一种水锤防护设备的结构尺寸精准确定方法技术

本发明专利技术提供了一种水锤防护设备的结构尺寸精准确定方法，包括步骤1，初定水锤消除箱各项尺寸参数；步骤2，将水锤消除箱内的水体流动简化为一维流动，形成水锤消除箱两节点数学模型；步骤3，进行水锤消除箱初始值计算；步骤4，进行水锤消除箱瞬变过程求解；步骤5，若供水系统沿程最低压力H

【技术实现步骤摘要】
一种水锤防护设备的结构尺寸精准确定方法


[0001]本专利技术涉及一种水锤防护设备的结构尺寸精准确定方法，特别是涉及一种基于虚拟水位思想的水锤防护设备结构尺寸精准确定方法，所述水锤防护设备包括水锤消除箱，及其它带空气阀的、气液两相的水锤防护装置。

技术介绍

[0002]随着我国城市化进程的加快，通过跨地区、跨流域的调水工程解决城市用水是一种必然的发展趋势。调水工程输水管线距离长，且容易受到多种因素的影响，呈现出起伏变化复杂的显著特点，很容易造成水锤事故，出现吸气、水柱分离、断流弥合水锤等现象，严重威胁整个系统的安全运行。实际工程中通常采用水锤防护设备来保障输水系统的安全。
[0003]水锤消除箱作为一种水锤防护设备，在发生负水锤时，通过连接管向供水管道补水，同时空气阀向消除箱补气形成气垫，有效防止水柱分离；在发生正水锤时，供水管道中的水回流至消除箱，同时空气阀向外排气，对正水锤进行防护。该设备不依赖机械部件，性能可靠，同时箱内水体自动更新，可有效防冻。另外，水锤消除箱的价格优势明显，适用于大型输水工程水锤防护。
[0004]采用水锤消除箱进行水锤防护时，需要合理确定消除箱结构尺寸。若消除箱尺寸较小，无法起到防护水锤作用，尺寸较大则会导致造价升高。一般采用数值计算的方法来确定结构的尺寸参数。
[0005]水锤消除箱内的流动涉及到单相流动与气液两相流动间的相互转换，且空气阀、消除箱、连接管与供水管道相互作用，数学模型复杂，程序编制困难，目前尚无针对此问题的计算方法，因此水锤消除箱的结构参数难以明确。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种水锤防护设备的结构尺寸精准确定方法，在保证消除箱水锤防护功能的同时减小消除箱体积。为此，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种水锤防护设备的结构尺寸精准确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤1，初定水锤消除箱各项尺寸参数，包括水锤消除箱长度、水锤消除箱横截面积、水锤消除箱高度，并确定水锤消除箱流动特性参数，包括轴向流动损失系数、前连接管损失系数、后连接管损失系数、流入空气阀的开启面积及流量系数、流出空气阀的开启面积及流量系数、前连接管和后连接管间供水管道的损失系数、两连接管间供水管道的长度及损失系数，其中，前连接管和后连接管均连接在水锤消除箱和供水管道之间，且前连接管位于后连接管的上游；
[0009]步骤2，将水锤消除箱内的水体流动简化为一维流动，形成水锤消除箱两节点数学模型，其中，水锤消除箱两个连接管与供水管道交汇位置为水锤消除箱的两个节点；
[0010]步骤3，进行水锤消除箱初始值计算；
[0011]步骤4，进行水锤消除箱瞬变过程求解；
[0012]步骤5，若供水系统沿程最低压力H
min
与系统压力控制值H
c
不满足0<H
min
‑
H
c
<阈值，则修改水锤消除箱体积，重复步骤2～4，直到0<H
min
‑
H
c
<阈值。
[0013]进一步的，所述方法还包括步骤6：将所得参数应用于水锤消除箱体积设置。
[0014]在采用上述技术方案的基础上，本专利技术还可采用以下进一步的技术方案，或对这些进一步的技术方案组合使用：
[0015]步骤2所述建立水锤消除箱的数学模型的具体步骤包括：
[0016]步骤2.1，引入虚拟水位概念，水锤消除箱前连接管所在断面A1对应的虚拟水位：H
L1
＝H
n1
+k
w1
Q
w1
|Q
w1
|+H
atm
‑
H
a
；水锤消除箱后连接管所在断面A2对应的虚拟水位：H
L2
＝H
n2
+k
w2
Q
w2
|Q
w2
|+H
atm
‑
H
a
；
[0017]式中，k
w1
和k
w2
分别为前连接管和后连接管的损失系数，H
n1
为前连接管与供水管道交汇处节点压力，H
n2
为后连接管与供水管道交汇处节点压力，H
a
为气垫压力，H
atm
为大气压力，Q
w1
和Q
w2
分别为前连接管和后连接管的流量；
[0018]步骤2.2，根据连续性方程，前连接管和后连接管的流量满足
[0019][0020]式中，V
a
为气垫体积；
[0021]步骤2.3，根据水锤消除箱内水体流动所需满足的能量方程，得到虚拟水位与连接管流量之间的关系
[0022][0023]式中，A
w1
和A
w2
分别为断面A1和断面A2的过水断面面积，H
w
为水头损失，H
m
为惯性水头；
[0024]步骤2.4，根据能量方程，得到前连接管和后连接管间供水管道的流量与节点压力之间的关系
[0025][0026]式中，k
p
为前连接管和后连接管间的供水管道的损失系数，L为前连接管和后连接管之间的供水管道长度，A为供水管道截面积，Q为前连接管和后连接管间的供水管道的流量。
[0027]步骤3所述水锤消除箱初始值计算具体步骤如下：
[0028]初始状态下，水锤消除箱内流动为单相流状态，满足如下关系：
[0029]气垫体积V
a
＝0
[0030]气垫压力H
a
＝H
atm
[0031]水锤消除箱水头损失H
w
＝k
w
Q
w2
|Q
w2
|，k
w
为水锤消除箱满流状态下水体轴向流动损失系数；
[0032]水锤消除箱惯性水头H
m
＝0
[0033]供水管道流量变化率
[0034]将以上关系带入步骤2中的数学模型，采用牛顿迭代法进行求解。
[0035]步骤4所述瞬变过程求解具体步骤如下：
[0036]步骤4.1，引入虚拟水位求解中间变量H
L10
、H
L20
，二者分别等于上一时刻的虚拟水位H
L1(N
‑
1)
、H
L2(N
‑
1)
；
[0037]步骤4.2，若满足H
L10
≥Z
T
且H
L20
≥Z
T
，式中Z
T
为箱体高度，则假定当前时刻为单相流，进入步骤4.3，否则本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水锤防护设备的结构尺寸精准确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，初定水锤消除箱各项尺寸参数，包括水锤消除箱长度、水锤消除箱横截面积、水锤消除箱高度，并确定水锤消除箱流动特性参数，包括轴向流动损失系数、前连接管损失系数、后连接管损失系数、流入空气阀的开启面积及流量系数、流出空气阀的开启面积及流量系数、前连接管和后连接管间供水管道的损失系数、两连接管间供水管道的长度及损失系数，其中，前连接管和后连接管均连接在水锤消除箱和供水管道之间，且前连接管位于后连接管的上游；步骤2，将水锤消除箱内的水体流动简化为一维流动，形成水锤消除箱两节点数学模型，其中，水锤消除箱两个连接管与供水管道交汇位置为水锤消除箱的两个节点；步骤3，进行水锤消除箱初始值计算；步骤4，进行水锤消除箱瞬变过程求解；步骤5，若供水系统沿程最低压力H
min
与系统压力控制值H
c
不满足0<H
min
‑
H
c
<阈值，则修改水锤消除箱体积，重复步骤2～4，直到0<H
min
‑
H
c
<阈值。2.如权利要求1所述的一种水锤防护设备的结构尺寸精准确定方法，其特征在于，步骤2所述建立水锤消除箱的数学模型的具体步骤包括：步骤2.1，引入虚拟水位概念，水锤消除箱前连接管所在断面A1对应的虚拟水位：H
L1
＝H
n1
+k
w1
Q
w1
|Q
w1
|+H
atm
‑
H
a
；水锤消除箱后连接管所在断面A2对应的虚拟水位：H
L2
＝H
n2
+k
w2
Q
w2
|Q
w2
|+H
atm
‑
H
a
；式中，k
w1
和k
w2
分别为前连接管和后连接管的损失系数，H
n1
为前连接管与供水管道交汇处节点压力，H
n2
为后连接管与供水管道交汇处节点压力，H
a
为气垫压力，H
atm
为大气压力，Q
w1
和Q
w2
分别为前连接管和后连接管的流量；步骤2.2，根据连续性方程，前连接管和后连接管的流量满足式中，V
a
为气垫体积；步骤2.3，根据水锤消除箱内水体流动所需满足的能量方程，得到虚拟水位与连接管流量之间的关系式中，A
w1
和A
w2
分别为断面A1和断面A2的过水断面面积，H
w
为水头损失，H
m
为惯性水头；步骤2.4，根据能量方程，得到前连接管和后连接管间供水管道的流量与节点压力之间的关系式中，k
p
为前连接管和后连接管间的供水管道的损失系数，L为前连接管和后连接管之间的供水管道长度，A为供水管道截面积，Q为前连接管和后连接管间的供水管道的流量。3.如权利要求1所述的一种水锤防护设备的结构尺寸精准确定方法，其特征在于，步骤3所述水锤消除箱初始值计算具体步骤如下：
初始状态下，水锤消除箱内流动为单相流状态，满足如下关系：气垫体积V
a
＝0气垫压力H
a
＝H
atm
水锤消除箱水头损失H
w
＝k
w
Q
w2
|Q
w2
|，k
w
为水锤消除箱满流状态下水体轴向流动损失系数；水锤消除箱惯性水头H
m
＝0供水管道流量变化率将以上关系带入步骤2中的数学模型，采用牛顿迭代法进行求解。4.如权利要求2所述的一种水锤防护设备的结构尺寸精准确定方法，其特征在于，步骤4所述瞬变过程求解具...

【专利技术属性】
技术研发人员：李高会，崔伟杰，陈阜南，申爱丽，张洋，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：