一种粘弹性管道直接水锤压力的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种粘弹性管道直接水锤压力的计算方法，使用上游水箱、有机玻璃管、中线蝶阀、调流阀及下游水箱搭建粘弹性管道水锤实验系统，使用高精度高频压力传感器测量快速关闭管道末端阀门产生的直接水锤压力的大小，通过CRAS数据采集系统读取阀门的关闭时间，用90

【技术实现步骤摘要】
一种粘弹性管道直接水锤压力的计算方法


[0001]本专利技术涉及粘弹性管道直接水锤压力计算，属于长距离输水管道中水力过渡过程


技术介绍

[0002]随着材料科学的发展，有机高分子材料管道由于自身存在的造价低、自重轻、耐腐蚀等优点也被逐渐应用于国内外长距离输水工程中，如PVC、PCCP、PE、HDPE等材料管道均为目前较为常见的供水管道。这类管道的材料为高分子聚合物，力学特性具有显著的粘弹性特征，故也称此类管道为粘弹性管道。就新疆的各类输水工程而言，粘弹性管道在多个工程中均有应用：如小洼槽倒虹吸工程采用双排热固性树脂增强玻璃纤维缠绕夹砂玻璃钢管道FRPM；三个泉倒虹吸采用PCCP和SP组合方案；罗布泊钾盐外部输水工程主输水管线采用SP和FRPM组合方案。
[0003]在长距离有压输水管道中，由于操作不当会引发巨大水锤压力，继而对整个管路系统造成严重危害，但是目前对PVC、PCCP、PE等目前使用较多的粘弹性管道供水工程安全运行的设计方案中很少考虑到管道的粘弹性效应，仅在波速的计算中考虑到了管壁在侧向和轴向上的应变，水锤压力大小仍然使用弹性管道(钢管、混凝土管)的瞬变流理论作为依据进行供水工程的设计，直接水锤压力的计算公式也仍沿用茹科夫斯基公式进行计算。在粘弹性管道水力过渡过程模拟研究中若均采用弹性管道特性作为理论依据，其结果是否能够准确应用到实际工程尚需进行深入研究。若对粘弹性管道中水力过渡过程过程研究不够充分，实际工程达不到设计和运行的要求，便会发生严重的水锤事故，造成重大人身安全隐患及经济损失。因此，深入开展粘弹性管道水锤压力变化规律的实验研究，获得准确计算粘弹性管道直接水锤压力的方法，对实际工程的设计和安全运行具有重要的指导意义。
[0004]通过大量的试验研究发现，粘弹性管道中产生的直接水锤压力大小大于传统的弹性管道直接水锤理论计算公式，在传统水锤理论中直接水锤压力上升值
△
H仅与管内波速a、流速变化量
△
V及重力加速度g有关，与阀门的关闭时间并无关系，与阀门的初始开度也无关系。研究者通过试验发现粘弹性管道中直接水锤压力的上升值与关阀时间和阀门的初始开度均有关，且满足“关阀时间越快，产生的直接水锤压力越大；阀门初始开度越小，产生的直接水锤压力越大。”的规律，试验数据说明了弹性管道水锤理论中直接水锤压力计算公式与有机玻璃管道等粘弹性管道实测得到的直接水锤压力值不符，直接水锤压力公式已不再适用于弹粘弹性管道。
[0005]长距离输水工程的显著特点是引水流量大、线路长、管径大、压力大，运行过程中涉及各类阀室和泵站的管路系统可能会由于各类操作不当的原因引发巨大水锤压力，继而对整个系统造成严重危害。因此必须对输水系统中可能发生的水锤问题进行提前预测以保证输水工程的安全及有效运行。对于目前使用比例越来越高的粘弹性输水管道而言，这些管道材料都是粘弹性管道，粘弹性材料在外力的作用下，存在弹性和黏性两种变形机制，这类管道相对较“软”，管壁挠度较大，目前在粘弹性管道中按照合理关闭规律进行关阀仍然
发生了工程事故，出现了与传统水锤理论不符的现象，所以必须准确计算粘弹性管道内产生的直接水锤压力大小为实际工程提供设计依据。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：为了长距离输水工程中粘弹性管道的水锤压力估算和安全，本专利技术提出一种粘弹性管道直接水锤压力的计算方法，对初始阀门开度不同时快速关阀产生的直接水锤压力大小进行准确预测。
[0007]技术方案：本专利技术提供的一种粘弹性管道直接水锤压力的计算方法。以粘弹性管道为研究对象，对有压输水管道中由于末端阀门快速关闭产生的直接水锤压力大小可实现预测，通过直接水锤理论压力上升值
△
H
c
，水锤的理论关阀时间T
c
，阀门的实际关闭时间T
t
等参数的大小可计算得到粘弹性管道中产生的直接水锤升压值
△
H
t
。
[0008]具体地，根据有压输水管道中流体的弹性模量K，管材杨氏弹性模数E；管道直径D；管壁厚度e等参数，通过式(1)计算得到该管道中的波速大小。
[0009][0010]式中，为声波在水中的传播速度，也就是无边界流体中的波速值，其大小为1435m/s；K为流体的弹性模量，E为管材杨氏弹性模数；D为管道直径；e为管壁厚度，m；c1为系数，取值根据管道的三种支撑情况计算值如下：(a)若管道只在上游末端固定，c1＝1
‑
μ/2，μ为泊松比；(b)若全管固定，没有轴向运动，c1＝1
‑
μ2；(c)若管道全部采用膨胀接头连接，c1＝1。
[0011]具体地，根据流速的变化量
△
V、波速的大小a及重力加速度g，通过式(2)得到输水管道中的直接水锤理论压力上升值
△
H
c
。
[0012][0013]式中，
△
H
c
为管道水锤压力大小，m；a为波速，m/s；g为重力加速度，m/s2；ΔV为流速变化量，m/s。
[0014]具体地，根据式(3)得到输水管道内产生直接水锤时理论关阀时间T
c
：
[0015][0016]式中，L为输水管道的长度，m；a为波速，m/s。
[0017]具体地，根据试验得到阀门动作确定阀门的实际关闭时间T
t
如图1所示，当阀门开始动作时，波形刚开始出现上升，在阀门关闭瞬间直接水锤压力达到最大，故阀门实际关闭时间Tt为压力达到最大对应的时刻与压力开始升高点对应时刻的差值：
[0018]具体地，将不同流速不同关阀时间下根据试验得到直接水锤压力上升值
△
Ht，根据
△
H
t
及
△
H
c
计算得到不同工况下的的大小；根据水锤的理论关阀时间T
c
及阀门的实际关闭时间T
t
计算得到不同工况下的T
t
/T
c
的大小。
[0019]具体地，将阀门初始开度为100％时，与T
t
/T
c
二者的关系绘制于图2中，将阀门初始开度为30％时，与T
t
/T
c
二者的关系绘制于图3中。从图2及图3可以看出，不同开度下阀门关闭所产的的直接水锤压力大小
△
H
t
要大于式(2)计算得到的水锤压力的理论值
△
H
c
，各流速下的均大于0。在各流速下，T
t
/Tc越小，即关阀时间越短，直接水锤压力的上升值越大。同一流速下，阀门初始开度越小，直接水锤压力上升值越大。
[0020]具体地，由多组试验数据拟合可以得到不同阀门开度下(100％及30％)直接水锤压力上升相对值与关阀时间相对值的关系。初始阀门开度为100％时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种粘弹性管道直接水锤压力的计算方法，其特征在于：使用粘弹性管道水锤实验系统，以管道内产生的直接水锤压力为研究对象，使用压力传感器量测末端阀门快速关闭时产生的直接水锤压力大小，通过对不同流速下关阀时间及水锤压力的测量，利用数值拟合方法计算粘弹性管道内直接水锤压力。2.根据权利要求1所述的粘弹性管道直接水锤压力的计算方法，其特征在于：所述的粘弹性管道水锤实验系统包括上游水箱、有机玻璃管、中线蝶阀、调流阀及下游水箱；控制中线蝶阀关闭使管道中产生直接水锤；在上游水箱布置溢流板，用于保证上游水位稳定；在下游水箱布置三角形薄壁堰，用于量测管道内的流量；分别在管道末端和中线蝶阀前端安装高频动态压力传感器量测水锤压力，蝶阀后端设置调流阀进行管道流量的调节。3.根据权利要求2所述的粘弹性管道直接水锤压力的计算方法，其特征在于：使用直接水锤压力计算公式计算得到管内产生直接水锤压力的理论升压值
△
H
c
式中，a为波速，单位m/s；g为重力加速度，单位m/s2；ΔV为流速变化量，单位m/s；式中，为声波在水中的传播速度，是无边界流体中的波速值，取1435m/s；K为流体的弹性模量，E为管材杨氏弹性模数；D为管道直径；e为管壁厚度，单位m；c1为系数，取值根据管道的三种支撑情况计算值如下：(a)若管道只在上游末端固定，c1＝1

【专利技术属性】
技术研发人员：张小莹，边少康，王义淞，刘淇，
申请(专利权)人：新疆农业大学，
类型：发明
国别省市：