基于Flowmaster的给水系统数值模拟.docx

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1、在城市给水管网中，水锤现象是一个非常重要的因素，它直接关系到给水管网的安全运行。水锤具有很强的破坏力，因为它会使管线内的压力增加数倍乃至数十倍，造成爆管，严重地危害了人们的生产与生活。水锤的防护措施应从设计过程就开始加强，需要对可能发生水锤的情况进行研究分析，这样不仅可以很好的选择最佳方案，还能有效的提高系统的安全性和可靠性。就目前对于水锤现象的分析来看，主要就是运用数值模拟的方法，判断出水锤发生的位置及其剧烈程度，再结合系统对水锤现象做出合理有效防护。本文将首先介绍水锤计算基本方程式及其数值解法，为后续的给水系统模拟做有力的理论支撑，然后通过Flowmaster软件对高层建筑生活给水系统中不

2、同工况的水锤现象进行模拟，观察系统内水锤发生位置及水锤压力的变化，最后分析做出对水锤的有效防护措施，使整个给水系统能够安全运行。关键词：给水管网；水锤现象；数值模拟；安全运行论文类型：工程设计AbstractWaterhammerphenomenonisaveryimportantfactorintheurbanwatersupplynetwork,whichisdirectlyrelatedtothesafeoperationofthewatersupplynetwork.Waterhammerhasastrongdestructivepower,becauseitwillmakethepr

3、essureinthepipelineincreaseseveraltimesoreventensoftimes,resultinginpipeexplosion,seriouslyendangerpeoplesproductionandlife.Theprotectionmeasuresofwaterhammershouldbestrengthenedfromthedesignprocess.Itisnecessarytostudyandanalyzethepossiblesituationofwaterhammer.Inthisway,notonlythebestschemecanbese

4、lected,butalsothesafetyandreliabilityofthesystemcanbeeffectivelyimproved.Inviewofthecurrentanalysisofwaterhammerphenomenon,themainmethodistousenumericalsimulationtojudgethelocationandseverityofwaterhammer,andthencombinethesystemtomakereasonableandeffectiveprotectionagainstwaterhammerphenomenon.Thisp

5、aperwillfirstintroducethebasicequationofwaterhammercalculationanditsnumericalsolutiontoprovideastrongtheoreticalsupportforthesubsequentsimulationofwatersupplysystem,andthensimulatethephenomenonofwaterhammerindifferentworkingconditionsinthedomesticwatersupplysystemofhigh-risebuildingsbyFlowmastersoft

6、ware,andobservethechangesofthelocationandpressureofwaterhammerinthesystem.Finally,theeffectiveprotectionmeasuresforwaterhammerareanalyzedtomakethewholewatersupplysystemrunsafely.KeyWords：watersupplynetwork;Waterhammerphenomenon;numericalsimulation;Safeoperation摘要2Abstract31绪论11.1 水锤现象的研究背景和目的11.2 国内

7、外水锤现象的研究现状113主要研究内容22水锤的防护及其计算基本方程32.1 水锤的发生和防护32.2 水锤基本微分方程式32.2.1 水锤的运动方程32.2.2 水锤的连续方程53软件介绍及水锤数值解法93.1 Flowmaster软件介绍93.2 水锤数值解法93.2.1 特征线方程式93.2.2 有限差分方程114给水系统水锤的模拟计算154.1 给水系统的模型建立154.2 无水锤保护的仿真模拟174.2.1 计算管道的承压184.2.2 球阀20开度变化的模拟184.2.3 球阀36开度变化的模拟204.2.4 球阀1开度变化的模拟224.2.5 水泵停止工作的模拟224.3 水锤的

8、防护234.3.1 设置气压罐的水锤防护244.3.2 设置膨胀水箱的水锤防护264.3.3 延时关闭阀门274.3.4 设置缓闭蝶阀28结论32参考文献33致谢341绪论1.1 水锤现象的研究背景和目的所谓水锤现象，是指在压力管道系统中，由于闸或阀的误操作、泵机组的意外断电、进出水池水位的大突变等意外事件以及水泵机组的非正常启停等原因，造成管道内流速剧烈变化，从而引起动量交换，致使水体冲量改变，对管壁、水泵以及阀门等附件产生巨大的冲击力，在水体惯性和可压缩性、管壁弹性以及系统阻力作用下，管道内水的压力和密度不断交替变化，直至稳定的这一水力过渡过程状态。常见的给水管道系统，如高层建筑供水系统中

9、伴随着水锤现象，而由于水锤现象这个过程发生的时间较短，因此管道系统对于压力的承受能力存在较大的考验，存在水流与水流、水流与管道壁面进行撞击而产生的振动和噪声现象，严重时会造成爆管事故，危害工作人员和财产安全。在给水管道系统中，水锤现象的存在会对阀门产生破环，影响阀门的正常运行。水龙头是常见的一种阀门，当用户在使用水龙头时，水流在水龙头的阀芯位置处过流断面减小，导致在此处流速增大，压力减小。在压力逐渐减小的过程中，当压力降到一定程度时，就会发生从液态到气态的转变，这就是所谓的气化。在水流流过阀芯之后，因为过流截面面积增大，所以流速增加，压力也会逐渐恢复，在这个过程中，压力会逐步升高到液体的饱和蒸

10、汽压之上，原本空化的气体又会转变成液体。在这个过程中，因为空泡的破碎，会释放出巨大的能量，所以在这短短的一段时间里，许多空泡一起破碎，就会形成一种冲击，冲击的压力是普通工作压力的一千倍。水龙头在该压力的作用下发生形变，在此过程的反复之下，水龙头一次次的发生疲劳破坏，最终产生破损，影响压力供水管道的正常运行。供水系统中的水锤现象导致了液压状态和压强波动的产生，对供水系统的正常运行有很大的影响。所以，各个学者都在致力于对给水系统中的水锤进行研究，从而得到给水系统中的水压状态以及压力的波动，来削弱或消除水锤对给水系统所造成的损害。其中，数值模拟技术因可以节省大量的时间、财力、物力，而且能够满足计算精

11、度的要求，因此得到广泛应用。1.2 国内外水锤现象的研究现状2022年，吴磊以核电机组主给水系统为研究对象，研究了水泵启动、事故停运、正常停运以及给水泵出口主关断阀事故关闭四种情况下管道内压力、流量和波动力的变化情况。计算结果表明，给水泵事故停运工况水锤力对管系影响最为恶劣，应采取相关措施以保证给水系统安全运行。2021年,赵永亮以高层建筑给水系统中上行下给与下行上给管道布置形式为研究对象,分析两种管道布置形式在事故停泵与快速关阀过程中的水锤影响。并给出了停泵水锤下两种管道布置形式的水力过渡特性。结果表明：由于管道的安全余量较大，两种布置形式都可以承受水锤最大压力，但是对于水锤最小压力，上行下

12、给供水方式更容易产生负压真空，发生水柱分离。2021年,张铭洋等人以核电厂主给水系统为研究实例,研究了水锤现象的主要成因，在此基础上，对供水系统中的水锤作用进行了数值模拟，并对水锤作用机理进行了探讨。研究发现，在关阀的瞬间，安全壳隔断阀进口的最大压力和最大水锤压力都出现在隔断阀的闭合瞬间，并且随着隔断阀关闭时间缩短，产生的水锤压力也随之增加；在泵停止运行时，水泵出水管及供水系统产生了很大的水锤压力，但经应力计算验证，管系能够承受瞬态力的影响。结合仿真计算的结果，对VVER核电机组主给水系统的设计压力选择、阀门选型、管系应力分析等有关工程问题提出了合理的建议九2022年，UrbanoWiCZ等人

13、在水锤现象的模拟过程中忽略频率相关的水力阻力（表面摩擦）是不可接受的。在刚性壁管（钢、铜等）中发生瞬态液体流动时，该阻力起主要作用。在文献中，至少有两种不同的建模方法。第一组是基于局部和对流速度导数的瞬时变化的模型，第二组是基于卷积积分和流动全历史的模型。到目前为止，比较流行的模型是来自第一组的模型，但是它们的使用需要经验系数。第二组仍然被低估，即使基于良好的理论基础和不需要任何经验系数。这无疑与卷积积分的计算复杂度有关。在这项工作中，进一步验证了这一积分的一个新的改进的有效解决方案，其特点是使用一个简化的加权函数，仅由两个指数项组成。这种方法大大加快了基本流动参数（压力和速度）的数值计算。将

14、新程序的计算结果与实验压力运行进行了比较，表明了所提方法的有效性，并证明其具有足够的精度。1.3 主要研究内容本次研究的题目是给水系统的水锤模拟及防护，主要包括三个部分：（1）对水锤现象做出了简单介绍，然后对水锤基本微分方程及其数值解原理和电算方法做简单的讨论分析。（2）简单介绍FlOWmaSter软件的功能和特点以及软件的计算原理。（3）通过Fk）WmaSter软件对高层建筑的给水系统中不同工况进行仿真模拟，观察系统内水锤发生位置及水锤压力的变化，最后分析做出对水锤的有效防护措施，使整个给水系统能够安全运行。2水锤的防护及其计算基本方程本章首先阐述了水锤现象的发生和防止水击的方法。在此基础上

15、，研究了两种用来计算水击的微分方程：运动学方程和连续方程。2.1 水锤的发生和防护在二次供水封闭的管道内，当水流在极短的时间内，流速突然提高或降低，则会出现水锤压力，它通常由市政停水或阀门、水泵的突然关闭和停止引起，产生的水锤会造成管道中的超压和负压的延伸，因此产生巨大的噪音，甚至系统元件的损坏。从来水水锤和出水水锤两个方面，设置四重防水锤措施。第一，在稳流补偿罐上设置了稳压气压罐，用于防止来水水锤的破坏，当设备突然停机，而市政水还在往设备流动，受到阻力后往市政管道流动并反复震荡。在稳流补偿器上设计PN16稳压气压罐，能够降低来水水锤的危害，当系统内压力升高时，气压罐内气体被压缩，起到吸收压力

16、的作用，当系统内压力降低甚至形成负压发生水柱分离时，进水防水锤用气压罐，可以向系统补水、补压，反复吸收释放，有效防止来水压力反复震荡。第二，在设备总出水管上设置的气压罐，泵后的多功能止回阀和缓闭止回阀，能够使阀门延时缓慢关闭，降低瞬时水锤的压力，保护设备不因瞬时水锤而炸裂，而泵后气压罐能够吸收和释放压力反复震荡，直至压力震荡消失。2.2 水锤基本微分方程式在水击过程中，基本的水击微分方程包括两个部分，一个是运动方程，另一个是连续方程。它是一种较为完整有压管流中非恒定流动规律的数学表达式，是一种波方程口叫2.2.1 水锤的运动方程由图2.1可知：该控制体的截面积为A,厚度为以。一般情况下，A是X的函数,X表示的是任意一点开始计算，到沿着管道位置的距离。图中的