管道充放水过程水气两相瞬变流研究综述

2020-01-18范家瑞王玲花胡建永

浙江水利水电学院学报 2020年2期

范家瑞，王玲花，胡建永

(1.华北水利水电大学电力学院，河南郑州 450000;2.浙江水利水电学院水利与海洋工程研究所，浙江杭州 310018)

0 引言

由于我国水资源时空分布不均，社会的发展对水资源的需求也日益增加，为了解决水源的供需问题，近年来我国建设了一大批输水工程，如南水北调工程、辽宁大伙房水库输水工程、上海青草沙输水工程等，而有压管道输水是其中主要的输水方式之一[1-2]。大中型长距离输水工程具有线路长、支线多、地势起伏大等特点，输水系统中有压管道充放水过程涉及十分复杂的水气两相瞬变流动。充放水是输水系统运行的必要程序，在输水工程首次投运和运行检修时，需对输水系统进行充水或放水操作，其充放水周期往往需要十几天甚至几十天才能完成。充放水周期的长短与充放水流速的快慢有关，充放水流速快可以缩短充放水周期，但流速过快会因压力、流量剧烈波动造成管道破坏；充放水流速慢可以避免因水击而造成的破坏，但会导致充放水周期长、经济性差，因此研究有压输水系统充放水过程中水气两相瞬变流的运动特性，对输水工程的运行调度和安全将起到重大作用[3-7]。

1 管道充放水流速研究

有压管道输水工程首次投运或运行检修后，采用小流量充水原则对管道进行充水可以减小管道发生水击破坏的几率以及管路进、排气设施的规模。如果以满管流速0.3 m/s或更小的流速对管道充水，将不会发生因水锤而造成的管路破坏；为尽量减少管内滞留气体以及避免发生水锤，充水速度在任何情况下都不应超过0.6 m/s[8]。郑源等[9]对长距离有压管道充放水过程采取了对整个管道进行分段处理、依次充放水的策略，对每一段管道建立了圆形管道内水体体积与水深关系的数学模型，并对某一实际工程在不同充水流量和放水流量条件下，计算各个管段气体压力的变化情况，结果表明，充、放水的流量越大，对应管段的气体压力分别越大、越小；在满足管道安全性的前提下，为了缩短充放水周期，应采取较大的充水流量和放水流量。薛超等[10]在一定充水流量、不同放水流量的条件下对有压管道充放水过程中气体压力变化进行了数值计算，结果表明小流量充水，管道内气体压力波动较小，不会对管道造成破坏；放水流量大会导致气体压力骤降而损害管道。曹命凯等[11]在分段充水的策略下，对不同充水流量及空气阀间距下的管道内部各个特征点的气体压强变化进行了计算，并指出各个特征点的气体压强会随着充水流量和空气阀间距的变大而变大，管道也更危险。李飞等[12]分析研究了万家寨引水北干线的1#有压倒虹吸管道工程在不同充水流量下沿程控制点的充水时间，并建议采用小流量充水且应在管道进口控制充水流量。范建强[13]通过对管道充水流量、管道排气、充水段长等问题进行研究，为大伙房水库输水(二期)工程制定了分11段的小流量充水方案，并指出充水周期随着充水流量的增大而减小，但管内气体压力随之增大。

2 管道进排气研究

有压输水管道中空气的来源主要是水流自身溶解的空气和某些非正常运行工况下由外界混入管内的空气。由于供水系统运行工况多变，管道内水流流态复杂，大致有气泡流、团状流、层状流、波状流、段塞流、环状流及雾状流等多种流态[14]。在充放水过程中，为避免管道内外压力不平衡，因此通常在管线驼峰处、长直管道等地方设置空气阀[15-17]，在管道充水时排气，放水时补气。近年来，国内外对有压管道充放水过程中的空气阀进排气特性及空气阀的设置进行了研究[18-19]。Lee等[20]对空气阀进排气流量系数与管道压力波动的关系进行了研究，发现在管道驼峰处布置空气阀且在较大流入流量系数下，可有效控制管路中的负压，但是较大的流出流量系数会导致管路中的正压增大。胡建永等[21-22]基于空气动力学方程推导了空气阀的数学模型，通过对空气阀水锤防护实例分析，指出不同的空气阀进排气系数对水锤防护效果和空气阀的进排气特性有显著影响；随后又在管道充放水的工况下，依据等体积原则推导了空气阀进排气孔口尺寸的理论计算方法，并指出经验取值与理论分析得出的空气阀设置方案相互之间存在明显差异，理论分析得到的空气阀进排气孔口直径比经验法取值更小。沈金娟[23]通过对比分析不同压差下的空气阀进排气流量数值计算结果和实测数据,指出当空气阀内外压差变化时其进排气流量系数也是随之变化的，采用固定的空气阀进排气流量系数会影响水锤防护研究结果。张建等[24]通过理论分析明确了空气阀设置数量、位置、间距与管道布置的关系，给出了长距离输水管道中多个串联空气阀布置应满足的关系式，并讨论了其适用范围及影响因素，为工程中空气阀设置及应用提供了理论依据。李菊先等[25]通过分析压力管道充放水及正常运行过程的水流流态，提出应该按照区别对待、小流量充水和空气阀类型及其任务相一致原则和设置方法对空气阀进行设置。郑兴兴等[26]建议将空气阀布置在管道末端，与设置在管道前端起主防护作用的其它补水措施形成联合防护。王玲等[27]建立了空管充水过程中空气阀的数学模型，并结合改进牛顿迭代法与直接求解法，提出了一种求解空气阀模型的计算方法，分析了各类空气阀在弯曲管道空管充水过程中的水锤防护效果。

3 充放水过程数值计算方法研究

有压输水管道充放水过程中涉及复杂的非恒定的水气两相瞬变流，水流从无压流变为明满交替流，最后形成有压流。目前充放水过程非恒定流计算主要是采用一维数值模拟进行计算研究。WYLIE等[28]研究了瞬变流发生与发展的机理，利用基本偏微分方程对复杂有压输水管道系统内部的非恒定流动进行分析，并提出了特征线法。BROWN[29]提出了离散数学模型，并认为附着在管道各个计算断面上的气泡随压力的变化膨胀规律符合理想气体状态方程，但在两个计算断面之间的管道水流中不含气体。在一维计算模型中，可采用特征线法对充满水的部位进行计算，而水气交界面的部位则需专门的计算模型，其中应用较多的管道充放水过程瞬变流计算模型是刚性模型和弹性模型[30]。PRIESSMANN[31]提出的“PREISSMANN窄缝法”是一种计算明满交替水流的弹性水柱模型，该方法假设管顶有一条非常窄的缝隙，将明渠无压流动和有压管道流动的控制方程有机地统一为圣维南方程。Leon等[32-33]采用二阶戈杜诺夫法求解了圣维南方程，这个改进的窄缝法具有较好的计算稳定性能，能有效模拟有压管道中出现的负压，但在处理高波速计算的问题上还存在不足；随后又提出了对圣维南方程和有压流控制方程分别求解的两方程湍流模型，该模型既可以有效预测管道负压，又能处理管道高波速情况。HOU等[34]采用光滑粒子法(SPH)对管道充水过程弹性模型进行求解，结果发现光滑粒子法模拟计算的结果比刚性水柱模型和盒子差分格式法的结果更接近试验结果。MALEKPOUR等[35]采用特征线法计算了弹性水柱模型，并建立的管道充水过程的数值模型，成功预测了弯曲管道在充水时可能出现的水柱分离现象。ZHOU等[36]采用界面追踪法对含有气团的充水管道的弹性水柱模型进行计算，发现弹性水柱模型预测的压力最大值与实验测量值更为吻合。杨开林[37-38]提出“虚拟流量法”的理念，并将该方法实用于万家寨引黄入晋工程，解决了隧洞初始无水条件的计算问题；杨敏[39]等在明渠非恒定流的运动方程和连续方程的基础上,结合preissmann四点隐式差分格式及虚拟流量法,对有压管道充水过程进行了数值模拟计算。郭永鑫等[40]分析了有压输水管道缓慢充水过程中水气两相瞬变流的动态特性，建立描述管道充水过程的水气两相瞬变流控制方程，并利用南水北调工程北京西四环暗涵充水试验数据进行了验证，结果表明该数值模型能够模拟“V”形有压输水管道缓慢充水过程中管内水气两相瞬态变化过程。蒋劲等[41]用改进的两相传质模型推导了气液两相瞬态流动的流体守恒方程，并采用矢通量分裂法进行方程离散，分析了管道内液柱分离瞬态过程，同时通过关阀水锤和水平管路水泵抽水断电两个试验，验证了模型的适用性和准确性。

有压管道三维水气两相瞬变流动特性十分复杂，相对于一维数值模拟而言，三维数值模拟能够更为直观、准确的将水气两相流态反映出来。现有研究对有压管道水气两相瞬变流进行三维数值模拟多采用VOF(volume of fluid)模型。VOF模型由HIRt和NICHOLS[42]提出，它是一种在固定欧拉网格下的表面跟踪方法，适用于计算空气和水这样不能互相掺混的流体流动，其基本原理是通过研究网格单元中流体和网格体积比函数F来确定自由面，追踪流体的变化。冯磊等[43]采用VOF模型对管内的水气两相瞬变流进行数值模拟，发现管道充水过程中流体呈现泡状流、波状流、塞状流、弹状流以及分层流多种水气两相瞬变流动形式，而且由于水气两相之间的相互作用以及摩擦系数增大的原因，水气两相流动造成的能量损失大于单相流动的能量损失，其中液相体积分数经历了线性增长、无规律增长直至不再增长这3个时期。王祺来等[44]利用VOF模型和标准k-ε湍流模型建立求解起伏管道气液两相瞬变流问题的数学模型，对含滞止气囊情况下V型起伏管道充水过程的水气两相瞬变流进行了三维数值模拟。严继松等[45]基于fluent软件中的VOF多相流模型，选用PISO算法对离散方程进行压力-速度耦合，对管道系统的充水流态进行计算与分析，并建议采用小流量充水原则来降低管道内气体压力的强烈变化。袁文麒等[46]利用VOF模型对有压管道充水过程的水气两相瞬变流进行数值模拟，建立了管道充水过程液相体积分数与时间的数学模型，并对水气两相流在管道中的流动特性、能量损耗进行了分析。ZHOU等[47]采用VOF模型模拟含了有气囊的有压管道充水过程，并指出在管道充水过程中水气交界面运动不规则，底部管壁附近的水柱最先到达管道尾部并且会产生水跃。

4 充放水物理模型试验研究

近年来，国内外学者围绕有压管道充放水过程做了相关的试验研究。OSCAR E[48]等建立了包含水流速度、水柱长度、空气密度、气囊的绝对压力、空气流量等参数的供水管网放水数学模型，该模型能够计算空气阀的口径和排水阀的开启规律，同时针对倾斜的直管道与起伏管道进行了放水过程的试验研究，并结合实际算例对模型进行了验证。CIRO等[49]对倾斜度为30°的管道进行了模拟起伏管道的充水试验，在管路高点安装有用于通风的孔，以便模拟供气管道中高点处的空气阀，并通过改变阀口直径、上下阀门开度来分析它们对压力瞬态的影响,提出了预测管道快速充水过程中最大压力波动的标准。BALACCO G等[50]对管道倾角分别为11°、22°以及30°的不同管道布置形式，在不同边界条件下开展了管道充水过程空气阀动态特性研究，试验表明在管道末端阀门全部关闭时空气阀口径变化对管道最大压力影响显著，在末端阀门不完全关闭时空气阀口径变化对管道最大压力影响较小；在管道倾角较小时空气阀口径变化对管道最大压力影响较大。VASCONCELOS和WRIGHT[51]在对不同口径的管道进行了充水试验后发现截留空气对充水水柱前缘的形态有直接影响，且充水过程中可能产生水跃现象。郭永鑫等[52]对南水北调中线北京西四环暗涵某段管线在充水工况下进行模型试验，结合试验数据分析了原型管道充水过程中滞留气团对输水能力的影响，认为在布置通气孔的实际工程中，管道滞留气团不会构成对管道输水能力造成影响。JANEK等[53]分别对直径—长度比为1 ∶1 100的水平和桥型PVC管道放水过程中流动的水气交界面前缘的动态进行了试验和理论研究。结果发现，在水平管道部分被压缩空气排空时，主要产生自由表面分层流，水柱总质量损失的90%左右是由于管道排空时的流出造成的，10%是由尾部泄漏引起。在两相非定常流动中，当水柱具有最小加速度时，zukoski无量纲数Zu接近临界值(0.5)。HOU等[54]对大型管道快速充水过程中的两相加压运动特性进行了详细的试验研究，发现前导水体前缘没有完全填满管道横截面且水流发生分层和混合。