水锤效应模拟仿真及防护
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［ 责任编辑： 韩铭］
３９８
科技信息
○科教前沿○
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
２００８ 年 第 ２６ 期
水锤效应模拟仿真及防护
于卫东 沈鹤翔 （ 上海绿地集团 中国 上海 ２００００１）
【摘 要】本文结合工程具体实例给出了一种对水锤现象的模拟仿真计算， 并就常用的几种防水锤方法进行了计算对比。利用仿真技术， 从 防水锤效果及建设成本上对防水锤措施进行优化。
图 １ 管网系统图 系统图如上 假设条件如下： １） 泵 的 进 水 口 连 接 一 个 闸 阀 （ ＤＮ６００） 、止 回 阀 （ ＤＮ５００） 、闸 阀 （ ＤＮ５００） ， 止 回 阀 为 速 闭 阀 ， 因 此 ， 当 止 回 阀 关 闭 时 ， 只 有 较 小 的 反 向 水流。 ２） 管道情况： 外径为： １０６０ｍｍ 内径为： ９００ｍｍ 壁厚为： ８０ｍｍ 长度： ３６００ｍ 摩擦系数： １２７
计算结果如图所示：
图 ２ 管线水头变化
图 ３ 水泵转速变化 ２．２ 初步方案仿真 在初步方案中， 在 一 个 泵 站 拟 采 用 飞 轮 （ 转 动 惯 量 为 １５００ｋｇｍ２） ， 另一个泵站选用 １５０ｍ３ 消水锤罐进行防止水锤效应的方案。 假设条件： 与零态研究相比， 增加下述假设条件， 其它输入条件保持不变。 １） 飞轮： 在每台水泵上各安装一个转动惯量为 １５００ｋｇｍ２ 的飞轮。 ２） 消水锤罐： 体积： １５０ｍ３（ 气 ５０ｍ３， 水 １００ｍ３） 直径： ４．２ｍ 高度： １１ｍ 初始液位： ８．２５ｍ 出口管径： ＤＮ５００ 结算结果： 当失电发生时， 由于飞轮惯性， 水泵不会立即停止。计 算结果周期为 ６００ 秒。从图中可以看到， 流量减少经历了很长时间。流 量和压力的突变并没有出现， 水锤效应也没有出现。从计算结果可以 看出， 初步方案防水锤措施是合适的。 总结如下： √在失电 ６００ 秒后水泵仍然运转， 然而， 止回阀在失电 ７５ 秒后关 闭。 √最大压力不超过正常运行压力。
图 ９ 水锤罐液位变化 ３．结论 本文结合工程实例， 利用计算机仿真技术， 通过对几种防水锤方 案的研究， 对比分析， 探讨最佳方案。实践证明， 优化后的方案在工程 实践中取得了良好的运行效果， 并取得了良好的经济效益。科
● 【参 考 文 献 】
［ １］ 徐藤记．建筑给水系统水锤防护．《山西建筑》， ２００７ 年 １７ 期． ［ ２］ 李艳霞．水锤的起因与预防．《山西建筑》， ２００３ 年 ０３ 期． ［ ３］ 李良庚．泵站水锤防护．《机电设备》， ２００５ 年 ０１ 期．
图 ４ 管线水头变化
图 ７ 水泵转速变化
图 ５ 水泵转速变化
图 ８ 泵站压力变化及高点压力变化
图 ６ 水锤液位变化 结论： 从仿真结果可以看出， 初步方案有点保守， 防水锤措施可以 进一步进行优化， 同时， 从成本上考虑可以降低建设成本。 ２．３ 对初步方案的优化处理 初步方案中的转动惯量为 １５００ｋｇｍ２ 的飞轮， 如果在保证结构尺 寸， 重量非常大， 结构尺寸也会比较特殊， 同时导致泵房结构尺寸有较 大的调整。而且， 高速运转情况下， 对飞轮的动平衡特性要求较高。因 此， 通过对初步方案的深入研究， 试图找到一种更为经济， 合理的方法 以消除水锤的影响。因此， 对假设条件做进一步的优化， 取消了飞轮而 用消水锤罐进行替代： 在设置飞轮的泵站， 改用水锤罐， 参数如下： 体积： １１８ｍ３ 直径： ４．２ｍ 高度： ８．５ｍ 初始液位： ４．５ｍ
流Baidu Nhomakorabea：
１４１ｍ／ｓ
工作压力： １０ｂａｒ
３） 排气阀： 在管线上布置有若干排气阀。
计算结果： 本计算给出失电后 １２０ 秒中的计 算 结 果 。 在 ０．１ 秒 的
时候失电， 并在相对短的时间内停止供水。这种突然变化导致严重的
水锤效应。压力降至大气压以下， 甚至完全真空状态（ 当不考虑排气阀
时） 。
［ 责任编辑： 张新雷］
●
（ 上接第 ４５３ 页） １．首先对混凝土裂缝的基层表面进行处理， 在裂 缝表面用钢丝刷将其表面的灰尘、浮渣、油垢等清除， 并沿缝用丙酮擦 洗， 晾晒干燥， 且其含水率不能大于 ６％。
２．环 氧 树 脂 胶 料 配 制 称取定量的环氧树脂， 按胶料配合比加入稀释剂二甲苯与环氧树 脂均匀拌和， 待温度降至常温后， 再加入固化剂乙二胺充分搅拌就配 制成了环氧树脂胶料。配制好的环氧树脂胶料， 至加入固化剂起， 必须 在 ３０ 分钟内处理完毕。 ３．环氧树脂胶料的配合比（ 重量比） ： 环氧树脂： 二甲苯： 乙二胺＝１００： ４０： ８ ４．最 后 用 玻 璃 布 或 嵌 刀 将 环 氧 树 脂 胶 泥 仔 细 批 嵌 封 闭 。
５．材 料 要 求 ： ａ．环氧树脂采用 Ｅ－ ４４＃（ 旧称 ６１０１） ， 其软化点为 １２～２０℃、环氧值 （ 当量 ／１００ｇ） 为 ０．４１～０．４７， 为淡黄色至棕黄色粘稠透明液体。 ｂ．乙二胺： 纯度大于 ７０％， 为无色透明液体。科
● 【参 考 文 献 】
［ １］ 《公路桥涵施工手册》． ［ ２］ 《公路桥涵施工规范》．
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√最小压力都高于大气压力， 大部分关键点是在最高点。 √消水锤罐的液位只降低 ４ｍｌｃ。
出口直径： ＤＮ５００ 其余假设条件保持不变。 仿真结果如图 ７、图 ８、图 ９ 所示。从仿真结果可以看出： 失电后水 泵几乎立即停止运转， 同时， 水锤罐继续补充流量。与它模拟情况最明 显的区别在于高点处的最小压力， 相比其它情况较低， 仍在可接受的 范围内。
本文结合具体工程情况， 并结合仿真技术对水锤效应进行有针对 性地研究， 以期对水锤效应进行深入地研究。
２．概 述 目前， 工业及民用建筑对水锤效应采取的防范措施主要有： 消水 锤罐、缓闭止回阀以及飞轮等方法。这其中， 消水锤罐及缓闭止回阀的 应 用 尤 其 广 泛 。尤 其 是 高 层 民 用 建 筑 给 水 及 消 防 水 的 应 用 上 。本 文 主 要通过飞轮及消水锤罐的对比分析上， 进行研究。这两种方法各有优 缺点， 但是， 飞轮的应用主要涉及到泵房的结构尺寸限制， 对于泵房外 场地比较充裕的地方多采用消水锤罐的方式。 本 例 是 某 污 水 处 理 厂 对 于 水 锤 现 象 的 仿 真 模 拟 计 算 。通 过 对 整 个 系统的仿真， 目的是能够正确选择泵站的防水锤措施 （ 比如消水锤 罐） ， 以降低水锤对机电设备、管网的破坏。本例仿真是基于最恶劣的 情况下进行的， 即最大数量的水泵在运行时出现失电现象。同时， 其它 原因引起的水锤影响忽略不计（ 如阀门快速关闭） ， 因为与突然失电情 况相比， 此影响要小得多。 研 究 的 目 标 就 是 来 确 定 在 失 电 情 况 下 的 各 个 极 端 值 。计 算 将 验 证 以下各项： √排水管的最大／最小压力 √消水锤罐／飞轮的尺寸 √管道容许压力： √最大压力 １０ｂａｒ √最小压力 － ０．１ｂａｒ 首先， 本文对于没有任何防水锤措施的情况（ 零态） 进行计算分 析， 然后对初步方案措施进行分析， 找出优缺点， 最后， 对初步方案进 行优化处理。 ２．１ 零态研究（ 无任何防水锤措施）
【关键词】水锤； 计算机仿真； 飞轮； 零态
１．引言 水锤是在突然停电或者在阀门关闭太快时，由于压力水流的惯性， 产生水流冲击波，这一现象叫水锤效应。水锤效应的破坏力非常大， 严
重 地 会 破 坏 阀 门 和 水 泵 。在 水 利 基 础 设 施 及 超 高 层 建 筑 建 设 中 都 要 充 分考虑这一因素。近年来， 许多文献中对水锤效应的研究也做了许多 深入地研究。
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于卫东 沈鹤翔 （ 上海绿地集团 中国 上海 ２００００１）
【摘 要】本文结合工程具体实例给出了一种对水锤现象的模拟仿真计算， 并就常用的几种防水锤方法进行了计算对比。利用仿真技术， 从 防水锤效果及建设成本上对防水锤措施进行优化。
图 １ 管网系统图 系统图如上 假设条件如下： １） 泵 的 进 水 口 连 接 一 个 闸 阀 （ ＤＮ６００） 、止 回 阀 （ ＤＮ５００） 、闸 阀 （ ＤＮ５００） ， 止 回 阀 为 速 闭 阀 ， 因 此 ， 当 止 回 阀 关 闭 时 ， 只 有 较 小 的 反 向 水流。 ２） 管道情况： 外径为： １０６０ｍｍ 内径为： ９００ｍｍ 壁厚为： ８０ｍｍ 长度： ３６００ｍ 摩擦系数： １２７
计算结果如图所示：
图 ２ 管线水头变化
图 ３ 水泵转速变化 ２．２ 初步方案仿真 在初步方案中， 在 一 个 泵 站 拟 采 用 飞 轮 （ 转 动 惯 量 为 １５００ｋｇｍ２） ， 另一个泵站选用 １５０ｍ３ 消水锤罐进行防止水锤效应的方案。 假设条件： 与零态研究相比， 增加下述假设条件， 其它输入条件保持不变。 １） 飞轮： 在每台水泵上各安装一个转动惯量为 １５００ｋｇｍ２ 的飞轮。 ２） 消水锤罐： 体积： １５０ｍ３（ 气 ５０ｍ３， 水 １００ｍ３） 直径： ４．２ｍ 高度： １１ｍ 初始液位： ８．２５ｍ 出口管径： ＤＮ５００ 结算结果： 当失电发生时， 由于飞轮惯性， 水泵不会立即停止。计 算结果周期为 ６００ 秒。从图中可以看到， 流量减少经历了很长时间。流 量和压力的突变并没有出现， 水锤效应也没有出现。从计算结果可以 看出， 初步方案防水锤措施是合适的。 总结如下： √在失电 ６００ 秒后水泵仍然运转， 然而， 止回阀在失电 ７５ 秒后关 闭。 √最大压力不超过正常运行压力。
图 ９ 水锤罐液位变化 ３．结论 本文结合工程实例， 利用计算机仿真技术， 通过对几种防水锤方 案的研究， 对比分析， 探讨最佳方案。实践证明， 优化后的方案在工程 实践中取得了良好的运行效果， 并取得了良好的经济效益。科
● 【参 考 文 献 】
［ １］ 徐藤记．建筑给水系统水锤防护．《山西建筑》， ２００７ 年 １７ 期． ［ ２］ 李艳霞．水锤的起因与预防．《山西建筑》， ２００３ 年 ０３ 期． ［ ３］ 李良庚．泵站水锤防护．《机电设备》， ２００５ 年 ０１ 期．
图 ４ 管线水头变化
图 ７ 水泵转速变化
图 ５ 水泵转速变化
图 ８ 泵站压力变化及高点压力变化
图 ６ 水锤液位变化 结论： 从仿真结果可以看出， 初步方案有点保守， 防水锤措施可以 进一步进行优化， 同时， 从成本上考虑可以降低建设成本。 ２．３ 对初步方案的优化处理 初步方案中的转动惯量为 １５００ｋｇｍ２ 的飞轮， 如果在保证结构尺 寸， 重量非常大， 结构尺寸也会比较特殊， 同时导致泵房结构尺寸有较 大的调整。而且， 高速运转情况下， 对飞轮的动平衡特性要求较高。因 此， 通过对初步方案的深入研究， 试图找到一种更为经济， 合理的方法 以消除水锤的影响。因此， 对假设条件做进一步的优化， 取消了飞轮而 用消水锤罐进行替代： 在设置飞轮的泵站， 改用水锤罐， 参数如下： 体积： １１８ｍ３ 直径： ４．２ｍ 高度： ８．５ｍ 初始液位： ４．５ｍ
流Baidu Nhomakorabea：
１４１ｍ／ｓ
工作压力： １０ｂａｒ
３） 排气阀： 在管线上布置有若干排气阀。
计算结果： 本计算给出失电后 １２０ 秒中的计 算 结 果 。 在 ０．１ 秒 的
时候失电， 并在相对短的时间内停止供水。这种突然变化导致严重的
水锤效应。压力降至大气压以下， 甚至完全真空状态（ 当不考虑排气阀
时） 。
［ 责任编辑： 张新雷］
●
（ 上接第 ４５３ 页） １．首先对混凝土裂缝的基层表面进行处理， 在裂 缝表面用钢丝刷将其表面的灰尘、浮渣、油垢等清除， 并沿缝用丙酮擦 洗， 晾晒干燥， 且其含水率不能大于 ６％。
２．环 氧 树 脂 胶 料 配 制 称取定量的环氧树脂， 按胶料配合比加入稀释剂二甲苯与环氧树 脂均匀拌和， 待温度降至常温后， 再加入固化剂乙二胺充分搅拌就配 制成了环氧树脂胶料。配制好的环氧树脂胶料， 至加入固化剂起， 必须 在 ３０ 分钟内处理完毕。 ３．环氧树脂胶料的配合比（ 重量比） ： 环氧树脂： 二甲苯： 乙二胺＝１００： ４０： ８ ４．最 后 用 玻 璃 布 或 嵌 刀 将 环 氧 树 脂 胶 泥 仔 细 批 嵌 封 闭 。
５．材 料 要 求 ： ａ．环氧树脂采用 Ｅ－ ４４＃（ 旧称 ６１０１） ， 其软化点为 １２～２０℃、环氧值 （ 当量 ／１００ｇ） 为 ０．４１～０．４７， 为淡黄色至棕黄色粘稠透明液体。 ｂ．乙二胺： 纯度大于 ７０％， 为无色透明液体。科
● 【参 考 文 献 】
［ １］ 《公路桥涵施工手册》． ［ ２］ 《公路桥涵施工规范》．
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２００８ 年 第 ２６ 期
√最小压力都高于大气压力， 大部分关键点是在最高点。 √消水锤罐的液位只降低 ４ｍｌｃ。
出口直径： ＤＮ５００ 其余假设条件保持不变。 仿真结果如图 ７、图 ８、图 ９ 所示。从仿真结果可以看出： 失电后水 泵几乎立即停止运转， 同时， 水锤罐继续补充流量。与它模拟情况最明 显的区别在于高点处的最小压力， 相比其它情况较低， 仍在可接受的 范围内。
本文结合具体工程情况， 并结合仿真技术对水锤效应进行有针对 性地研究， 以期对水锤效应进行深入地研究。
２．概 述 目前， 工业及民用建筑对水锤效应采取的防范措施主要有： 消水 锤罐、缓闭止回阀以及飞轮等方法。这其中， 消水锤罐及缓闭止回阀的 应 用 尤 其 广 泛 。尤 其 是 高 层 民 用 建 筑 给 水 及 消 防 水 的 应 用 上 。本 文 主 要通过飞轮及消水锤罐的对比分析上， 进行研究。这两种方法各有优 缺点， 但是， 飞轮的应用主要涉及到泵房的结构尺寸限制， 对于泵房外 场地比较充裕的地方多采用消水锤罐的方式。 本 例 是 某 污 水 处 理 厂 对 于 水 锤 现 象 的 仿 真 模 拟 计 算 。通 过 对 整 个 系统的仿真， 目的是能够正确选择泵站的防水锤措施 （ 比如消水锤 罐） ， 以降低水锤对机电设备、管网的破坏。本例仿真是基于最恶劣的 情况下进行的， 即最大数量的水泵在运行时出现失电现象。同时， 其它 原因引起的水锤影响忽略不计（ 如阀门快速关闭） ， 因为与突然失电情 况相比， 此影响要小得多。 研 究 的 目 标 就 是 来 确 定 在 失 电 情 况 下 的 各 个 极 端 值 。计 算 将 验 证 以下各项： √排水管的最大／最小压力 √消水锤罐／飞轮的尺寸 √管道容许压力： √最大压力 １０ｂａｒ √最小压力 － ０．１ｂａｒ 首先， 本文对于没有任何防水锤措施的情况（ 零态） 进行计算分 析， 然后对初步方案措施进行分析， 找出优缺点， 最后， 对初步方案进 行优化处理。 ２．１ 零态研究（ 无任何防水锤措施）
【关键词】水锤； 计算机仿真； 飞轮； 零态
１．引言 水锤是在突然停电或者在阀门关闭太快时，由于压力水流的惯性， 产生水流冲击波，这一现象叫水锤效应。水锤效应的破坏力非常大， 严
重 地 会 破 坏 阀 门 和 水 泵 。在 水 利 基 础 设 施 及 超 高 层 建 筑 建 设 中 都 要 充 分考虑这一因素。近年来， 许多文献中对水锤效应的研究也做了许多 深入地研究。