输水管道内水柱分离-弥合水锤的三维数值模拟及实验研究

Water hammer following the column separation and cavity collapse is one principal cause for the pipeline failure and even damage accidents. For several decades, the phenomenon of pressure surge together with column separation has been described experimentally and theoretically by many authors. Due to the limitations of conditions and techniques, the exsiting simulations are almost based on the one-dimensional theory while the experimental investigations are always described in one-dimensional view. However, the effect of water gravity in radial direction could not be neglected when the working pressure drops down to the vapour pressure. And during the column separation, the flow patterns with cavity show obviously three-dimensional(3D) characteristics. Consequently, the 3D method is more accurate and effective to explore the mechanism of the phenomena. The flow transients with column separation in water pipelines are presented experimentally and analytically in this project study. The three-dimensional model and high-speed high-solution camera video are introduced to investigate the hydraulic condition for column separation and the dynamic characteristics of the cavities during the occurrence-development-collapse process. The influences of pipe diameter, cavity volume, duration of column separation, air release on the water hammer resulting from cavity collapse are presented. The mechanism and interaction of multiple column separations also are conducted here. All above work is significant and practical for the design, project cost and operation safety in hydraulic systems.

水柱分离-弥合水锤是导致输水管道破坏事故的主要原因之一，几十年来，国内外学者对其进行了大量的计算分析和实验研究，但因技术条件限制，至今已有的研究成果均基于一维瞬变流理论体系以及一维瞬变现象观测分析视角。实际上，当管内水压为负压时，管径尺度上的水体自重静压已达到不可忽视的相对量值；且在管内发生水体分离及再弥合过程中，空穴体形和水体局部流场的对应变化均呈现出明显的三维瞬变特征。因此，对于管内水柱分离-弥合水锤，采用三维理论和方法，才能更精细准确地揭示其复杂现象本质。本项目拟通过理论推导建模、三维数值模拟以及基于高速摄影-图像处理的实验观测分析，探索空穴形成-发展-溃灭过程的三维动态特征、动力特性及其形成机理，建立管径、最大空穴、水柱分离速度、气体释放等对弥合水锤压力的影响关系，并研究管沿线多处发生水柱分离-弥合时的相互作用规律。这对输水管道系统的优化设计和安全运行具有重要的理论意义和实用价值。

输水管道系统内常会发生水柱分离-弥合水锤现象，由此产生异常压力波动极可能造成管道破坏事故。至今已有的研究成果均基于一维瞬变流理论体系以及一维瞬态现象观测分析视角。实际上，在管内水体发生分离、弥合的过程中，空穴体积和水体局部流场的相应变化均呈现出明显的三维瞬变特征。本项目研制和搭建了高分辨率自动量测系统实验台，完成了输水管道系统内水柱分离-弥合现象的实验研究；并采用理论分析、数值计算和实验观测相结合的技术路线，系统研究了输水管道内空穴形成-发展-溃灭过程的三维动态特征、动力特性及其形成机理；建立水柱分离-弥合水锤的多维仿真计算模型和数值模拟方法。.（1）搭建了“输水管道内水柱分离-弥合水锤现象”的可视化实验平台。借助高速高清摄像机、高强度的有机透明管道、高精度压力采集及数据处理系统，实现了空穴形成-发展-溃灭过程的可视化分析；可系统研究管道参数和边界条件对水柱分离-弥合现象的作用规律。.（2）建立和完善输水管道内水柱分离-弥合水锤的多维仿真计算数学模型。基于计算流体动力学建模，实现了输水管道中发生水柱分离-弥合水锤过程中空穴的动态变化、体积及位置，管道内压力分布等的二维、三维模拟，这是一维模型无法做到的。.（3）揭示了管内空穴形成-发展-溃灭过程的动态特征、动力特性及其形成机理。联合高精度的可视化实验观测手段和多维度数值模拟方法，对管道内水柱分离-弥合现象进行细致的研究分析，从而揭示了其发生过程中空穴的动态特性。.（4）系统研究了管长、初始流速、入口压力等不同参数和条件对水柱分离现象的影响规律研究。.基于对此课题的深入研究，增加了两个具有实际意义的研究内容：.（5）建立一维有限体积法的水柱分离模型，克服了已有的一维特征线法的水柱分离模型的不足（插值误差、不真实的压力峰值等），此模型将在实际输水管道系统中有很好的应用前景；.（6）揭示了输水管线快速填充时滞留气团所引起的负压、异常高压等现象的发生机理及各参数的相互作用规律。.依托本项目，培养博士1名（在读）、硕士2名（毕业、在读各1名）；发表（含录用）期刊论文19篇，其中SCI源期刊论文8篇（7篇于JCR一区）；开展国际合作交流4项或次；参加国际、国内相关学术会议交流6次；承担相关研究的横向科研项目3项（总经费46.8万元）。另有4篇论文已投和待投至SCI源期刊，申请发明专利3项（受理）。取得了较好的社会经济效益。.