陈俊 徐奕蒙 王磊 邢方亮 王天奕 郭泽斌 丘瑾炜
摘 要：该文以福州大学水利学院长距离供水管道水锤试验平台为研究对象，对关阀水锤进行了试验研究。试验结果表明，阀门快速关闭后，管道中的最大压力随着管道流量的增加而线性递增，并且会出现负压情况。使用CFD（計算流体动力学）技术以及相关软件对现有水锤模型进行了三维仿真，通过同一点位的实测压力曲线与仿真压力曲线的对比论证该试验的正确性，可为长距离供水管道工程的设计提供试验依据。
关键词：管道 阀门 关阀水锤 模型试验 三维仿真
中图分类号：TU991.39 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）08（a）-0053-04
Water Hammer Test on Valve Closing of Long-Distance Water Supply Pipeline
CHEN Jun* XU Yimeng WANG Lei XING Fangliang WANG Tianyi GUO Zebin QIU Jinwei
（Pearl River Water Resources Research Institute， Guangzhou， Guangdong Province， 510611 China）
Abstract： In this paper， the water hammer test platform for long distance water supply pipeline of Water Conservancy College of Fuzhou University is taken as the research object. The test results show that the maximum pressure in the pipeline increases linearly with the increase of pipeline flow rate after the valve is closed rapidly， and there will be negative pressure. CFD （Computational Fluid Dynamics） technology and related software are used to simulate the existing water hammer model. The correctness of the test is demonstrated by comparing the measured pressure curve with the simulated pressure curve at the same point， which can provide a test basis for the design of long-distance water supply pipeline engineering.
Key Words： Pipeline; Valve; Valve closing water hammer; Model test; 3D simulation
水是不可替代的有限自然资源，我国的水资源时空分布不均匀导致的区域性缺水严重，成为阻碍城市发展的制约因素，因此，近几年国家以及大部分地方大力发展长距离引水工程建设[1]。由于输水工程的特殊性和复杂性，长距离输水中存在很多的问题，其中最常见、最突出的问题是长距离输水管线水锤防护[2]。
在有压管路中，由于某种外界原因（如阀门突然关闭、水泵机组突然停车）使水的流速突然发生变化，从而引起水击，这种水力现象称为水击或水锤[3]。由阀门关闭产生的水锤称为关阀水锤。水锤效应有极大的破坏性：压力过高，将引起管子的破裂;反之，压力过低又会导致管子的瘪塌，还会损坏阀门和固定件[4]。
该文以福州大学水利学院长距离供水管道水锤试验平台为研究对象，主要探究水平放置的输水管道因阀门突然关闭产生水锤引起的管道共振现象，从而得到管道的最大、最小压力与管道流速、阀门关闭时间、管道长度之间的规律，解决与水锤有关的工程问题，开展相关课题的研究，为长距离供水管道工程的设计提供试验依据。
1 水锤试验平台
长距离供水管道水锤试验平台为开式试验台，管道为无缝钢管，管径为DN100mm，耐压等级PN40，管道总长约320m。试验平台由恒流供水系统、水锤消除系统、阀门系统、试验管道系统、传感器系统及中央监控机组成，如图1所示。
1.1 恒流供水系统
恒流供水系统是整个试验平台的核心，因为只有保证管道内流量稳定，才能准确地模拟出不同流速下由水锤引起的管道共振现象，进而找出解决方法。恒流供水系统由卧式离心泵、变频器、网络适配器、阀门及附属设施组成。恒流供水系统采用在供水管道布置电磁流量计作为闭环流量控制手段。控制流程如下：计算机根据电磁流量计测得实时流量大小，通过特定控制算法计算结果，利用变频器直接控制水泵的电机，通过调节加在电机上的交流电压频率来改变电机的运行速度，从而调节水泵的进出水流量，达到管道内恒流控制的目的。
1.2 水锤消除系统
（1）水锤消除器。由外壳、高级合成橡胶弹性内胆及多孔管等组成。水锤消除器能在无需阻止流体流动的情况下，有效地消除各类流体在传输系统可能产生的水外锤和浪涌发生的不规则水击波震荡，从而达到消除具有破坏性的冲击波，起到保护之目的。
（2）泄压阀。根据系统的工作压力能自动启闭，当管道内压力超过泄压阀设定压力时，即自动开启泄压，保证管道内介质压力在设定压力之下，起到保护水泵和管道的作用。
1.3 阀门系统
阀门系统分为两个部分：一部分为快速阀门系统，由电控液压阀和控制保护装置组成，实现对管道供水的快速切断，以产生水锤;另一部分为慢速阀门系统，由11组手动阀组成，实现对试验管路长度的切换。
（1）电控液压阀。由液压系统、油缸和阀门组成，液压系统的工作原理是液压泵把机械能转换成液体的压力能，通过控制阀和液压辅件控制液压介质的压力、流量和流动方向，将液压泵输出的压力能传给油缸，油缸将液体压力能转换为机械能，以完成对阀门启闭控制。
（2）慢速阀门系统。由11组手动阀组成。手动阀门是管路流体输送系统中控制部件，它是用来改变通路断面和介质流动方向，具有导流、截止、调节、节流、止回、分流或溢流卸压等功能。
1.4 试验管道系统
试验管道系统分为试验管段和非试验管段，试验管段和非试验管段通过焊接法兰方式连接，可通过拆卸法兰上的螺丝，实现不同材质的试验管段的替换。
（1）试验管段。长度16m，试验管道内径为DN100mm，可测试钢管、PVC管、有机玻璃管3种不同材质的试验情况。
（2）非试验管段。采用管道内径DN100mm、耐压等级PN40的无缝钢管，总长度为316m。
2 关阀水锤试验
长距离供水管道水锤试验平台阀门和管道状况如下。
（1）快速电控液压阀：关断时间设置为最小0.9s。
（2）慢速阀门系统状况：编号为T1、T7、T10的3个手动阀为关闭状态，其余8个手动阀为开启状态，此时管道总长度为317m。
（3）试验管段状况：选用DN100mm口径的无缝钢管，耐压等级PN40。
试验一共进行了8组工况，管道流量从10m3/h开始，每5m3/h一个等级递增，一直到43m3/h。阀门快速关闭后，不同工况下管道最大最小压力统计见表1，最大最小压力变化趋势见图2，各工况下管道压力变化趋势见图3～图6。
从图2中可看出，阀门快速关闭后，管道中的最大压力随着管道流量的增加而线性递增;阀门快速关闭后，会出现负压情况，即最小压强，且基本维持在-0.07～-0.06MPa之间。
从图3～图6中可以看到，在阀门快速关闭后，阀门挡板在与管道内液体发生碰撞后其附近的动态压力在短时间内产生了较大的波动，而在一定时间后，管道内部的水流逐渐趋于平稳，压力波动也逐渐减小。
3 仿真分析
使用CFD（计算流体动力学）技术以及相关软件对现有水锤模型进行三维仿真，通过同一点位的实测压力曲线与仿真压力曲线的对比论证该试验的正确性，为水锤现象预防、具体输送管路设计等研究提供参考[5]。
采用Solidworks、Meshing、ICEM、FLUENT软件分别进行了建模、网格划分、数值计算和处理分析，对数值模拟对象的初始条件、边界条件和求解器进行了设置，三维模型如图7所示[6-7]。
实际试验前开启水泵保证水管内流场稳定循环后关闭阀门并测量阀门附近点位的压力值，具体试验结果与仿真结果对比见图8。
实际中通过安装在管外壁的压强传感器进行测量，该仿真通过检测固定面的压力变化总结水锤效应规律，两者皆反映出在阀门关闭过程中以及关闭后一段时间内，流场对于管壁的压力会大振幅波动后逐渐趋于稳定。经图8对比可以看到，实际试验与仿真模拟中的压力曲线波动幅度相似，最大压力值相近，流场趋于稳定的时间亦近似，故证明采用CFD技术对于管道内流场水锤效应的仿真模型较为可靠，在三维立体层面对于流场的模拟对于水锤现象的研究具有很大的帮助。
4 结语
该文以福州大学水利学院长距离供水管道水锤试验平台为研究对象，对关阀水锤进行了试验研究。试验结果表明，阀门快速关闭后，管道中的最大压力随着管道流量的增加而线性递增，并且会出现负压情况。使用CFD（计算流体动力学）技术以及相关软件对现有水锤模型进行了三维仿真，通过同一点位的实测压力曲线与仿真压力曲线的对比论证该试验的正确性，可为长距离供水管道工程的设计提供试验依据。该文目前只做了不同管道流量、恒定关阀时间的水锤试验，后续试验可围绕不同关阀时间、不同管道长度的水锤试验。
参考文献
[1] 杨晓蕾，沈来新，俞锋，等.重力流输水管道关阀水锤模拟研究[J].水利水电技术，2017，48（5）：95-96，127.
[2] 王炜.重力流输水管道关阀水锤仿真计算与防护[J].河南水利与南水北调，2020（2）：74-76.
[3] 张景望，吴建华，高洁，等.长距离重力流输水系统水锤模拟及其防护研究[J].水电能源科学，2019，37（5）：57-60.
[4] 申屠華斌，毛燕，张逸夫，等.重力流输水管道水锤与防护措施研究[J].市政技术，2019，（1）：115-118.
[5] 徐奕蒙，王磊，邢方亮，等.基于计算流体动力学的长输水管道关阀水锤现象流场模拟[C]//中国水利学会2019学术年会论文集（第二分册）.中国水利水电出版社，2019.
[6] 汪建，杨帅，吴大转，等.基于三维CFD 方法的管路瞬变流特性研究[J].流体机械，2019，47（4）：6-12.
[7] 曹文志.基于特征线法的纯水液压管路瞬态过程研究[D].电子科技大学，2017.
