有气阀的长距离输水管道流动特性分析与应用

摘要：长距离输水管道为了补(排)气需要安装气阀，气阀工作时在阀附近的管道内会形成空穴，并且以气阀为中心，上下游管系、空穴和气阀组成一个局部的小系统，形成管系水流特性、空穴参数和过阀气流特性的连续同步变化，并使管内出现振荡流动。本文通过计算实例对过阀气流参数按等熵流动过程计算，空穴参数按等温过程计算，上、下游管系内的水流特性则按非定常流动计算，其计算结果基本符合实际情况。由此得到的过阀气流的质量流量，可用于选择气阀的过流面积，而管系内水流的振荡流动特性，可供管道系统设计、气阀布设安装时参考。

关键词：气阀 输水管道 特性 计算

长距离输水管道在开始输水、停止输水和流量调节的不同工况下，需将管内空气排出或将管外空气补进管内，以便保证管道系统能安全正常输水。所以在管道系统的高点、转弯及辅助装置前后等部位，要安装一定数量的气阀，用以排出和补进空气。而气阀作为兼有容性和惯性装置特性[1]的辅助元件，它的工况受输水管道系统运用特性的制约，反过来它也要影响管道系统的流动特性，结果气阀附近管道内的水流呈现出瞬变流特性，使得阀的边界条件十分复杂。由此给阀的特性参数的计算、选型和布设安装及输水管道系统特性的深入研究等都带来一定困难。正因如此，对装有气阀的输水系统特性全面计算研究实例少见，而又由于这类输水管道内水流的瞬变特性，对气阀流量特性进行试验研究的也不多见。

本文在引黄入晋工程南干线联接段模型试验研究成果的基础上，对气阀工作特性、空穴特性和上、下游管段内水流特性进行数值计算，从试验和计算两方面拓展了这类输水系统及气阀特性的研究工作。试验研究结果已表明，气阀工作时，其附近管系内会产生空穴，使得气阀流量特性、空穴特性及阀上、下游管内水流特性彼此互相联系互相制约，具有明显的非定常流特点。为此在研究计算时，把包括这三部分的管段作为整体，从非定常方程组出发，分别确定气阀，空穴和上、下游管系的边界条件，使计算真正符合这类长距离输水管道运用的实际情况，从而为阀的特性参数的确定，气阀选型及安装位置的确定等工程问题的解决提供实验和计算依据，也为安装有气阀的输水管道水流特性的深入研究提供一个范例。

选型时气阀的流量特性是重要参数，为此在水工模型试验时实测了气阀在排（补）气时的流量特性，并与计算得到的流量特性比较，二者规律基本吻合，这一结果说明：(1)空气通过气阀可视为等熵流动，其质量流量可用流体力学[2]中等熵流动公式计算。(2)穴内空气参数变化满足恒温气体定律，可按此定律进行定量计算。(3)气阀工作时，其上游管内水流量是按正弦规律变化的，这也符合振荡流动的一般规律。安装有气阀的输水管段内的流动是具有瞬变特性的两相流动，可以通过边界条件将它们耦合成一体，不但使气阀的计算更加科学合理，也使这类输水管道水流特性研究进一步深化。

1 有气阀管系的整体特性

安装有气阀的输水管系整体特性包括气阀特性、空穴内气体特性和上、下游管系内水流特性。试验测试和计算都已表明，安装有气阀的输水管系，在气阀不工作时管内是正常有压流动，气阀工作时管内存在空穴，一方面空气通过气阀流入或流出，另一方面还有水流入和流出空穴，结果形成过阀的气流量、空穴体积及空气质量和管系内水流量连续同步变化的非定常流动。所以可通过边界条件将它们耦合成一体，作到既体现它们间的内在联系，也反映出各自不同的特性。因为它们都具有非定常流动特性，在计算时使用一组非定常流方程组为控制方程，而以边界和初始条件体现它们间的差异，使计算结果能反映出各自的特性和相互联系的规律。

1.1 气阀特性 本文主要研究通过气阀的瞬时质量流量的变化规律。根据流体力学[2]理论，安装在长距离输水管道系统中的气阀，其补气和排气过程可视为等熵流动，并可根据气流马赫数的大小，分别按亚声速和临界声速计算质量流量。另外，由于流入和流出时工作参数不同，计算公式也有区别。

1.1.1 过阀气流的压力特性 对于空气这种特定气体，其滞止压力Po，临界压力Pcr都有固定值，但对于一定马赫数的气流，其压力区间也是确定的[2]，即有Pcr/Po=0.528.另外，对于已建成的输水系统，管外大气压力Pa也是已知的，且当流入气阀时有Po=Pa，则可得到下面关系式：

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2.3 边界条件 (1)气阀上游管系流量和压头

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