2.2 水力暂态工况水力计算分析

以初始恒定流工况的计算结果作为初始条件，分别在管线末端阀门10_s快速关阀、500_s线性关阀、两阶段关阀(50_s关度为80%，500_s关度为100%)3种情况条件下，对输水管线水力暂态工况进行计算分析。

计算步长为0.01_s，波速为950.67一1016.42m/s总分析时间长度为1500_s模拟计算成果见图2~7。

图2  10_s快速关阀水力暂态过程空腔体积

图3  10_s快速关阀水力暂态过程水力线

图4  500_s线性关阀水力暂态过程空腔体积

图5   500_s线性关阀水力暂态过程水力线

由图2~3可知，10_s快速关阀条件下，最大水压发生在K24+245.69处，水压峰值为1.69MPa，最大升压比为7.0，由于分水口的分流作用，在K10+784. 06分水口出现台阶段，上台阶水力线高程在400~405m之间，下台阶水力线高程在436~451m之间，由于关阀时间短，引起支线流量减小快，故产生了明显的负压，形成的空腔体积最大为5.0m³，模拟过程中发现空腔消失后产生了明显的弥合水锤，弥合水锤弥补了水锤波在传递过程中的衰减作用，导致上下台阶处的水锤波线坡度平缓。

图6两阶段关阀过程空腔体积

图7两阶段关阀过程水力线

由图4~5可知，500_s线性关闭阀条件下，水压峰值为1.15MPa，最大升压比为4.52，水力暂态过程中一直未出现负压区，台阶段变得不明显，水锤波在传递过程中的衰减明显，但最大水压仍超过管道设计承压能力。

由图6~7可知，两阶段关阀(50_s关度为80%,500_s关度为100%)时，升压幅度不大，水压峰值仅为0.69MPa，最大升压比为2.56，水力暂态过程中一直未出现负压区，台阶段消失，最大水压满足管道设计承压能力。

关阀时间从10_s增加到500_s，水锤压力幅值降低了31.9%，可见线性关阀条件下水压峰值随关阀时间的延长而降低。

两阶段关阀(50s关度为80%,500_s关度为100%)与10_s线性关阀比较，水压幅值降低了约59.2%，可见两阶段关阀对降低水锤压强峰值作用更为显著。

在快速关阀下，由于关阀时间s最早由阀门处产生的水击波在阀门完全关闭时尚未反射回到阀门断面，此时阀门断面上就会产生直击水锤，理论最大水锤升压为此时管道产生的升压值最大。

在线性关阀阶段，阀门以匀速关闭，当关闭时间大于一个水锤传播周相时，水锤升压被明显削弱，但在阀门完全关闭前较短时间内将产生较大的流速变化，从而导致关阀瞬间发生较大水锤波动。两阶段关阀模式中，快关阶段阀门产生的阻力损失占整个管路水头损失比例较小，所引起的水流流速变化小，因此产生的水锤压力不大，关阀过程中阀门上下游的水锤波相互影响，在快关阶段阀后产生的降压波削弱了水锤压力峰值，杨玉思等认为这是管路关阀水锤的一个重要特征。慢关阶段阀门以极其缓慢的速度关闭余下的行程，由于压力变化与流速变化是正比关系，因此慢关必然会使得流速变化的增量减小，这样水管道的压力变化就被限制在一定允许的范围之内。

通过对3种关阀模式水锤效应的比较，可以认为两阶段关阀是管道末端阀门的最佳关闭方式。

3 结论

(1)管线末端关阀方式中线性关阀水压峰值增加幅度随阀门关闭时间增长而减小，但线性关阀产生的瞬间水锤压力均超过管道最大承压能力。长此以往，势必存在爆管的可能。

(2)模拟结果表明可控制的两阶段关阀是管线末端阀的最佳选择。在相同关阀时间内，两阶段关阀较线性关阀模式可以大幅度降低水锤升压峰值，提高输水管道运行的安全性。