空气阀水-气动态特性三维模拟与实验研究

As the important water hammer protection for pressurized pipeline, air valve has been widely used in long-distance water supply projects. The existing achievements for air valve are almost based on the one-dimensional transients flow theory and static performance perspective, resulting in the present mathematic model lack of reliability, and leaving hidden danger to water supply projects. However, when hydraulic transients happen, the transient process of air admission and release from air valve is very complex. And the air valve performs dynamic characteristics under water-air coupling effect. The research aims to systematically investigate the water-air dynamic characteristics of air valve during the transient process, including air admission-air expansion-local air-water two phase flow-air compression-air release. The water-air thermodynamic properties, dynamic air admission and release coefficients, and change law are conducted by using theoretical analysis, numerical simulations and laboratory experiments. The three-dimensional (3D) mathematic model and corresponding numerical computation method of air valve are established to give more accurate 3D dynamic characteristics. Based on the water-air dynamic characteristics from the results of model test and numerical simulation, a new mathematical model for air valve applied in method of characteristic is established. The study is of great value for perfect the water hammer protection system in long-distance water supply projects.

空气阀作为长距离输水工程中一种重要的水锤防护措施，广泛应用于实践中。目前对于空气阀的研究成果，大多基于一维瞬变流理论体系及静态特性视角，由此建立的数学模型将影响计算结果的可靠性，为输水工程的安全运行埋下隐患。实际上，当系统发生过渡过程时，空气阀的进、排气过程是一个复杂的动态瞬变过程，水-气耦合作用下的空气阀呈现动态的特性。本项目拟采取理论推导建模、三维数值模拟以及模型实验相结合的方法，深入探索空气阀进气-气体膨胀-局部气液两相流-气体压缩-排气整个瞬变过程中的水-气动态特征，得出其热力学特性、进排气系数的动态特性及不同空气阀直径对动态特性的影响规律；建立空气阀三维CFD仿真模型及其数值计算方法，精细模拟空气阀水-气三维动态特征；结合模型实验及数值仿真结果，建立基于空气阀水-气动态特性的适用于特征线法的新空气阀数学模型。本研究对完善长距离输水工程安全防护措施体系具有重要的理论意义和实用价值。

空气阀作为一种重要的水锤防护措施，广泛应用于长距离输水工程实践中。水力过渡过程中，其进、排气过程尤为复杂，深入认识空气阀的进、排气瞬变特性是建立正确数学模型的基础，是精准预测水锤防护性能，保障长距离输供水工程运行安全的关键。本项目采用理论分析及推导、数值模拟以及基于高速摄影-图像处理系统的实验观测分析等相结合的技术路线，改进和建立了基于空气阀水-气动态特性的新空气阀模型，已按计划完成项目研究工作。受本项目资助，取得的主要成果包括：1）完成了长距离输水系统空气阀进排气过程的实验观测，揭示空气阀进、排气整个瞬态过程中的气体热力学动态特性和其变化规律，为数学模型的建立奠定了基础。2）基于一维过渡过程数学模型与三维CFD技术，开发了输水管道空气阀1D-3D单向耦合的数值计算模型和方法。3）建立了考虑水-气动态特性的新空气阀水力过渡过程一维数学模型，模拟了水泵抽水断电工况下，新空气阀模型的进排气现象，并将新空气阀模型推广应用于真空破坏阀数学模型的建立之中。上述研究成果发表9篇标注论文，其中SCI检索5篇（含Top期刊论文1篇），EI论文1篇；以第一发明人授权发明专利2项；获得2019年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）进步奖一等奖，个人排名第5，2019年度江苏省科学技术奖一等奖，个人排名第7；同时获得河海大学“大禹学者”称号。