摘 要:随着供水距离的加大及电机制造工艺的进步,水泵机组越来越小型化、轻量化,压力管道的安全运行已经成为研究的重点。本研究通过建立水泵及空气阀边界的数学模型,基于 计算 机数值模拟以期优化蝶阀关闭并确定空气阀位置及数量,结合工程实例提出供水系统 经济 安全的运行制度。

　　1 供水工程水力过渡过程数值模拟研究的目的

　　压力管路的安全运行,是设计者必须首先考虑的问题,在设计阶段,数值模拟管道过渡过程的方法不失为一种既经济又安全的方法。文章研究目的:建立水泵边界、蝶阀边界、空气阀边界及运行方式边界条件的数学模型,通过计算机数值模拟优化蝶阀关闭,并结合工程实例计算确定空气阀位置,对蝶阀加空气阀的联合防护措施进行模拟,提出供水系统经济合理的运行制度。

　　2 水力过渡过程数值模拟的原理

　　2.1 特征线法的计算原理

　　文章利用特征线法将运动偏微分方程和连续偏微分方程变换为全微分方程,用差分方法借助计算机算出任一瞬时各断面上的水力参数。

　　设A、B和P为管道上两个相邻的断面,断面间的距离为△x。如果在t0时刻A断面和B断面处的水头H和流量Q己知,根据下列正、负水锤特征方程联立求解,即可求得t0+△t时刻的管中p断面的水头H和流量Q,即:

　　A:管径过流断面积。

　　联立求解方程式(1)和(2),即可根据管路A点和B点在t0时的已知值QA、HA、QB、HB,求出t0+t时的管路P点的QP、HP值为

　　2.2 空气阀边界条件

　　假定:①空气等熵地流进流出阀门;②管内气体的变化遵守等温 规律 ;③进入管道的空气留在它可以排出的阀附近;④液体表面的高度基本不变,而空气的体积和管段里的液体体积相比很小。流过空气阀的空气质量流量分下述4种情况:

　　当不存在空气及水压高于大气压时,空气阀接头处的边界条件就是Hpi和Qpi的一般内截面解。当水头降到管线高度以下时,空气阀打开让空气流入,在空气被排出之前,气体满足恒定内温的完善气体方程:

　　式中:V0:时刻t0的空穴体积;

　　Qi:时刻t0流出断面i的流量;

　　QPi:时刻t流出断面i的流量;

　　QPXi:时刻t0流入断面i的流量;

　　QPPi:时刻t流入断面i的流量;

　　Ma0:时刻t0空穴中空气的质量;

　　Ma0':流入或流出空穴的空气质量流量;

　　Ma':时刻t流入或流出空穴的空气质量流量。

　　其中,Ha:大气压头(绝对压头);

　　r:液体容重;

　　Z:空气阀位置高程。

　　3 禹门口提水东扩工程二级泵站工程实例

　　禹门口提水东扩工程位于山西省中南部,是向临汾、运城六县市(新绛、稷山、襄汾、侯马、曲沃、翼城)工农业以及 农村 生活供水的保障性给水工程。年农业供水量(包括汾河生态用水)

　　8 095万m3, 工业 供水8 031万m3,总计1.61亿m3。

　　工程干线起点位于新绛县的禹门口提水工程二级干渠光马渡槽末端,终点位于距翼城县城6 km的西梁水库。其间分别设置了向襄汾原井灌区供水支线、新绛供水提水支线、侯马和曲沃分水口、汾河生态补水输水支线、侯马北庄灌区分水口、浍河灌区供水支线等。另在禹门口提水工程二级干渠桩号Q44+324处,设置了向稷山汾南灌区供水支线。工程沿线共布置调蓄水库2座,提水泵站4座,主管线全长48.8 km,支管线总长20.0 km,输水干渠总长11.4 km,支渠总长34.3 km。

　　(1)禹门口东扩提水工程二级泵站主要技术资料见表1。

　　(2)输水管线系统:长度为13.58 m,管材为PCCP管,管径为1.8 km,管道流量为5.065 m3/s。

　　(3)二级泵站工程平面示意,见图1。

　　(4)水泵出口液控蝶阀资料。

　　本模拟计算中资料取自蝶阀生产厂家提供并且常用的蝶阀的特性资料,见表2。

　　4 二级泵站水力过渡过程数值模拟的结果及分析

　　(以下所有描述全部以泵系统最不利工况进行说明,所用全特性曲线是利用BP神经 网

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