1、概述

　　重力有壓輸水管道在長距離跨流域大型調(diào)水工程中應(yīng)用得越來越普遍。在管道的不同位置設(shè)置具有不同功能的閥門，可以起到分水、調(diào)流、減壓和排氣等作用。但是閥門關(guān)閉和開啟過程所引起的水錘作用成為輸水管線安全防護問題之一。本文通過應(yīng)用MATLAB語言精確求解水錘方程和優(yōu)化函數(shù)，使長距離多閥輸水管道系統(tǒng)的水錘防護問題從理論研究到實際應(yīng)用都有了進展，提高了生產(chǎn)效率并節(jié)省了人力和物力。

2、水錘計算的數(shù)學模型

　　水錘是流體在管道輸送過程中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象。當壓力管道中的流體在流動過程中因某些原因而產(chǎn)生流速的急劇變化時，由于流體的慣性作用而引起流體的壓力發(fā)生急劇變化，這種現(xiàn)象稱為水錘現(xiàn)象或流體瞬變過程。

　　水錘波動的整個過程是壓力波的產(chǎn)生、傳播、反射、疊加及消失的全部物理過程的總和。在這個過程中，整個系統(tǒng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生水錘的過程即系統(tǒng)從一穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一穩(wěn)定狀態(tài)的過程。水流動量的急劇變化必將導致沖量的變化，根據(jù)動量定理，單位時間內(nèi)動量的變化越大，造成的水流沖擊力也就越大，由此會引發(fā)一系列的水錘事故。

　　水錘產(chǎn)生的壓力變化在不同程度上與管道的長度、斷面積、初始流量(關(guān)閥情況)、最終流量(開閥情況)、壓力波在管道流體中的傳播速度、閥門的操作時間以及操作方式等因素有關(guān)。

2.1、基本方程

　　水錘基本方程式是水力過渡過程分析和計算的基礎(chǔ)，它包含以微分方程式表示的運動方程和連續(xù)方程，反映了在水力過渡過程中水流的流速和水頭的變化規(guī)律，其理論基礎(chǔ)是水流運動的力學規(guī)律和連續(xù)原理。運動方程可表示為

　　式中

　　V———產(chǎn)生水錘時管中的流速，m/s；H———產(chǎn)生水錘時管中的測壓管水頭，m；F———管道摩阻系數(shù)；D———管道直徑，mm；g———重力加速度，m/s2；x———水錘波傳播的距離，m；t———水錘波傳播的時間，s

　　連續(xù)性方程可表示為

　　式中 a———水錘波的傳播速度，m/s

2.2、特征線解法

　　特征線法是將以偏微分方程式表示的水錘基本方程組，轉(zhuǎn)變?yōu)樵谔卣鞣较蛏系娜�微分方程，然后沿特征線進行積分，就可以得到便于數(shù)值處理的有限差分方程，再根據(jù)給定的初始條件，采用帶插值的有限差分進行數(shù)值計算。

　　沿圖1所示的C+和C-特征線，對式(3)和式(4)采用一階近似的有限差分，應(yīng)用圖中A、B、C三點的參數(shù)，可采用線性插值求出R點和S點的流量Q和水頭H值。

圖1 帶插值的特征線網(wǎng)格

　　式中 θ———特征線網(wǎng)格比

　　ξ———插值系數(shù)

2.3、在線調(diào)節(jié)閥邊界條件

　　在線調(diào)節(jié)閥的邊界條件類似于管道中的閥門，只是其開度可隨著閥門下游壓力或流量的變化而調(diào)節(jié)(圖2)，可表示為

圖2 在線調(diào)節(jié)閥邊界條件

　　另外，在應(yīng)用特征線法求解水錘方程的過程中，還涉及到進水池、末端水庫、管道連接點、管道匯流點、分水點和排氣閥等邊界條件。

3、MATLAB語言

　　MATLAB語言用單純循環(huán)配合矩陣向量空間進行編程，提高了程序的運行效率，使程序結(jié)構(gòu)簡單，易于理解。此外，與其他語言相比，MATLAB語言編制的程序可以通過向量化運算，預分配存儲空間以及使用MATLAB加速器的方法來提高程序的執(zhí)行效率。開發(fā)MATLAB程序一般需要經(jīng)歷代碼編寫、調(diào)試、優(yōu)化三個階段(表1)。在MATLAB里編寫的程序可以隨時調(diào)用其自帶的各種函數(shù)及工具箱，生成的結(jié)果可以直接用于優(yōu)化計算。

表1 MATLAB程序的基本結(jié)構(gòu)

4、水錘計算模型

　　山西省萬家寨引黃入晉工程由總干線、南干線、連接段和北干線四部分組成，總長約449km。工程從黃河中上游的萬家寨水庫取水，經(jīng)總干線二座地下泵站提水至申同嘴水庫，期間為壓力流運行，設(shè)有2座地下泵站、4條壓力隧洞。

　　工程北干線1#倒虹(圖3)的進口為1#隧洞末端的豎井出口(樁號43+755.64)，出口為尚希莊水庫(樁號118+480.9)，線路全長74.7km。其間設(shè)有朔州、山陰2個分水口。在朔州分水口(樁號54+215)前設(shè)計流量為9.9m3/s，朔州分水口至山陰分水口(樁號94+000)設(shè)計流量8.3m3/s，山陰分水口以下設(shè)計流量7.7m3/s，均采用內(nèi)徑2.2m的PCCP管輸水。

圖3 北干線1#倒虹布置

　　在主線樁號56+430處設(shè)3臺DN1200的在線調(diào)節(jié)閥(備用1臺)，在朔州支線入口處設(shè)2臺DN1000的在線調(diào)節(jié)閥(備用1臺)，在山陰分水口設(shè)1臺DN400的分水閥，在尚希莊水庫入口設(shè)1臺DN2200的檢修閥。

5、朔州主線調(diào)節(jié)閥關(guān)閥水錘計算

5.1、不考慮水柱分離且無空氣閥的工況

　　1#倒虹主線調(diào)節(jié)閥線性關(guān)閥時間取為360s，分別采用管道中閥門實際過流特性和閥門理論過流特性進行計算，得到1#倒虹主線和朔州支線水力過渡過程壓力包絡(luò)線(圖4和圖5)。

(a)1#倒虹主線壓力包絡(luò)線 (b)朔州支線壓力包絡(luò)線

圖4 不考慮水柱分離且無空氣閥時閥門實際過流特性

(a)1#倒虹主線壓力包絡(luò)線 (b)朔州支線壓力包絡(luò)線

圖5 不考慮水柱分離且無空氣閥時閥門理論過流特性

　　從圖4、5可以看出，關(guān)閥水錘過程中，1#豎井進口至主線閥管段的最大水錘壓力均低于該管段的靜水壓力+0.4MPa，其余管段的最大水錘壓力與該管段對應(yīng)的恒定流壓力也不超過0.4MPa。主線調(diào)節(jié)閥前管段中無負壓出現(xiàn)，主線調(diào)節(jié)閥后點有汽化壓力出現(xiàn)。

5.2、考慮水柱分離且?guī)Э諝忾y的工況

　　1#倒虹主線調(diào)節(jié)閥線性關(guān)閥時間取為360s，分別采用管道中閥門實際過流特性和閥門理論過流特性進行計算，得到1#倒虹主線和朔州支線水力過渡過程壓力包絡(luò)線(圖6和圖7)。

(a)1#倒虹主線壓力包絡(luò)線 (b)朔州支線壓力包絡(luò)線

圖6 考慮水柱分離且有空氣閥時閥門實際過流特性

(a)1#倒虹主線壓力包絡(luò)線 (b)朔州支線壓力包絡(luò)線

圖7 考慮水柱分離且有空氣閥時閥門理論過流特性

　　從圖6和圖7可以看出，關(guān)閥水錘過程中，1#豎井進口至主線閥管段的最大水錘壓力均低于該管段的靜水壓力+0.4MPa，其余管段的最大水錘壓力與該管段對應(yīng)的恒定流壓力也不超過0.4MPa。由于空氣閥的補氣作用，管線各點均無汽化壓力出現(xiàn)。

6、結(jié)語

　　在對重力有壓輸水系統(tǒng)主線調(diào)節(jié)閥關(guān)閥水錘計算和MATLAB平臺應(yīng)用的機理進行研究的基礎(chǔ)上，通過編程對萬家寨引黃入晉工程北干線1#倒虹朔州主線調(diào)節(jié)閥關(guān)閉水錘進行了計算。水錘程序編寫過程中涉及到管道分支、支線計算、調(diào)節(jié)閥邊界條件、空氣閥邊界條件以及水柱分離等復雜工況條件。將現(xiàn)代的計算工具與傳統(tǒng)的水錘計算相結(jié)合，可以經(jīng)濟合理方便快捷的采取防護措施，科學有效地控制水錘過程。