PDF《不同型式空气阀的水锤防护效果研究》

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m e t h o do f c h a r a c t e r i s t i c ;

o r i f i c ed i a m e t e ro f a i rv a l v e 输水管道由于某些非正常运行工况和水流自身 的挟气, 有可能在输水系统中出现气团或气柱, 使得 输水系统的运行不稳定( 压力和流量波动) , 严重时 会造成管道破裂或变形[ 1] .为了解决这一问题, 空 气阀被应用在长距离输水系统中, 根据工作压力的 变化, 及时向管内补气或向管外排气[

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8 ] .空气阀在 进气过程中不会出现问题, 但在排气过程中, 会因排 气过快引起瞬变压力.在空气阀进气阶段, 管内负 压被抑止, 使其小于液体汽化压力;

在空气阀排气阶 段, 管内的自由空气被压缩并加速流出管道, 使分离 水柱弥合.如果管道中的空气排出过快, 会使分离 水柱弥合时产生撞击, 水流速度瞬间减小到零, 形成 附加水锤压力.相关实验结果表明: 正常工作压力 为4b a r , 引起的最大瞬变压力为1 0b a r , 是正常工 作压力的2 . 5倍[

9 ] . 空气阀孔径对水锤防护影响较大, 国内外有不

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3 西安理工大学学报 J o u r n a l o fX i ' a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y (

2 0

1 5 )V o l .

3 1N o .

3 少学者对这方面做了大量研究.如刘梅清等[

1 0 ] 认 为采用进排气流量系数 in=0 .

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5、 o u t=0 .

6 5 时 空气阀的水锤 防护作用甚微, 只有当in/o u t>1

0 时作用才较为明显;

胡建永等[

1 1] 通过采用不同进排 气系数的空气阀进行了进排气 特 性的 计算 对比分 析, 认为不同进排气系数对空气阀的进排气特性和 水锤保护效果有显著影响;

杨晓东等[

1 2 ] 认为减小进 排气阀的排气面积, 可在一定程度上消除水柱弥合 引起的高水锤压力和进排气阀的破坏现象;

杨开林 等[

1 3] 通过对南水北调北京段输水系统水力瞬变研 究表明, 选择过大或过小的空气阀孔径对减小管道 内的真空度都是不利的, 存在一个抑止液柱弥合冲 击压力或 者高度真空的最优空气阀孔径;

刘志勇等[

1 4] 对空气阀水锤防护特性的主要影响因素进行 了试验研究, 结果表明: 在合理位置安装合适进排气 孔径的空气阀可有效防止因水柱分离再弥合而导致 的巨大瞬变压强;

G i u s e p p eD eM a r t i n o [

1 5 ] 通过实验 研究认为: 输水管道通过孔口排气引起的的瞬变压 力与上游水头、 初始气体体积、 孔口大小 是有 关系 的, 孔口直径占管道直径比例约为0 .

1 4时, 出现最 大瞬变强度, 随着 孔口直径的 增大 瞬变逐 渐消 失;

D o nJ . W o o d和F. Z h o u等人[

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1 9] 认为孔口直径占 管道直径比例约为0 . 2时, 出现最大瞬变压力. 本文通过算例进行数值分析, 对空气阀水锤防 护效果的主要影响因素( 空气阀孔径) 进行分 析研 究, 希望为空气阀结构优化设计和正确应用提供理 论依据.

1 空气阀边界条件及求解 在输水过程中, 当管道中存在气体时, 气体会顺 着管道向上运动, 最终聚集在管道的凸起点形成空 气腔.如果此处安装空气阀, 气体就会进入空气阀, 此时阀内无水, 浮球在重力作用下处于掉落状态, 空 气阀打开, 达到排气目的;

随着阀内气体的排出, 管 道内水位上升进入空气阀, 浮球在水的浮力作用下, 关闭排气口, 排气结束.当管道内压力下降到大气 压力以下时, 在管道内外压差作用下, 浮球降落, 空 气阀打开, 达到进气的目的, 见图1. 空气阀的进排气过程是一个复杂的动态过程. 目前, 空气阀的数值模拟仍然沿用 W y l i e和Streeter等人提出的数学模型[