第九章 水锤及调节保证计算的解析方法

水锤计算解析法例题
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目录
1.解析水锤计算的概念和原理
2.介绍水锤计算的解析法例题
3.分析例题的解题过程和方法
4.总结水锤计算解析法的应用和意义
正文
水锤计算是流体力学中的一个重要概念，它是指在管道中由于流速的突然变化而引起的压力变化。

这种压力变化会对管道产生冲击，从而影响管道的安全运行。

因此，对水锤计算的研究具有重要的实际意义。

解析法是水锤计算中的一种常用方法，它通过解析公式来计算水锤压力，从而为工程应用提供理论依据。

下面，我们将通过一个例题来介绍水锤计算解析法的具体应用。

例题：在一条长为 100m 的管道中，流速突然从 5m/s 减小到 1m/s，求水锤压力。

解题过程如下：
1.根据水锤计算的原理，首先需要求出流速的变化量Δu，即Δ
u=u2-u1=1m/s-5m/s=-4m/s。

2.计算水锤压力的解析公式为：Δp=ρ*Δu*L/2，其中ρ为流体密度，L 为管道长度。

题目中未给出流体密度，我们可以假设为水的密度ρ
=1000kg/m。

3.将已知数据代入公式，得到Δ
p=1000kg/m*(-4m/s)*100m/2=-200000Pa。

因此，水锤压力为 -200000Pa。

注意，这里的负号表示水锤压力是负
的，即管道受到了压缩。

通过以上例题，我们可以看到，水锤计算解析法是一种有效的计算方法，它可以帮助我们快速准确地计算水锤压力，从而为工程应用提供理论支持。

第九章水电站的水锤及调节保证计算本章重点内容：水电站有压引水系统非恒定流现象和调节保证计算的任务、单管水锤简化计算、复杂管路的水锤解析计算及适用条件、机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。

第一节概述一、水电站的不稳定工况由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。

其主要表现为：(1) 引起机组转速的较大变化丢弃负荷：剩余能量→机组转动部分动能→机组转速升高增加负荷：与丢弃负荷相反。

(2) 在有压引水管道中发生“水锤”现象管道末端关闭→管道末端流量急剧变化→管道中流速和压力随之变化→“水锤”。

导时关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。

导叶开启时则相反，将在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中则引起压力上升。

(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。

二、调节保证计算的任务(一) 水锤的危害(1) 压强升高过大→水管强度不够而破裂；(2) 尾水管中负压过大→尾水管汽蚀，水轮机运行时产生振动；(3) 压强波动→机组运行稳定性和供电质量下降。

(二) 调节保证计算水锤和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。

1．调节保证计算的任务：(1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。

最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；最小内水压力作为压力管道线路布置，防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据；(2) 计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是否在允许的范围内。

(3) 选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。

(4) 研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。

2．调节保证计算的目的正确合理地解决导叶启闭时间、水锤压力和机组转速上升值三者之间的关系，最后选择适当的导叶启闭时间和方式，使水锤压力和转速上升值均在经济合理的允许范围内。

第二节 水锤现象及其传播速度一、 水锤现象1．定义在水电站运行过程中，为了适应负荷变化或由于事故原因，而突然启闭水轮机导叶时，由于水流具有较大的惯性，进入水轮机的流量迅速改变，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，这种变化是交替升降的一种波动，如同锤击作用于管壁，有时还伴随轰轰的响声和振动，这种现象称为水锤。

第九章水锤计算的解析法第九章介绍了水锤计算的解析法。

在实际工程中，由于液体具有不可压缩性质，流体在管道中的快速停止或启动过程中会导致水锤现象的产生，造成管道或设备的损坏。

因此，为了减轻水锤对管道和设备的影响，必须对水锤进行计算和分析。

水锤的产生主要是由于流体的不可压缩性质和管道系统中存在的阀门、泵或其他设备的控制操作引起的。

当阀门突然关闭或泵突然停机时，流体会因为不可压缩性和管道的弹性特性而产生压力波动，从而引起水锤现象。

解析法是一种基于数学模型的计算方法，可以通过瞬态水力动力方程和其他相关方程来计算水锤的冲击压力和变化。

解析法的基本思想是将水锤过程分为几个阶段，并根据每个阶段的特点和方程来进行计算。

解析法的计算步骤如下：1.确定水锤过程的各个阶段。

水锤过程可以分为起动阶段、减速阶段和稳定阶段。

起动阶段是指在水锤开始时流体的速度从初始速度突然变为零的阶段；减速阶段是指流体从零速度逐渐恢复到稳定状态的过程；稳定阶段是指流体达到稳定流动状态后的过程。

2.确定各个阶段的关键参数。

关键参数包括流体的密度、管道的长度、管道的直径、阀门的关闭时间等。

3.根据水力动力方程和其他相关方程，建立起动阶段、减速阶段和稳定阶段的数学模型。

4.根据数学模型，求解出各个阶段的冲击压力和变化。

5.根据计算结果，判断水锤造成的冲击压力是否超过了管道或设备的承受能力，如果超过了承受能力，则需要采取相应的措施来减轻水锤对管道和设备的影响。

解析法的优点是计算过程相对简单，并且可以得到较为准确的结果。

然而，解析法也存在一些缺点，例如需要准确地测量和确定各个阶段的关键参数，这对于实际工程来说可能是困难的。

此外，解析法对于较为复杂的系统可能会有一定的局限性。

总之，解析法是一种计算水锤的有效方法，可以通过建立数学模型来计算水锤过程中的冲击压力和变化。

但是，在实际应用中需要注意确定各个阶段的关键参数，并且在计算结果的基础上采取相应的措施来减轻水锤对管道和设备的影响。

水电站复习题——简答题第一章绪论2.水电站有哪些常用类型，它们的适用条件是怎样的？ P3-5坝式、引水道式、混合式坝式：河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建库的条件。

引水道式：适合河道坡降较陡，流量较小的山区性河段。

混合式：适用于上游有优良坝址，适宜建库，而紧接水库以下河道突然变陡或河流有较大的转弯。

3.地面式厂房有哪些常用类型？河床式厂房：与其它建筑物如挡水坝、泄水建筑物等一起并排建在河床当中，厂房本身也起挡水作用。

适用于水头较低、单机容量较大的情况。

坝后式厂房：位于挡水的下游侧，发电用水由通过坝体的压力管道引入厂房。

厂房本身不起挡水作用。

溢流式厂房：位于溢流坝挑坎下面的混凝土中，水流从厂房顶部流过。

适用于河谷狭窄、泄洪量较大、机组台数多、没有合适位置布置厂房的情况。

新安江水电站即采用了溢流式厂房。

挑越式厂房：位于溢流坝的挑坎下面，泄洪时高速水流挑越过厂房顶，落到下游的河床中。

适用于在峡谷中建高坝，高水头大流量的情况。

乌江渡水电站的厂房采用了这种方式。

坝内式厂房：将厂房布置在混凝土重力坝或拱坝的内部，压力管道穿过坝体进入厂房。

适用于在峡谷中建坝，在坝轴线上不容易布置水电站厂房和溢流坝的情况。

江西的犹江和湖南凤滩水电站均采用了坝内式厂房的布置方式。

岸边式厂房：在河岸内布置引水道，将厂房设在与坝有一定距离的岸边，长距离引水式水电站厂房多采用这种方式。

第二章进水口及引水道建筑物1、有压进水口有哪些主要型式？有何特点？（本/专） P9（1）洞式进水口（闸门布置在山体的竖井中）适用条件：地质条件好，山坡坡度适宜，易于开挖平洞和竖井。

（2）墙式进水口（闸门紧靠山体布置）适用条件：进口处地质条件较好，或岸坡陡峻。

（3）塔式进水口（闸门段布置一塔形结构中）适用条件：进口处地质条件较差或岸坡坡度平缓。

（4）坝式进水口（闸门布置在坝体中）适用条件：混凝土坝的坝式水电站3、水电站进水口应该满足哪些基本要求？（本/专）(1) 要有足够的进水能力在任何工作水位下，进水口都能引进必须的流量。

第三节水锤计算的解析法(总13页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除第三节水锤计算的解析法一、直接水锤和间接水锤（一）直接水锤若水轮机开度的调节时间≤ 2L/c，则在水库反射波到达水管末端之前开度变化已经结束，水管末端只受因开度变化直接引起的水锤波的影响，这种现象习惯上称为直接水锤。

由于水管末端未受水库反射波的影响，故基本方程式(14-5)和式(14-6)中的函数f(t-x/c)，用以上二式消去F(t+x/c)的直接水锤公式从式（14-13）可以看出，当开度关闭时，管内流速减小，括号内为负值，△H为正，发生正水锤，反之，当开启时，△H为负，发生负水锤。

直接水锤的压强界与流速变(V -Vo )和水管特性（反映在波速c 中）有关，而与开度的变化速度、变化规律和水管长度无关。

若管道中的初始流速Vo=5m/s,波速c=1000m/s,在丢弃全负荷时若发生直接水锤，△H将达510m，因此在水电站中直接水锤是应当绝对避免的。

（二）间接水锤若水轮机开度的调节时间>2L/c,则在开度变化终了之前水管进口的反射波已经到达水管末端，此反射波在水管末端将发生再反射，因此水管末端的水锤压强是由向上游传播的水锤波F和反回水管本端的水锤波f叠加的结果，这种水锤现象习惯上称为间接水锤。

显然，间接水锤的计算要比直接水锤复杂得多。

间接水锤是水电站中经常发生的水锤现象，也是我们要研究的主要对象。

二、水锤的连锁方程利用基本方程求解水锤问题，必须利用已知的初始条件和边界条件。

初始条件是水轮机开度未发生变化时的情况，此时管道中为恒定流，压强和流速都是已知的。

对于图14-1的简单管，边界条件是利用A、B两点。

B点的压强为常数，令ζ=△H/Ho，则=0,水锤波在B点发生异号等值反射。

A点的边界条件较为复杂，决定于节流机构的出流规律。

从《水力学》中我们知道水斗式水轮机喷嘴的边界条件可表达为式中v-管道中的相对流速，V=V/Vmax., V为管道中任意时刻的流速，Vmax为最大流速；τ-喷嘴的相对开度，, w为喷嘴任意时刻的过水面积，为最大面积；ζ-水锤相对压强，ζ=（H-Ho）/Ho，H为管末任意时刻的压力水头，Ho为初始水头。