| 单词 | 水锤分析 |
| 释义 | 【水锤分析】 拼译：water hamrner anaiysiis 在有压的水流管道系统中，都存在水锤问题。例如，在水电站、抽水站、给排水工程等的实际运行中，都曾经由于水锤而发生严重事故。 在管道系统中，水锤产生后总是伴有纵向水波的传播，所以，它的研究历史可以追溯至19世纪关于水波问题的探讨。但是，首先把波速问题与压力变化联系起并进行研究的是意大利工程师门纳布勒(L．F．Menabrea)。他在所发表的文章中，不同于前人只注意波速，而把着眼点放在由波的传播所引起的压力变化上面，并且利用能量原理，考虑了流体和管壁的弹性，导出了波速公式。但是，门纳布勒对水锤理论本身并未作出很大的贡献。1898年，美国弗里泽尔(J．P．Frizell)在美国土木工程师协会会报上发表了题为“管道中流速变化所产生的压力”的论文，文中导出了水锤波速和由于流速突然变化所产生的压力的公式，并且指出：如果管壁弹性模量是无限大，水锤波速与声波在不封闭的水中的波速相等。1897年茹科夫斯基(H．Е．Жyковскuй)在莫斯科用不同管道对水锤现象作了大量的实验。在此基础上，他于1898年发表了题为“论管中的水锤”著名论文。文中建立了速度减小与压力升高之间的关系式，即茹科夫斯基公式；讨论了压力波沿管的传播和压力波在出流端点的反射；对调压室、安全阀以及阀门关闭速率等对水锤的影响也进行了研究，并且发现：当关闭时间等于一相时间，即T=2L／a(T表示关闭时间；L表示管长；a表示水锤波速)时，水锤压力达到最大值。稍后，意大利阿列维(L．Allievi)发表了关于间接水锤理论的论文。通过理论分析和大量计算，区别了直接水锤和间接水锤：导出了间接水锤的计算公式；提出了著名的水锤常数；对于在线性启闭规律条件下阀门端的最大水锤压力的计算导出了公式并作成了计算图表。在20世纪20～30年代，由伍德(F．M．Wood)、洛威(R．lowy)首先提出水锤计算图解法，后经伯格龙(L．Bergeron)和帕马金(J．Parmakian)进一步完善和系统化。图解法可以节省计算工作并给水锤过程显示出明晰的图形，有助于对某些水锤现象的理解和分析。但是，由于现代电子计算机的发展，电算方法已经普及，所以，在工程实际中，图解法已经很少采用。在早期的研究中，水锤波的反射虽然都很重视，但是，对在调节阀门处的反射一直不很清楚。1962年武汉水利电力学院学报上发表了吴荣樵题为“水击波的反射和水击计算的新方法”论文，初步解决了水锤波在调节阀门处的反射问题，并且指出其反射性质与阀门开度和水锤常数ρ(=aVmax／2gH0，其中，a为水锤波速；Vmax为管道中恒定流速的最大值；g是重力加速度；H0是恒定状态下的水头)有关。从20世纪初到50年代末，虽然也进行了大量的研究工作，但都没有取得重大进展。例如，吉布森(M．R．Gibson)等对于摩阻影响的研究，他们或者是把摩阻项线性化，利用拉普拉斯变换进行计算，或者是把摩阻集中至管端，这些办法都带来较大的误差；又如，克利夫钦科(Г．И．Kpиqeнко)，莫斯特科夫(M．A．Mостков)等对于水轮机特性影响的研究，他们或者是提出模拟特性的经验公式，或者是在过流特性公式中采用变指数，但这些办法都很粗糙，与实际情况相差较远；又如，鲁丝(E．Ruus)、克利夫钦科等对于优化启闭规律的研究；格雷(C．A．M．Gray)关于特征线法应用于水锤分析的探讨；等等，虽有某些进展，但都由于理论的不足或计算手段的限制，在有关领域未能取得显著进展。20世纪60年代初，美国密西根大学斯特里特(V．L．Streeter)发表了几篇关于水锤电算分析的论文，比较完满地解决了摩阻损失、复杂管路和优化启闭规律的问题，随后，马丁(C．S．Martin)又解决了调压室与水锤联合分析的问题，1978年武汉水利电力学院水电站有压非恒定流科研小组结合云南西洱河电站解决了水轮机特性和调压阀的问题，并首先在国内把电算方法应用于水锤分析。电算方法主要是利用特征线法求解拟线性双曲线微分方程。在空间上将管道系统划分成很多管段，从而比较容易处理复杂管道问题；在时间上将整个计算时间分成很多小的时段，从而比较妥善地处理了非线性项，即摩阻与速度头的问题。由于特征线法能构成显格式，每次求解方程组的数目比较少(在管道内部只有两个方程，在边界上，一般也不超过10个方程)，这样就便于处理复杂的边界条件。如分叉管、调压室、调压阀乃至水力机械等。许多感到非常棘手的问题，利用特征线法在高速电子计算机上运算比较容易解决，至于优化启闭规律，也由于分时段给定压力值(或其他参数)反推阀门开度的计算方式易于在计算机上实现，因而也不存在不可克服的困难。尽管如此，随着科学和生产的发展，水锤分析仍面临许多新的课题。例如含气水锤、非恒定流状态下的摩阻损失、水力机械特性以及抽小蓄能电站中的水锤等问题的探讨，近年来都受到了应有的重视。含气水锤很明显是指水流中含有气体时的水锤问题，这在理论上属于两相流的范畴，但当含气量不大，又可专门作为一个课题进行探讨。其实质包括液柱分离和气体释放两个方面。液柱分离是指当管道系统中的压力降低到一定程度时，水柱被拉断，拉断后水流在压力升高时又重新弥合，因而压力急剧升高，对设备造成威胁。水电站尾水道中的反水锤就是明显的例子。气体释放是指溶于水流中的气体(主要是空气)由于压力降低而释放，从而产生含气水流。含气水流中的水锤波速将减小并且随压力的变化而变化。在某些情况下会使水锤压力增加，变化的波速会使计算增加困难。80年代以来，国内外很多学者如美国的马丁、威格特(D．C．Wiggert)，我国的杨建东等对含气水锤作了很多理论和实验的研究工作，但迄今为止，仍有待进一步探讨。近年来，由于大型核电站和火电站的发展，电力系统容量迅猛扩大，抽水蓄能已成为保证系统优质低价运行的重要措施。当前抽水蓄能电站具有高水头，长水道和大容量的特色，其水锤分析已成为重要的研究的课题。又由于可逆式水力机械的特性与常规水轮机的特性有很大的差异，其中如水轮机制动工况区的特性曲线呈反S形状，具有多值函数的特点，给电算插值带来了困难；又如小开度的特性对水锤压力影响很大，但通常又缺少小开度特性的资料，在计算中只能采取近似的处理办法。如60年代马丁建议按孔口出流的公式计算小学开度的过流特性，80年代杨开林建议以多项式模拟过流特性，1986年马丁又通过专门的实验提出经验公式等，但这些都还没有完全解决小开度问题。当前水锤分析的热点是：(1)带有可逆式机组的高水头长水道抽水蓄能电站的水锤问题，其中要着重研究的有：小开度的过流特性，可逆式机组特性的仿真技术，水机电联合过渡过程等；(2)含气水锤问题，其中要着重解决的有；液柱分离和弥合的机理、液柱分离的判别条件和数学模式，气体释放的机理，速率和判别条件等；(3)带机组的水锤实验装置及测试设备；(4)非恒定流的摩阻损失；(5)非恒定流的机组特性；(6)流体与结构的相互作用对水锤的影响；(7)二维和三维的水锤分析；(8)低水头，大流量机组的过渡过程。【参考文献】：1 吴荣樵．高等学校自然科学学报，1965，1(4)∶355～3672 Wylie E B，et al．Fluid Transiients．New York：McGrawHill，19783 Chaudhry M H．Applied hydraulic transients．Van Nostrand Reinhold Company，19874 吴荣樵，陈鉴治，范春生．水利学报，1989，11∶55～615 杨建东等．水利学报，1990，6∶48～54．(武汉水利电力大学吴荣樵教授撰) |
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