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1、在城市给水管网中，水锤现象是一个非常重要的因素，它直接关系到给水管网的安全运行。水锤具有很强的破坏力，因为它会使管线内的压力增加数倍乃至数十倍，造成爆管，严重地危害了人们的生产与生活。水锤的防护措施应从设计过程就开始加强，需要对可能发生水锤的情况进行研究分析，这样不仅可以很好的选择最佳方案，还能有效的提高系统的安全性和可靠性。就目前对于水锤现象的分析来看，主要就是运用数值模拟的方法，判断出水锤发生的位置及其剧烈程度，再结合系统对水锤现象做出合理有效防护。本文将首先介绍水锤计算基本方程式及其数值解法，为后续的给水系统模拟做有力的理论支撑，然后通过Flowmaster软件对高层建筑生活给水系统中不
2、同工况的水锤现象进行模拟，观察系统内水锤发生位置及水锤压力的变化，最后分析做出对水锤的有效防护措施，使整个给水系统能够安全运行。关键词：给水管网；水锤现象；数值模拟；安全运行论文类型：工程设计AbstractWaterhammerphenomenonisaveryimportantfactorintheurbanwatersupplynetwork,whichisdirectlyrelatedtothesafeoperationofthewatersupplynetwork.Waterhammerhasastrongdestructivepower,becauseitwillmakethepr
3、essureinthepipelineincreaseseveraltimesoreventensoftimes,resultinginpipeexplosion,seriouslyendangerpeoplesproductionandlife.Theprotectionmeasuresofwaterhammershouldbestrengthenedfromthedesignprocess.Itisnecessarytostudyandanalyzethepossiblesituationofwaterhammer.Inthisway,notonlythebestschemecanbese
4、lected,butalsothesafetyandreliabilityofthesystemcanbeeffectivelyimproved.Inviewofthecurrentanalysisofwaterhammerphenomenon,themainmethodistousenumericalsimulationtojudgethelocationandseverityofwaterhammer,andthencombinethesystemtomakereasonableandeffectiveprotectionagainstwaterhammerphenomenon.Thisp
5、aperwillfirstintroducethebasicequationofwaterhammercalculationanditsnumericalsolutiontoprovideastrongtheoreticalsupportforthesubsequentsimulationofwatersupplysystem,andthensimulatethephenomenonofwaterhammerindifferentworkingconditionsinthedomesticwatersupplysystemofhigh-risebuildingsbyFlowmastersoft
6、ware,andobservethechangesofthelocationandpressureofwaterhammerinthesystem.Finally,theeffectiveprotectionmeasuresforwaterhammerareanalyzedtomakethewholewatersupplysystemrunsafely.KeyWords：watersupplynetwork;Waterhammerphenomenon;numericalsimulation;Safeoperation摘要2Abstract31绪论11.1 水锤现象的研究背景和目的11.2 国内
7、外水锤现象的研究现状113主要研究内容22水锤的防护及其计算基本方程32.1 水锤的发生和防护32.2 水锤基本微分方程式32.2.1 水锤的运动方程32.2.2 水锤的连续方程53软件介绍及水锤数值解法93.1 Flowmaster软件介绍93.2 水锤数值解法93.2.1 特征线方程式93.2.2 有限差分方程114给水系统水锤的模拟计算154.1 给水系统的模型建立154.2 无水锤保护的仿真模拟174.2.1 计算管道的承压184.2.2 球阀20开度变化的模拟184.2.3 球阀36开度变化的模拟204.2.4 球阀1开度变化的模拟224.2.5 水泵停止工作的模拟224.3 水锤的
8、防护234.3.1 设置气压罐的水锤防护244.3.2 设置膨胀水箱的水锤防护264.3.3 延时关闭阀门274.3.4 设置缓闭蝶阀28结论32参考文献33致谢341绪论1.1 水锤现象的研究背景和目的所谓水锤现象，是指在压力管道系统中，由于闸或阀的误操作、泵机组的意外断电、进出水池水位的大突变等意外事件以及水泵机组的非正常启停等原因，造成管道内流速剧烈变化，从而引起动量交换，致使水体冲量改变，对管壁、水泵以及阀门等附件产生巨大的冲击力，在水体惯性和可压缩性、管壁弹性以及系统阻力作用下，管道内水的压力和密度不断交替变化，直至稳定的这一水力过渡过程状态。常见的给水管道系统，如高层建筑供水系统中
9、伴随着水锤现象，而由于水锤现象这个过程发生的时间较短，因此管道系统对于压力的承受能力存在较大的考验，存在水流与水流、水流与管道壁面进行撞击而产生的振动和噪声现象，严重时会造成爆管事故，危害工作人员和财产安全。在给水管道系统中，水锤现象的存在会对阀门产生破环，影响阀门的正常运行。水龙头是常见的一种阀门，当用户在使用水龙头时，水流在水龙头的阀芯位置处过流断面减小，导致在此处流速增大，压力减小。在压力逐渐减小的过程中，当压力降到一定程度时，就会发生从液态到气态的转变，这就是所谓的气化。在水流流过阀芯之后，因为过流截面面积增大，所以流速增加，压力也会逐渐恢复，在这个过程中，压力会逐步升高到液体的饱和蒸
10、汽压之上，原本空化的气体又会转变成液体。在这个过程中，因为空泡的破碎，会释放出巨大的能量，所以在这短短的一段时间里，许多空泡一起破碎，就会形成一种冲击，冲击的压力是普通工作压力的一千倍。水龙头在该压力的作用下发生形变，在此过程的反复之下，水龙头一次次的发生疲劳破坏，最终产生破损，影响压力供水管道的正常运行。供水系统中的水锤现象导致了液压状态和压强波动的产生，对供水系统的正常运行有很大的影响。所以，各个学者都在致力于对给水系统中的水锤进行研究，从而得到给水系统中的水压状态以及压力的波动，来削弱或消除水锤对给水系统所造成的损害。其中，数值模拟技术因可以节省大量的时间、财力、物力，而且能够满足计算精
11、度的要求，因此得到广泛应用。1.2 国内外水锤现象的研究现状2022年，吴磊以核电机组主给水系统为研究对象，研究了水泵启动、事故停运、正常停运以及给水泵出口主关断阀事故关闭四种情况下管道内压力、流量和波动力的变化情况。计算结果表明，给水泵事故停运工况水锤力对管系影响最为恶劣，应采取相关措施以保证给水系统安全运行。2021年,赵永亮以高层建筑给水系统中上行下给与下行上给管道布置形式为研究对象,分析两种管道布置形式在事故停泵与快速关阀过程中的水锤影响。并给出了停泵水锤下两种管道布置形式的水力过渡特性。结果表明：由于管道的安全余量较大，两种布置形式都可以承受水锤最大压力，但是对于水锤最小压力，上行下
12、给供水方式更容易产生负压真空，发生水柱分离。2021年,张铭洋等人以核电厂主给水系统为研究实例,研究了水锤现象的主要成因，在此基础上，对供水系统中的水锤作用进行了数值模拟，并对水锤作用机理进行了探讨。研究发现，在关阀的瞬间，安全壳隔断阀进口的最大压力和最大水锤压力都出现在隔断阀的闭合瞬间，并且随着隔断阀关闭时间缩短，产生的水锤压力也随之增加；在泵停止运行时，水泵出水管及供水系统产生了很大的水锤压力，但经应力计算验证，管系能够承受瞬态力的影响。结合仿真计算的结果，对VVER核电机组主给水系统的设计压力选择、阀门选型、管系应力分析等有关工程问题提出了合理的建议九2022年，UrbanoWiCZ等人
13、在水锤现象的模拟过程中忽略频率相关的水力阻力（表面摩擦）是不可接受的。在刚性壁管（钢、铜等）中发生瞬态液体流动时，该阻力起主要作用。在文献中，至少有两种不同的建模方法。第一组是基于局部和对流速度导数的瞬时变化的模型，第二组是基于卷积积分和流动全历史的模型。到目前为止，比较流行的模型是来自第一组的模型，但是它们的使用需要经验系数。第二组仍然被低估，即使基于良好的理论基础和不需要任何经验系数。这无疑与卷积积分的计算复杂度有关。在这项工作中，进一步验证了这一积分的一个新的改进的有效解决方案，其特点是使用一个简化的加权函数，仅由两个指数项组成。这种方法大大加快了基本流动参数（压力和速度）的数值计算。将
14、新程序的计算结果与实验压力运行进行了比较，表明了所提方法的有效性，并证明其具有足够的精度。1.3 主要研究内容本次研究的题目是给水系统的水锤模拟及防护，主要包括三个部分：（1）对水锤现象做出了简单介绍，然后对水锤基本微分方程及其数值解原理和电算方法做简单的讨论分析。（2）简单介绍FlOWmaSter软件的功能和特点以及软件的计算原理。（3）通过Fk）WmaSter软件对高层建筑的给水系统中不同工况进行仿真模拟，观察系统内水锤发生位置及水锤压力的变化，最后分析做出对水锤的有效防护措施，使整个给水系统能够安全运行。2水锤的防护及其计算基本方程本章首先阐述了水锤现象的发生和防止水击的方法。在此基础上
15、，研究了两种用来计算水击的微分方程：运动学方程和连续方程。2.1 水锤的发生和防护在二次供水封闭的管道内，当水流在极短的时间内，流速突然提高或降低，则会出现水锤压力，它通常由市政停水或阀门、水泵的突然关闭和停止引起，产生的水锤会造成管道中的超压和负压的延伸，因此产生巨大的噪音，甚至系统元件的损坏。从来水水锤和出水水锤两个方面，设置四重防水锤措施。第一，在稳流补偿罐上设置了稳压气压罐，用于防止来水水锤的破坏，当设备突然停机，而市政水还在往设备流动，受到阻力后往市政管道流动并反复震荡。在稳流补偿器上设计PN16稳压气压罐，能够降低来水水锤的危害，当系统内压力升高时，气压罐内气体被压缩，起到吸收压力
16、的作用，当系统内压力降低甚至形成负压发生水柱分离时，进水防水锤用气压罐，可以向系统补水、补压，反复吸收释放，有效防止来水压力反复震荡。第二，在设备总出水管上设置的气压罐，泵后的多功能止回阀和缓闭止回阀，能够使阀门延时缓慢关闭，降低瞬时水锤的压力，保护设备不因瞬时水锤而炸裂，而泵后气压罐能够吸收和释放压力反复震荡，直至压力震荡消失。2.2 水锤基本微分方程式在水击过程中，基本的水击微分方程包括两个部分，一个是运动方程，另一个是连续方程。它是一种较为完整有压管流中非恒定流动规律的数学表达式，是一种波方程口叫2.2.1 水锤的运动方程由图2.1可知：该控制体的截面积为A,厚度为以。一般情况下，A是X
17、的函数,X表示的是任意一点开始计算，到沿着管道位置的距离。图中的表示管道和水平地面的夹角，沿着X的正值方向变大时，。取正值。根据牛顿第二运动定律：作用在微型流体上的合外力是由微型流体的质量与加速度的乘积构成的，加速度的方向与合外力的方向是一致的“L即：f)P(PA- PA + -x + P +x加以1必.dvOx-T0TrDox-Aoxsno = pAx x 2 J xdt(2.1)舍去包含0力2的小量，上列方程可以简化为:P A -,c AdVCA + 0D + pgA sin + pA=O xdt(2.2)在瞬变流计算中，认为切应力7是和速度为定常时相同的。因此，这里的摩擦系数f为:_a/
18、vM -1-(2.3)方程(2.1)中，对于流体的质点而言，箓是具有速度V的，即V = V(JU),所以:四二V史+生dt x t(2.4)将上式代入(2.2)中，并进一步化简为：P uV V+ V +F g sm 3 H- = 0xpx t2D(2.5)在实际工程中，常用测压管水头代替压力P(XJ),p = pg(H-Z)(2.6)式中：Z为管道中心线在X处的高程，单位为m。P法二PgH Zx x y=Pgsin。x(2.7)将上式代入(2-4),可进一步化为:也+V-si皿。xxt2D即:x g x g t D 2g(2.9)而水力坡度J=!坐，因此，上式还可表示为:D2gH1x/dV1V
19、,八(2.10)x g t+V+7=0在实用上，进一步简化得:dV Vdt txVV =dtOX(2.11)tt 由于包=Q V,t简化为：所以可当做小=生，将关系代入式（2.8）水锤运动方程式可 dt t改处+工业1 = 0x g t D 2g(2.12)亦可改写为:/+LW+j=ox g t(2.13)2.2.2水锤的连续方程如图2.2表示，公是在管道中选取的一段长度的隔离体。在这里做出简单的假设,坐标显示的正负方向与该管道内流体的流动方向相同。管段公内水体的连续条件是：在整个水锤过程中，微小管段办的全部空间内都被充满水。按质量守恒定律，在时间内，流入和流出公管段的水体质量的差,应等于在八
20、时段内由于升压使管壁膨胀和水被压缩所增加的水体质量AM2。设流体断面积为A,流速为V,水的密度为夕。则：M1 = pAVdt -p + A公A +空/IXV+2公力xx(2.14)将上式展开并略去高阶微量，得:(2.15)空+竺+Ap空xxx又:M2 -pAdx)dt = dxdt p + Adt(2.16)(2.17)YV,空+AV竺+加耳IxxxJ消去人/，又因普和震值都远小于詈可忽略所以有:夕空=P+ Ax dtdpdt(2.18)即:(2.19)dV_dA)dpdPxAdPpdPdt化简得:V _dP( 1 dAx dt A dP1加pdP)(2.20)由于流体的弹性模量：K=-dp/
21、p故有:_L3_L 叱 p dt K dt(2.21)将上式代入(2.13)中，可得:IdPl 6 SV 八+ =OK dt AdI x(2.22)上式可变为:dPdt工如AdPj+ K处=。x(2.23)再由管道的水击波速公式Q= I KIP代入上式并整理得:J1 K dAV AdPV _dP 1 x dt per(2.24)再展开，得:V _ 1x perP Pdxt x dt(2.25)(2.26)(2.27)(2.28)(2.29)亦即:V1(PdP、,=-+Vxpa1Iefx又因水头，=+Z,对H取其f的偏导数，则为:y也生+空ttt因半=0,所以:tdp=Htrt再对H取其对X的偏
22、导数，则为：dpHzZZ：ytxx将式(2.27)及式(2.28)代入式(2.26)中得:(2.30)在上式中，=sin,将其代回式（2.29）中，即得出水锤连续方程式为:xdx(2.31)在此基础上，给出了水锤冲击过程中速度、压力等参数随时间变化的数学表达式，并给出了求解水锤冲击问题的基本理论公式。在工程实践中，通常先对其进行化简，再进行工程应用。在式（2.30）中，水头变化丫名可忽略不计，这时连续方程式可写为：H a2 V+t g xxH左LTI4lH3HH在上式中，一+V=txt视为%+vW”,将其代入txt.HaV+&g1+dH_kt)%(2.32)2V_xH可得甯0（2.32）/、1
23、+=,由于包=C-V,因此，可oxti化后的连续方程式：=0(2.33)亦可简写为:(2.34)VH八+g=0tx上述两式具有一定的近似性，因为在推导过程中忽略了V也和丫也。因此，他们xx的应用前提是：V；vo在给水管路中，上一般小于-L,所xtxta100250以上述前提是可以满足的。3软件介绍及水锤数值解法3.1 Fk)WmaSter软件介绍Flowmaster是国际一流的一维流场模拟解决方案，为一维流场模拟提供了一套完整的流场模拟软件。应用FlOWmaSter软件，可以迅速而高效地建立准确的数学模型，并对其进行全面的模拟与分析。区别于3D的CFD程序侧重于构件层面的流动和传热。Flowm
24、aster程序侧重于在系统层面上的流动和传热。任何一个液体系统，都是由许多部件所构成，例如：泵，阀门，管道，散热器等等。Fk)WmaSter能够监测系统的运行，例如改变泵转速、开关阀门时等引起的系统各支路流量变化和各节点压力的变化。Fl。WmaSter可以精确的计算出各个阶段中的压力、流量、温度、速度等，给工程师带来极大的便利。FIoWmaSter具有的所述分析模块能够对所述流体系统(包括所述传热)进行所述稳定和所述暂态流分析；FlOWmaSter能用来分析不可压或是可压流体体系，并能用来研究气、液两相流问题。FIOWmaSter仿真的对象既可以是液态的，也可以是液态的，也可以是含有气液两种状
25、态的空气调节装置；Flowmaster具有动态色彩显示和图形显示等功能，可以实时监控并评价系统各组成部分的性能。3.2 水锤数值解法在30年代以前，水锤的瞬态过程基本上都是由级联方程来实现的。这种算法一般只适用于上下边界条件相对简单的水击问题，而且计算量很大。自上世纪30年代以来，用H、V两个坐标表示边界条件及水锤运动过程的图解方法得到了进一步的发展和完善,制图方法的精确性依赖于制图技术的精确性，且计算量巨大。60年代以来，由于电子计算机技术的进步，利用电算法求解水击问题受到了越来越多的关注。在此基础上，利用特征线，把这一基本方程转换成一种简单易算的差分方程。它可以持续地解决复杂的管线系统和边
26、界条件下的水锤问题，并且具有高的计算精度，还可以极大地提升计算效率Ui3.2.1 特征线方程式上一章中式(2.9)和式(2.31),因变量则为流速丫和水头H。现对这两个偏微分方程分别用乙和Z表示:7 H .H H f 1.l.l n(3.1)L2 =xrH H a2 VV+x t g x-V sin 6? = O(3.2)令某实数4乘Ll再与相加，其和仍等于零:“7H(、HSVfza2SVI“.2zlzlnLi+L2=(v+)+V+-Vsintz+-VV=0_dxtJSxIgt)2D(3.3)现在选择两个特殊的/1值，目的是要使新的方程组能改造为常微分方程的形式。根据复合函数的运算法则：dHH
27、dxH=4(3.4)dtxdttdVVdxV=+dtxdtt与式(3.3)对比可以看出，若令：dxz,-=V+gdt(3.5)则式(3.3)中右侧第一个方括号内的各项将成为全微分dH,dt若令：则式(3.3)dx1,a2=V+力g中右侧第二个方括号内的各项将成为全微分dV,Odt(3.6)若想使整个式(3.3)成为全微分方程,则应为：2v+l=v+-g(3.7)即:=-(3.8)g这样，就得到了前面所选择的两个特殊义值。这两个；I值的引入就使(3.3)成为常微分方程。将式(3.8)代入(3.5)和式(3.6)中可得：d-=Va(3.9)dt将这两个4值先后代入式(3.3),可得到两个常微分方程
28、组为：-+-Vsint7+-VV=0dtgdt2gDc+(3.10)dxr=V+adt,也+幺且sin+巫VM=Odt8dt2gDC-(3.11)dxxr=V-adt由于Vya所以且=Va可以简化为虫=。因此可以得到另一种形式的特征方dtdtdH +dt2驾幺in + gA2 dt A-=o 2gDA2叼叼dx dtdH a2 K4W dt gA dt A2 QiQI=O 2gDA1 11(3.12)dx=a dt(3.13)程:式中：G表示正特征线方程；C+表示负特征线方程。3.2.2 有限差分方程特征线差分网格如图3.1所示,将长度为L的管段等分为N段,每段长度为加:=N纵轴为时间轴，每一
29、个单元的长度为4=宁，称为时间步长。在据此构造的差分网格中，对角线AP满足=,而对角线则满足Ar=-.4,称为特征线差分网格皿。图3.1特征线差分网格对正特征线方程，将微分方程式（3.12）沿特征线c+积分，从A点积到P点，可得:心产+就产-鬻击r。加上式可进一步简化为：（L/）+a（QLz）一鬻0十篇匕。依=同理，对微分方程式（3.13）沿特征线C积分，从8点积到尸点，可得另一积分式为：（“广4）+也（。厂Qj-喋-2+TrQlQ%=。（3.16）在式（3.14）和式（3.15）中，最后一项代表了由过渡流引起的摩擦阻力，因为它是一个非线性的物理量，所以对其进行了近似。各种近似处理方法具体形式
30、如下：显式近似：（3.17）Jra（2）线性隐式近似：t,QQx=QPQtp-tA）（3.18）t（3）近似：四=IQAl（Qa+e（2-Qa）（5幻（3.19）（4）非线性隐式近似：.0依（二2+2Qp+a（%tQ（3.20）ta22显式近似具有一阶精度，线性隐式近似、近似和非线性隐式近似均具有二阶精度。而对于显式方法，在流体粘度较大或管线较长的情况下，由于累计误差的存在，会导致数值解与真实解的偏差较大，从而导致数值解的失稳。C近似需要经验参数,其取值范围为0.85c0.9尽管该方法具有很高的计算精度，但是由于其计算过程中的迭代性，对计算结果的影响很大。由于线性隐式法的二阶精度高，且不需要进
31、行繁琐的迭代法，因此在实际中被广泛采用。将摩阻项作以下处理：FQIQ依=QQ(GTa)3.21)t,QQ=QMtp-tli)(3.22)B将式(3.21)和式(3.22)分别代入式(3.19)和式(3.20),可得：(%)+g(。厂G)一号0+=O(3.23)(%-%)+彳(。-2)-管-口+丁焉。他|=03.24)gACltZgDA令B=J,Rl=Lf&=列吧.生，可将上式(3.23)和式(3.24)改写，形gA2gDA2-aAa式如下：H1-Hn+8(Q-&J+NQIQ/-分Qy=O(3.25)H-川+3(QQJ+勺0Q(J叫QLO(3.26)式中：i表示断面排列序号，相容性方程中的角标A
32、、B分别用序号i+1、i-1表示。将式(3.25)和(3.26)进一步改写,如下:Hi=H,-l+BQj-+6.2一8+a僚Qi(3.27)Hi=HN+BQM+g.禽一B+仆QJ.Q1(3.28)在上两式中，若令：CP=/,.|+BQiT+R2QiT1.1 =8+仆僚|CM=HjT-B3+QQ1Ydw=b12+i则式(3.27)、(3.28)可写为:(3.29)(3.30)Hi=Cp-DpQiH=Cm-DmQ1上两式联立求解，可得:(3.31)(3.32)瞬时分析一般始于稳定状态，假设该时刻为1=0,则在f=0时刻。、H的初始值为己知，在f=r时刻，各相应节点上的Q、H值即可通过式(3.31)
33、、(3.32)计算得到,以此类推，依次计算得到在不同时刻f=2,f=3Af,，=N的。、”值。需要注意的是，特征线c和C-的交点，特征线和的交点只包括了图3.1中矩形网格的内部节点,两端断面的参数则要由相应的暂时边界控制条件来决定。4给水系统水锤的模拟计算供水系统一般由水源、泵站和管网等组成，由于系统结构复杂，极易发生水锤事故，而从近年来发生的水锤事故来看，对供水系统威胁最大、破坏最严重的都是停泵水锤。停泵水锤是指水锤机组因突然断电或其他原因造成开阀突然停止运行时，在水泵及管路系统中，因流速突然变化引起的一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象，它是最容易造成水锤事故的一类水锤。1.2 给水系统
34、的模型建立本章建立的给水系统中，供水的方式主要是串联水泵水箱供水。在此基础上，选取了生活水池、2-5层、5-9层的给水管线以及12层的高水位水箱作为研究对象。在利用Flowmaster软件建模的过程中，对整个给水系统做了一个简化。比如，在给水系统中，我们可以将流体阻力较小的部件忽略掉，并不会影响模拟结果。建立模型如图4.1所示。图4.1供水系统模型图元件213、23、2735为供水管道，其中管道均选用弹性管道，具有重量轻、透气性好、使用寿命长等优点，其管道的水锤波速度均选取IooOm/S。元件24为给水泵（离心泵），其结构简单，便于制造、安装，实现平稳且连续的输送。元件25为止回阀，防止回流。
35、元件26为蝶阀，一种简单的调节阀，用来调节管路中介质流量的大小。元件1、14、20、36、42、46为球阀在管路中主要用来做切断、分配和改变介质的流动方向。元件41是处于高层的高位水箱，主要依靠水箱的重力来供水。元件1619、3739均是用来代替用户的元件。元件15、44、45均是压力源，用来为整个供水系统提供所需的压力。下表是供水系统所需的主要参数：表4.1管道参数表管道编号管道长度(m)管径(mm)管道编号管道长度(m)管径(mm)25100135203210023515041510027901005301002820100651002951007410030410085203152095
36、2032520105203352011520345201252035520表4.2节点参数表节点编号节点高程（m）节点编号节点高程（m）19418-1229019-12390209347521-125452275645237572024718202566945266110402756113528751230299513253095142031451545324516-12337517-12/表4.3水泵性能参数表名称参数额定流量（m3h）30额定扬程（m）80电机功率（kw）24额定转速（rmin）30001.3 无水锤保护的仿真模拟为了更准确和全面的分析在该给水系统运行时发生水锤的情况，做出
37、了以下模拟:（1）在合理的控制条件下球阀20快速关闭；（2）在9层位置处的36号球阀快速关闭；（3）位于高层位置1号球阀快速关闭；（4）水泵停运（停止供水）。1.3.1 计算管道的承压探讨水锤产生时压力变化，需要对该管道系统中的管道承压进行计算，P=竺型式中：S表示管道的壁厚，单位为mm；产表示最小屈服强度，单位为MPa；K表示设计系数，设定为0.6；Q表示管道的外径，单位为mm。在实际的工程设定下，选取DN25类型的管道（内径为25mm,外径为32mm）,Q345R钢的最小屈服强度335MPa,求得管道的承压为87.9MPa。1.3.2 球阀20开度变化的模拟初始状态（OS时），给水系统正常
38、运行，阀门的开度为100%。通过控制类元件的调节，20号的球阀开度逐渐变小。OS的时候，阀门的开度为100%；0.5s时，开度依然为100%；到0.6s的时，阀门的开度从原来的100%变成了70%；当0.8s时，阀门开度为0也就是将阀门完全关闭。该工况模拟时间总长为2.5so接下来我们将观察分析节点8处的压力变化情况并且研究水锤产生的压力波动大小。（1）安装减压阀一般的给水系统中，用户水压普遍是在0150.43MPa,这里安装了减压阀，它的部分作用就是可以将管道内较大的水压降低到用户要求的压力范围内。减压阀的安装位置如图4.2所示：节点8的压力随时间变化曲线如图4.3所示:Oi-051.014
39、2A时IBKS)图4.3有减压阀节点8的压力变化曲线由图4.3的模拟计算的结果可知，00.5s的时间段内，节点8处的压力一直保持为0.085MPa不变。当阀门在0.6s时开度由100%变为70%,节点8的压力从0.085MPa急剧上升至0.31MPa,至J0.8s时，由于阀门的关闭，水锤压力升至0.78MPa的最高值。在0.8至1秒时，结点8上的压力降低，并在0.1MPa至0.35MPa之间波动，最后维持在0.25MPao从全开状态到快速关闭，节点8的压力波动幅度比较大，其水击压力的最大值为0.78MPa,这里产生的水锤压力远小于管道所能承受的压力值，但产生的水锤压力会使得管道发生振动并伴有噪
40、音。（2）未安装减压阀节点8的压力随时间变化曲线如4.3所示：(edR 田图4.4无减压阀节点8的压力变化曲线据图4.4可知，从Os到0.5s时，节点8的压力一直是0.1MPa。当阀门0.6s时开度变为70%,节点8的压力变从0.1MPa上升压至0.62MPa,0.8s时阀门关闭，压力上升到最大值2.5MPa,随后，压力降低，在0.15至1.46MPa范围内上下波动，最后压力在0.5MPa稳定下来。在这个变化过程中，该节点处的压力升降尤为明显，该过程中产生的水击压力与之前计算的管道承压值相比是远远小于的，不会造成很严重的爆管事故，但也对给水系统的安全运行造成一定的影响。1.3.3 球阀36开度
41、变化的模拟初始状态（0s时），给水系统正常运行，阀门的开度为100%。通过控制类元件的调节，36号的球阀开度逐渐变小。OS时，阀门的开度为100%；0.5s时，开度依然为100%；到0.6s时，阀门的开度从原来的100%变成了70%；当0.8s时，阀门开度为0也就是将阀门完全关闭。该工况模拟时间总长为2.5so接下来我们将观察分析节点32处的压力变化情况并且研究水锤产生的压力波动大小。节点32的压力随时间变化的曲线如图4.5所示。图4.5节点32的压力变化曲线从上面的曲线中,我们可以看到,结点32上的压力在0秒至0.5秒间保持在0.085MPa的水平。在0.6s的时候，阀门的开度由100%变成
42、了70%,而节点32上的压力则是迅速增加，从0.085MPa至U0.29MPa00.8s时阀门关闭，压力大幅度增加到0.755MPa,这时的压力达到峰值。直到1s,该节点压力开始下降，在00.3MPa范围内出现振荡。整个变化过程中产生的水击压力的最大值为0.775MPa,远小于管道的承压值，不会发生爆管，但产生巨大噪音，影响居民生活。在管道内出现压力的剧烈变化，会产生的问题：对供水系统中阀门组件、水箱、泵组件等部分造成损坏，严重时会导致爆管；系统内的元件各组分使用寿命降低，工作效率降低。对比图4.4和图4.5可知，不论阀门处在管道系统的哪个位置，它快速关闭的时候，在它的上端部分都会出现水击压力
43、（发生水锤现象），图4.4中节点8处产生的压力峰值远高于图4.5中节点32处的压力峰值。也就是说，距离高层水箱越近，它和阀门之间产生的压差就越小，阀门快速关闭的时候产生的水击压力就会越大。1.3.4 球阀1开度变化的模拟初始状态（OS时），给水系统正常运行，阀门的开度为100%。通过控制类元件的调节，1号的球阀开度逐渐变小。OS时，阀门的开度为100%；0.5s时，开度依然为100%；至J0.6s时，阀门的开度从原来的100%变成了70%；当0.8s时，阀门开度为0也就是将阀门完全关闭。该工况模拟时间总长为2.5s。接下来我们将观察分析节点1处的压力变化情况并且研究水锤产生的压力波动大小。节点1的压力随时间变化曲线如图4.6所示。图4.6节点1的压力变化曲线观察分析上图4.6可知，首先在开始阶段，也就是系统正常运行时（0-0.5s）,该节点处的压力值是0.178MPa。当0.6s时，阀门的开度从100%减小为70%,压力值从0.178MPa减小至I0.03MPa,0.8s的时候随着，阀门开度变为0,压力下降到0.006MPa,然后趋于稳定。在
