输水管道内水流冲击气团过程的实验研究

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长距离输水工程具有管线长,输水流量大等特点。由于管线随地形的起伏变化很大,因而工程在投入运行时需采取相应的技术措施。这样,在系统中凸起段以及其他管路构件附近处就不可避免地滞留空气团。由于系统中动力设备,调节机构及其他构件的存在,当气团形成达到一定的量值,输水系统启停泵,快速关阀等操作行为都会使管内出现水流冲击气团的现象,此时剧烈起伏波动的压力可能压爆管道或产生变形破坏。本文通过实验手段,基于实验的理论基础以及气液两相流的相关理论,建立物理模型,从而对问题进行深入分析与探讨。研究结论对长距离输水管线的运行管理与事故防护具有积极意义管路水流冲击气团的研究包含着前后关联的两个阶段。一是在管路的充水阶段;二是充水结束以满管流运行时突然关断阀门而发生水击的冲击阶段。对于充水阶段,由于管路主要处于气液两相非满管流动,流态的变化过程较复杂,在局部发生的压力水流冲击气团的位置、频率及强度变化等都具有一定随机性,为了准确记录和分析异常压力的详细数据和变化规律,实验中采取了以下几种手段:1.利用压力采集软件调整与设定采样频率,使之可以满足实验的采集要求;2.实验通过设计合理可行的实验方案,分别对45°单凸起段和串联(45°与60°)凸起段各工况的充水过程进行研究;3.改变工况主要方式有,利用变频器或调节阀改变管路流量、改变流量的调节过程,即连续调节或分阶段调节以及改变流量的调节时间等。实验中对管路系统实验段中气液两相流的流态与压力数据进行了拍摄与记录,以影像结合数据的方式为后续的分析提供条件。实验测量不可避免产生误差。因而对数据和误差进行分析处理就显得十分重要。本文首先以误差分析及数据处理的基本理论出发,对窗函数、误差分析方法以及数据处理流程进行了概括性论述。再通过结合实验中的具体实例进行理论的应用。在保证数据可以很好反映真值的前提下,最大化去除了系统误差与随机误差,最终得到了各测点的压力曲线图。最后,对充水阶段以及水击冲击阶段的最终实验结果进行图表化处理。以实验结果结合实验现象进行对照分析,可以发现,对于具有一定随机性与复杂性的充水过程,流量的调节手段(调节变频器/调节阀)以及流量的调节过程(连续改变流量/分阶段改变流量)都无法单独影响压力的变化趋势及结果,当分析它们各自对压力变化过程与结果的影响时都需结合流量变化的时间来考虑;而在水击冲击过程中,流量大小、气团体积、改变流量的方式、凸起段的增加、凸起段斜管段的坡度等因素都可对含气水锤压力变化的实验结果产生影响。对这些影响因素进一步分析而得出的结论将会为实际输水工程带来一定理论价值和应用价值。
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