速度取决于液体的可压缩性和管子的弹性。
k a k D 1 C1 E 含气液体中的波速计算（略）
五、水击危害
1、正水击—超压，管道破裂 2、负水击—管道失稳、液柱分离、气体逸出 3、振动
输油管道设计与管理
第八章 输油管道瞬变流
第一节 管道的瞬变流动过程 第二节 管道瞬变流动过程的数学描述与特征线 解法 第三节 输油管道中的水力瞬变流动 第四节 输油管道瞬变流动过程的控制
第一节 管道的瞬变流动过程
稳定流动：压力管道中任一点的流速和压力仅与该点的
位置有关，而与时间无关的流动称为稳定流动。
一、管道瞬变流动过程的数学描述
运动方程
连续方程
（一）运动方程
运动方程是从处于瞬变流动的管内流体中 选取隔离体，应用牛顿第二定律建立的。 推导方程是有两点假设：
（1）管内流体为均质一维流动，这就意味着 管道横截面上的压力、流速和密度是均匀 分布的； （2）管子和流体变形均在线性弹性变形范围 内。
P A A x V V A x P x P x m gsin A ma x x x D 2
第八章瞬变流1资料
不稳定流动 瞬变流动（Transient flow）：流体从一种稳定流
动状态过渡到另一种新的稳定流动状态的过程。
水击（Water Hammer ）：又称“水锤”。有压管
道中因流速、压力急剧变化而引起压力波在水中沿管道传 播的现象。
第一节 管道的瞬变流动过程
水击现象（Water-hammer Phenomena） ：
二、水击产生的原因—流量突变
事故引起的流量变化
停电 阀门失灵 管道泄漏
三、水击形成过程
水击过程四个阶段：
1. 增压逆波 2. 减压顺波 3. 减压逆波 4. 增压顺波
四、管道瞬变流的基本公式
直接瞬变压力公式
根据儒可夫斯基的水击理论，由流速瞬间变化直接产生的压 力脉动值，可用下式计算
H
输油管道设计与管理
第八章 输油管道瞬变流
第一节 管道的瞬变流动过程 第二节 管道瞬变流动过程的数学描述与特征线
解法 第三节 输油管道中的水力瞬变流动 第四节 输油管道瞬变流动过程的控制
第一节 管道的瞬变流动过程
稳定流动：压力管道中任一点的流速和压力仅与该点的
位置有关，而与时间无关的流动称为稳定流动。
F1 PA
F3 PA (PA) x
x
F
2
P
A
A x
x
A
P
A x
x
Gx mg sin
S
0Dx
g • x V 2
D 2g
•A
A x V 2
D2
A x V V
D2
F1 F 2 F3 Gx S ma
PA PA (PA) x P Ax mg sin A x V V ma
20世纪60年代以后，借助于电子计算机的发展，数值 法求解阿列维方程成为可能。斯特里特（美）1963年 创建的特征线法，开创了水击分析的新局面。
动状态过渡到另一种新的稳定流动状态的过程。
水击（Water Hammer ）：又称“水锤”。有压管
道中因流速、压力急剧变化而引起压力波在水中沿管道传 播的现象。
第一节 管道的瞬变流动过程
水击现象（Water-hammer Phenomena） ：
二、水击产生的原因—流量突变
事故引起的流量变化
停电 阀门失灵 管道泄漏
三、水击形成过程
水击过程四个阶段：
1. 增压逆波 2. 减压顺波 3. 减压逆波 4. 增压顺波
四、管道瞬变流的基本公式
直接瞬变压力公式
根据儒可夫斯基的水击理论，由流速瞬间变化直接产生的压 力脉动值，可用下式计算
H
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第八章 输油管道瞬变流
第一节 管道的瞬变流动过程 第二节 管道瞬变流动过程的数学描述与特征线
解法 第三节 输油管道中的水力瞬变流动 第四节 输油管道瞬变流动过程的控制
第一节 管道的瞬变流动过程
稳定流动：压力管道中任一点的流速和压力仅与该点的
位置有关，而与时间无关的流动称为稳定流动。
F1 PA
F3 PA (PA) x
x
F
2
P
A
A x
x
A
P
A x
x
Gx mg sin
S
0Dx
g • x V 2
D 2g
•A
A x V 2
D2
A x V V
D2
F1 F 2 F3 Gx S ma
PA PA (PA) x P Ax mg sin A x V V ma
20世纪60年代以后，借助于电子计算机的发展，数值 法求解阿列维方程成为可能。斯特里特（美）1963年 创建的特征线法，开创了水击分析的新局面。
瞬变流讲义(2007)
（质量守恒）非定常流如控制体的质量流量恰好等于控制体内质量的增长率（P16 图 2－2 连续方程用控制体）：
−[ρ
A(V
−
u )]x δ
x
=
d′[ρ dt
Aδ
x]
其中对应于管的轴向运动全导数： d′ = u ∂ + ∂ dt ∂x ∂t
控制体长度对时间的增长率：
d′ dt
δ
x
=
uxδ
x
ρ AVx +V (ρ A)x + (ρ A)t = 0
动量变化率： ρ0 (V0 + a) A[(V0 + ΔV + a) − (V0 + a)] ＝ ρ0 (V0 + a) AΔV
x 方向上合力： F = p0 A − ( p0 + Δp) A＝ −ΔpA 忽略较小量V0 ，即：V0 + a ≈ a 由牛顿运动第二定律推得
ΔH ≈ − a ΔV g
若流速在上游端改变，则压力波向下游方向运动 ΔH ≈ a ΔV g
加速,水再依次来压缩另外一根弹簧.
2) 均质流体中波直接从一个质点传到下一个质点.
(2) 特殊导管内的波速（P18）
1.3 瞬变的起因（P8）
主观作用：阀门调节、泵的启动与停机、水轮机所需功率的变化、往复泵的作用、
改变水库水位；
客观变化：水库上的波浪、旋转机械调速器的振荡、叶轮机械中叶轮或导叶的振
动、可变形的一些附件的振动、由于旋涡引起的尾水管的不稳定
K = Δp Δρ / ρ0
可推得刚性管中可压缩流体水击波速公式：
a= K ρ0
也即
a = ΔP Δρ
1.2 影响波速的因素：
瞬变流讲义(2007)
福克斯比较简单知识体系使用以管网非恒定流为主但翻译质量较差7停泵水锤及其防护金锥程序较实用8实用水力过渡过程加侧重水轮机过渡过程基本方程形式hq9水击理论及水击计算王树人水击基本方程重点讲解解析法图解法和电算法三种求解方法对边界条件的描述不太多数值解法放在电算中讲解10调压室水力计算理论与方法王树人国内第一本系统描述长输管道中调压室的书第五章有各种形式调压室的计算程序调压室为一种特殊边界条件第一章非定常流概念第一节流动的分类定义一流动分类定常流
（质量守恒）非定常流如控制体的质量流量恰好等于控制体内质量的增长率（P16 图 2－2 连续方程用控制体）：
−[ρ
A(V
−
u )]x δ
x
=
d′[ρ dt
Aδ
x]
其中对应于管的轴向运动全导数： d′ = u ∂ + ∂ dt ∂x ∂t
控制体长度对时间的增长率：
d′ dt
δ
x
=
uxδ
x
ρ AVx +V (ρ A)x + (ρ A)t = 0
C + : H p = C p − BQp
C − : H p = CM + BQp
dx = g = λ a2 dt λ g
具体ψ 看（3－4） 代入并组合形式看（3－3）
7
则
λ=±g
a
dx = ±a dt 原线性组合方程转换为特征型方程——全微分方程
λ dH + dV + fV V = 0 dt dt 2D
（3－6）
实质是两个方程式（ λ = ± g ） a
2、物义： （1）波的位置变化和时间变化是用波的传播速度 a 联系起来的 （2）将之称为特征线方程，表明在瞬变问题计算过程中，边界条件的信息可通 过这些特征线进行传递 （3）P26 图 3－1 x-t 平面上的特征线，同一点上有两条特征线 3、特征型方程
（质量守恒）非定常流如控制体的质量流量恰好等于控制体内质量的增长率（P16 图 2－2 连续方程用控制体）：
−[ρ
A(V
−
u )]x δ
x
=
d′[ρ dt
Aδ
x]
其中对应于管的轴向运动全导数： d′ = u ∂ + ∂ dt ∂x ∂t
控制体长度对时间的增长率：
d′ dt
δ
x
=
uxδ
x
ρ AVx +V (ρ A)x + (ρ A)t = 0
C + : H p = C p − BQp
C − : H p = CM + BQp
dx = g = λ a2 dt λ g
具体ψ 看（3－4） 代入并组合形式看（3－3）
7
则
λ=±g
a
dx = ±a dt 原线性组合方程转换为特征型方程——全微分方程
λ dH + dV + fV V = 0 dt dt 2D
（3－6）
实质是两个方程式（ λ = ± g ） a
2、物义： （1）波的位置变化和时间变化是用波的传播速度 a 联系起来的 （2）将之称为特征线方程，表明在瞬变问题计算过程中，边界条件的信息可通 过这些特征线进行传递 （3）P26 图 3－1 x-t 平面上的特征线，同一点上有两条特征线 3、特征型方程
瞬变流讲义(2007)
得到适用于液体运动方程
fV V gH x + VVx +Vt + 2D = 0 式中：VVx 及摩擦项为非线性项 保留方程中的非线性项得到特征线法所用方程：
L1
=
gH x
+ VVx
+ Vt
+
fV 2D
V
=0
或忽略较小的非线性项可得更简化形式
L1
=
∂Q ∂t
+
gA ∂H ∂x
+
fQ 2DA
Q
=
0
5
第二节 连续方程
dV dt
+
fv | v | 2D
= 0⎪⎪⎫ ⎬ ⎪ ⎪⎭
C−
（3－11、12）
沿特征线方程的两个全微分方程称为相容性（配偶）方程，每个特征线方程只 有在相应的特征线上才成立。
第二节 有限差分方程
将（3－9）～（3－12）式进行有限差分离散，得到对应于图所示的离散方 程：
C+
：
H
p
−
HA
+
a gA
3
对瞬变过程进行修正以避免有害的瞬变现象发生。
第二章 瞬变流方程推导
前言
1、研究瞬变的目的
（1） 水力过渡过程的分类： z 压力管道中的瞬变流：
z 刚性水锤（集中系统）——调压室水位变化（短管系统） z 柔性水锤（分布系统）——供水管道、电站、煤气输送线（长管系统） z 明渠中的瞬变：明满交替系统中的瞬变流 （2） 瞬变起因 z 管道中阀门的启闭 z 水泵启停机 z 水轮机启动、运行或甩负荷 z 旋转机械的振动 z 明渠上的闸门启闭 （3） 系统设计 对所设计的系统进行各种可能运行条件下的过渡过程计算，经过分析，如果 瞬变过程中的情况是不能接受的，如最大和最小压力不在规定的限制范围内，则 系统布置或系统参数就需要进行修正，或者装设各种控制设备并再次对系统进行 分析，重复该过程直至满意为止。 （4） 分析方法 （P10）特征线法：把两个偏微分方程（运动方程和连续方程）变换成四个 全微分方程，然后将这些方程表示成有限差分的形式（离散后为代数方程），用 规定时间间隔的方法，通过计算机进行求解。 优点： 1、数值计算符合稳定性准则 2、边界条件容易编程 3、可以保留方程中的较小项 4、可以处理非常复杂的系统 5、在所有有限差分法中具有最好的精度 6、由于定常状态满足所有条件，所以程序易调整，程序编制误差可以通过
第八章 瞬变流1
H pi 0.5(C p CM )
C P CM Q pi 2B
（8-20） （8-21）
t 时间终了时的参数和可由 t 时间开 对于i结点， 始时i-1和i+1结点的参数计算求得。
【例】站间管道如图所示，管材 159 6mm 长25.5km，稳态下流量Q=0.025m3/s，
dV 1 H 1 g g H Z g sin a V | V | 0 dt x x 2D 由于： 0 隔离体内视为均匀密度。 x dV 1 H g g sin a V | V | 0 dt x 2D
由于隔离体足够小， g sin a 0
20世纪60年代以后，借助于电子计算机的发展，数值 法求解阿列维方程成为可能。斯特里特（美）1963年 创建的特征线法，开创了水击分析的新局面。
二、水击产生的原因—流量突变
计划地调整输量或改变输送流程
开关阀门：阀门最后关闭的0.1～0.3秒，水击最 强。 油品的注入与分输 泵站节流、调速、启停泵 改变输送压力、流量 油品切换 混油通过中间泵站
一、管道瞬变流动过程的数学描述
运动方程
连续方程
（一）运动方程
运动方程是从处于瞬变流动的管内流体中 选取隔离体，应用牛顿第二定律建立的。 推导方程是有两点假设：
（1）管内流体为均质一维流动，这就意味着 管道横截面上的压力、流速和密度是均匀 分布的； （2）管子和流体变形均在线性弹性变形范围 内。
C
（二）有限差分方程
特征方程虽然是常微分方程的形式，但由于摩阻 项是非线性的，仍不能用微分方法得到解析解。 下面介绍用有限差分方法求数值解。 使用数值方法求解特征方程，必须把管道沿线长 度方向离散成若干管段，把瞬变过程离散成若干 个时间步长，在小范围内进行近似计算。
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1.4 课程的工程背景
➢原油管道 ➢成品油管道 ➢工艺设计 ➢运行操作控制
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
原油管道建设现状
中国
1958:克-独线。长输管道约9000km (中油6000，石化2800)。
塔轮线 302km
克乌线 326km
库鄯线 475km
花格线 439km
靖咸线 302km
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
1.3 课程的基本内容及要求
•课程基本要求 学完本课程后，应达到以下基本要求： 1、掌握液体管道瞬变过程的基本规律、概念、理 论及方法。 2、掌握液体管道瞬变流的基本数值计算方法。 3、掌握输油管道水击控制的基本原理。 4、了解输油管道水击控制的方法和和保护设备。
在用：原油6000km，成品油6000km，天然气24000km，小计36000km。 在建：原油1800km，成品油1200km，天然气7300km，小计10300km 。 在国外已建成8300km。
2015年全国原油管道建设规划
图例
中石油 中石化 中海油 地方 实线 已 建 虚线 在 建
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
东北管网 全长： 2400km
图例
中石油 中石化 中海油
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
设计输送能力共计:37650×104t/a 输送方式:加热输送（除库鄯线） 管径大于426mm管道长:6591km
中石化
原 油 管 道 ： 在 用 6500km ， 在 建 400km ， 小 计 6900km。 成品油管道：在用7696km ，在建3220km，小计 10916km。 天然气管道：4690km，规划8000km。 中石油
➢重要性
随着我国国民经济的发展，液体管道输送日见增多， 保证管道输送安全是首要任务，因此不稳定流动安全分 析越来越引起人们的高度重视，以瞬变分析作为先行， 为进一步设计及配置设备提供可靠依据，更为确保管线 安全运行而制定的工艺操作规程提供理论依据。
1、供水系统 2、输油管道 3、城市供热 4、核电站
2011年9月12日肯尼亚内罗毕输油管道爆炸，120人遇难。
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
1.3 课程的基本内容及要求
➢课程目的与任务 主要选修课，与“输油管道设计与管理”课程
配套构成比较完整的输油管道工艺课程体系。 本课程的任务是较系统地介绍输油管道瞬变流
的基本理论、分析与计算方法以及水击保护措施。 通过学习，应掌握输油管道水力瞬变过程的基本 规律、基本的数值计算和管道运行控制方法，了 解管道动态过程的变化规律。为从事长距离输油 管道系统设计和运行技术管理奠定技术理论基础。
全Hale Waihona Puke 原油干线 管道总里程将达 到1.4×104km。
中国
成品油管道建设现状
成品油干管约3800km （石油1783，石化267）。
图例
中石油 中石化 其他
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
名称 长度(km) 管径(mm)
兰成渝 1248 508/457/323.9
抚鲅管道 245
355.6/377
1.2水力瞬变研究的历史及应用 ➢应用
核工业 石油工业 水利电力工业 城市供水
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
1.2 水力瞬变流研究的历史及应用
➢后果
在管道输送液体时，不稳定流动是经常发生的，严 重的瞬变事故会对社会正常的生产生活秩序以及人民的 生命和财产安全产生极大的威胁，甚至酿成惨痛的灾难 和无法挽回的巨大的经济损失。
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
2010年1月5日许昌市 热力管道发生爆炸
爆炸生在十字路口，爆 炸点喷出的水蒸气和泥 浆有百米高。炸飞了一 辆摩托车，损坏数辆轿 车，伤及数人。
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
2013年3月17日西安市 热力管道发生爆炸
初步分析原因为水击
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
1.3 课程的基本内容及要求
•课程基本内容 管道瞬变流动的弹性理论、管道不稳定流动
状态的特征线有限差分分析方法、管道水击基本 过程、惯性水击压力、长距离输油管道的水击事 故分析和控制；不稳定流动状态的数值分析方法。
管道动态模拟的基本方法、输油管道控制与 保护装置特性、各种瞬变流理论在管道中的应用。
国外某些大油田曾多次由于水击造成长距离输油管道 破裂，损失重大；国外一些大型核电站的反应堆水冷系 统因管道水击产生振动使管道严重磨损，均因及时发现 而幸免于难；国内外一大型的供水管路曾因管道水击发 生管道爆裂和人员伤亡的事故，等。
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
1.2 水力瞬变流研究的历史及应用
输油管道瞬变流 第一章
第一章 概 述
1.1 水力瞬变的研究对象 ➢ 液体管道 ➢ 液体性质、管流特性
定常（稳定）、非定常（不稳定）、瞬变
➢ 扰动源
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
1.2 瞬变流研究的历史及应用 ➢ 历史 十九世纪前 二十世纪初 六十年代 目前
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
1.3 课程的基本内容及要求
推荐教材及主要参考书 主要参考书： 1、管道瞬变流分析，张国忠编著，石油大学出版 社，1994。 2、输油管道设计与管理，杨筱蘅等编，石油大学 出版社，2006。 3、管道水击分析与控制，蒲家宁著，机械工业出 版社，1991。
中国石油大学（北京） 油气储运工程系
格拉管道 1076
159
克乌线 291
273
镇杭线 192
355/273
设计输量（104t/a） 500 240 15 130 250
中中石石化化““十十二二五五””规规划划管管线线
“十“十二二五五”规”规中中石石化化划划共共计计建建设设成成品品油油管管道道7700000公0公里里，，其其中中航航 煤道煤道约管华华约管华3道北东83道北11048270194079公2090007公公公0公0里公公里里里里，里，，里，，起，入入，利起入始口口利用口始输输入用输量量已入口量已11建口50输178建500输和量7万 万和0量拟4吨 吨万拟84建//吨9年 年8建0/成9年， ，万0成，投 投品万吨品投资 资油吨，资34油55管，估3亿 亿管5道估算元 元亿道顺算投； ；元顺；投资序序资1输7输16送亿7送航6元亿航煤。元煤的。的管管