10有压管道中的非恒定流(精)

第十章 有压管道中的非恒定流第一节有关管道中非恒定流在工程中会经常碰到，例如 水泵在突然停电时迅速停止运行； 有压管出口闸门突然关闭； 水轮机电力系统负荷改变，需迅速调节导水叶或阀门，使水电站引水管中流量迅速改变。

非恒定流：有压管中流速发生急剧变化，液体压强产生迅速的交替升降且变化巨大（突然增或降，可达上百个大气压）。

管道发生强烈振动、 噪声、管道变形，甚至爆裂如同用锤子敲击管壁、阀门、或管路其他元件，称这种现象水击或水锤。

因此，有压管道设计中必须进行水击计算，以确定最大和最小水击压强， 并采取防止或消弱水击的工程措施。

常采用的工程措施之一就是在管道系统中修建调压、井（室）注意：非恒定流动中液体质点的运动要素随时间变化。

例如，一元非恒定流中()t s v v ,=()t s p p ,= ),(t x A A = ),(t x ρρ=考虑运动要素随时间变化而引起的惯性力作用 考虑液体压缩性和管壁弹性变形原因：水击时，管道中流速和压强急剧变化，致液体和管道犹如弹簧元件似的被压缩或膨胀本章目的 ：分析水击现象的物理实质；水击压强的计算方法 。

第一节 一维非恒定流动的基本方程组（略）第二节 水击现象一、阀门突然关闭情况下有压管道中的水击现象图中给出一个长L 、管径与管壁厚度不变的简单管路,管道进口B 与水库相连，末端设一阀门A ,设流速水头和水头损失不计，则恒定流时测管水头线与库水面平齐。

管中平均流速和压强为p 0 和v 0.考虑闸门突然完全关闭（关闭时间为零），不考虑液体压缩性和管壁弹性，整个管路中流速同时为零0→v ,在水流惯性作用下， 管中压强全部同时升高至无穷大∞→p .但关闭闸门需要一定时间， 液体具有压缩性， 管壁有弹性， 对水击起到缓冲作用。

因此，管路中各处流速并不是同时为零，压强也不是立即同时升高到一定的数值，而是从闸门向上游一个断面一个断面地逐渐变为零。

因此，必须考虑液体压缩性和管壁弹性.典型的水击过程可分为四个阶段 :(1)c /L t 0<<; (2)c /2L t c /L <<; (3)c /3L t c /2L <<; (4) c /4L t c /3L <<（1）闸门突然关闭水击的第一阶段 阀门突然关闭，紧靠阀门处的微小液层立即停止流动,流速突然减小至零，使该层水流的动量发生突然变化，但 d l 层上游液体未停止流动，仍以速度v 0向前流动，当碰到静止液层时，也像碰到阀门一样速度立即变为零，压强升高Δp ，液体压缩，管壁膨胀。

1.质量力——某种力场作用在全部流体质点上的力，其大小和流体的质量或体积成正比。

2.连续介质——认为流体质点全部充满作战空间，没有间隙存在，其物理性质和运动要素都是连续分布的。

3.当量直径——把水利半径相等的远观直径定义为非圆管的当量直径。

4.渗流模型——在保持渗流区原有的边界条件和渗流量不变的条件下，把渗流看成是由液体质点充满全部渗流区的连续总流动。

5.边界层——高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层。

6.堰流——明渠无压缓流经某种障碍时，上有发生壅水，从障碍上溢流时水面跌落。

这一局部水流现象称为堰流。

7.流体质点——指微观上足够大，宏观上充分小的流体分子团。

8.理想流体——没有粘性、不可压缩的流体。

9.伯努力方程使用条件：（1）、不可压缩流体（2）、重力场（3）、恒定流（4）、过流断面是渐变流（5）、流量沿程不变（6）、Z1和Z2的取值是过流断面某一定点在同一基准面上的高度（7）、P1和P2可以都用绝对压强也可以都用相对压强。

10.明渠流动的条件：明渠均匀流只能出现在底坡不变、断面形状、尺寸、壁面粗糙系数都不变的长直顺坡渠道中。

11.明渠流动的特征：（1）、过断的形状、尺寸及水深沿程不变（2)、过水断面上的流速分布断面平均流速沿程不变（3）、总水头线、水面线及渠底线相互平行12.渗流模型——在保持渗流区原有的边界条件和渗透流量不变的条件下、把渗流看成是由液体质点充满全部渗流区的连续总流动，这就是渗流模型。

13.流线：某一确定时刻t，在流场中一定有这样的曲线存在，使得曲线上各点处的流体质点的流速都在切线方向，这样的曲线就叫做该时刻t的流线。

14.长管：在水力计算中，管道沿程阻力远远大于局部阻力，局部阻力可以忽略不计的管道15.水跃：明渠水流从急流过渡到缓流状态时，会产生一种水面突然跃起的特殊局部水里现象，既在较短的渠段内水深从小于临界水深急剧地跃到大于临界水深的现象。

16.水跌：明渠水流从缓流过渡到急流，水面急剧降落的局部水力现象，即在不长的流段内水深从大于临界水深降落到小于临界水深。

流体⼒学讲义第⼗⼀章⾮恒定流问题第⼗⼀章⾮恒定流问题本章介绍了有压管流中的⾮恒定流现象——⽔击现象及其四个阶段、间接⽔击、直接⽔击、正⽔击与负⽔击的概念。

第⼀节有压管道中的⽔击⾮恒定流主要表现为压强和液体密度的变化和传播。

⼀、⽔击现象的基本概念⽔击现象（Water-hammer Phenomena）：在有压管道系统中，由于某⼀管路中的部件⼯作状态的突然改变，就会引起管内液体流速的急剧变化，同时引起液体压强⼤幅度波动，这种现象称为⽔击现象。

判断：有压管路会发⽣⽔击现象，明渠也会发⽣⽔击现象。

你的回答：错直接⽔击（Rapid Closure）：当关闭阀门时间⼩于或等于⼀个相长时，最早由阀门处产⽣的向上传播⽽后⼜反射回来的减压顺⾏波，在阀门全部关闭时还未到达阀门断⾯，在阀门断⾯处产⽣的可能最⼤⽔击压强将不受其影响，这种⽔击称直接⽔击。

间接⽔击（Slow Closure）：当关闭阀门时间⼤于⼀个相长时，从上游反射回来的减压波会部分抵消⽔击增压，使阀门断⾯处不致达到最⼤的⽔击压强，这种⽔击称为间接⽔击。

正⽔击（Positive Water-hammer）：当管道阀门迅速关闭时，管中流速迅速减⼩，压强显著增⼤，这种⽔击称为正⽔击。

负⽔击（Suction Water-hammer）：当管道阀门迅速开启时，管中流速迅速增⼤，压强显著减⼩，这种⽔击称为负⽔击。

问题：由阀门关闭造成的⽔击称为；由阀门开启造成的⽔击称为：A.正⽔击负⽔击；B.负⽔击正⽔击；C.间接⽔击直接⽔击；D.直接⽔击间接⽔击。

⼆、有压管道中的⽔击的四个阶段（图11-1、11-2）1.：增压逆波阶段⽔击波的传播现象：⼀个增压波以⼀定速度向⽔库⽅向传播的现象，⽔击压强：压强增值（或⽔头增值ΔH）称为⽔击压强。

2.：减压顺波阶段⽔击的相长：即⽔击波由管道的阀门传到进⼝后⼜由进⼝传到阀门所需的时间。

图11-1增压逆波阶段减压顺波阶段减压逆波阶段增压顺波阶段图11-23.：减压逆波阶段4.：增压顺波阶段。

第九节水电站有压引水系统非恒定流电算法简介水电站有压引水系统的非恒定流计算包括水锤计算和调压室涌波计算。

这两种计算各有特点而又相互联系。

在负荷变化时，机组的转速变化与水锤和调压室涌波也有联系。

把这三种过渡过程联系起来研究的理论虽然早已基本具备，但由于计算过于繁琐，在电子计算机应用于工程实际之前，很少有把它们联系求解的实例，一般都是用孤立的、简化的方法计算。

即使对于分岔管的水锤，为了避免繁琐的计算，也往往采用很粗略的简化方法。

电子计算机的应用给较精确、合理地计算上述问题开避了新途径，现简要介绍如下。

一、简单管水锤计算简单管水锤计算一般不必利用电子计算机。

但如欲在计算中考虑水头损失或机组特性的影响，用电子计算机能较好地处理这类问题，用一般的方法则难以解决。

对于图14-12的简单管，若水锤波通过管段AP和PB的时间均为，则求解A、P、B三点压强和流量的方程为A点：式中h=H/Ho=1+ζ；q=Q/Qo=v；α=/Ho，扩为对应于Qo的AP段水管的水头损失。

式(a)可写成式中，。

将式(b)代人式（c），并令S=一A，得解式(d)，舍去增根，得故式(a)、式(b)可写成P点：式（e）和式(f)可写成解式(g)和式(h)，得B点：上式可写成根据式（14-76）、式（14-77）和式（14-78）所列的顺序，不难编出简单的程序迭代地求出A, P, B 三点压强和流量的变化过程，计算可以从t=2,开始，到所要求的时刻为止。

根据开度变化曲线确定。

二、分岔管的水锤计算图14-25 分岔管示意图对于图14-25所示的分岔管，若P点有n个分支，水锤波通过各分支的时间均为,通过主管PB的时间为m,,参照式(14-76)，水轮机端，，……、An点的水锤压强和流量可用以下式组求出式中i=1，2,…，n,故以上式组共n个。

P点的压强和流量有n＋2个未知量，用下列n十2个方程求解特征方程即式中，，i=1，2,……，n,故上式有n个。