浅议输水管道含气对水锤波速及升压值的影响

任鹏宇

摘要：本文介绍了水锤的基本概念和水锤波速对其的重大影响。在此基础上着重对管内含气对波速的影响，从理论上进行分析。并以新疆某产业园区特定管段扬水工程为例，通过计算机模拟计算，研究在相同工况下管内不同含气状态造成水锤波速存在差异时，其对水锤升压的影响。

关键词：水锤；含气状态；水锤波速

一、水锤的基本概念及危害

在压力管道中，由于某些外界因素导致流速的急剧变化，造成动量转换引起的管路中水锤压力骤然升高或降低。水锤的发生可使管道中压强达到正常压强的几倍甚至几十倍，会引起管道剧烈振动，使管道接头或阀门破裂，造成严重的气爆水锤，甚至直接威胁到相关工作人员的人身安全。

水锤波速的大小是水锤重要的影响因素，而管内水体的含气状态对水锤波速有重要的影响，对此问题的研究对于水锤的计算和防护有重大的现实意义。

断流弥合水锤最大升压可按直接水锤计算公式，即ΔH=，可知在管路系统的流速变化在保持一致的情况下，水锤波速越大，升压值就会越大。

二、管道中含气对水锤波速的影响及计算公式

2.1管道中存气原因及气液两相流的基本流态

长距离输水管路存气原因：（1）在充水过程中进气；（2）在充水过程已排尽气体，但在系统运行中由于某些原因使得外界气体渗入管道，或有压管路输水过程中，如发生管道破裂、快速启闭闸阀等造成水压骤降，导致水中的溶解气体释放出来成为自由气泡，或是水汽化成为蒸汽泡。这些气泡的产生增加了水的可压缩性，能显著减小水锤波速。当管路中气泡破裂时，则会导致较大的断流弥合水锤，极大的改变了水力瞬变过程的特性。

2.1.1输水管道中气液两相流的基本流态形式及相互转化

地势起伏不大地区的输水管道中一般呈现层状流、波状流、段塞流、气团流、泡沫流和环状流六种气液两相流状态。前四种流态形式分别出现在管道充水的前期、中期、后期；而泡沫流和环状流则在某些特殊工况时出现。受不同因素的影响，不同的流态之间不断进行着相互转化。水的流态形式，是在长距离输水工程中选择水锤防护设备重要的考虑因素之一。

2.2 管道含气对水锤波速的影响

水体中的固体杂质对水锤波速影响可忽略不计。然而输水管道中即使只含有微量的气体，也会对水锤波速造成很大影响。管内携带的非溶解气体及水体所溶解气体所具有的压缩性释放能够使得此时的水锤波速远远小于理想水体（指不含杂质和气泡）的波速。

管道含气时，水锤实际上是气液两相流的瞬变过程。管内以水体为主，气体含量很小，故一些次要因素可在研究中忽略。水锤波速随着温度每5℃改变1%，由于流体内含有不溶性气体其可压缩性显著提高，而水锤波速的降低值也随气体含量的不同而不同，其最大降幅可达原波速的75%。

2.2.1 水体内分布细微气泡时的水锤波速公式

当有压管道中含有大量微小气泡但并未产生较大的空穴时，这时的流体是不间断的连续相，而气体则以各自独立气泡的形式广泛分布其中，其直径远远小于管径，不会隔断管道横截面。水錘波速因压力的变化而变化。

此时的管道含气量对水锤波速的影响公式为：

（2.1）

可知水锤波波速随着压力的不同，而不断发生变化。由于随时间及所处断面的不同，管内压力不断发生变化，因此水锤波速是时间与所处位置的函数，此为含气水锤的重要特征之一。管道即使只含有很少的气泡，就会使水锤波速降到空气中声速以下。

2.2.2 管内气泡形成较大空腔时的水锤波速公式

由于管道内汽泡的聚集、碰撞使空穴体积变大，当蒸汽腔体发展到充满整个管道截面时造成液体的分割。其特征是有一明显的汽液分界面，在界面上有液体汽化和蒸汽凝结现象发生，其流态类似于气液两相流中塞状流。

我们用三特征线法来描述此种形态下的水锤波速公式。该方法同样将气液两相流视为均质单相混合体，忽略气液两相间相对运动，但考虑相间质量交换，因此分成气液两相分别列出质量方程，并且忽略两相间存在的动量交换，动量方程以混合体表征，得到三条特征线的方程组：

（2.2）

（2.3）

式（2.2）表征气相压力波沿特征线的传播规律；式（2.3）表征液相正向和反向压力波沿相应特征线的传播规律。这些规律即指沿相应特征线上诸水力参数（、p、V）必须满足的特征方程。

三、 新疆某产业园区三泵站扬水工程实例

3.1 工程概况

现以新疆某产业园区三泵站水锤计算来对不同含气状态下波速的改变对水锤升压的影响进行分析。该输水工程采用单管输水，设计流量1.76m3/s，管径DN1400，管材为k9级球墨铸铁管，承压值为2.8Mpa。本文讨论管段的进水池最低水位为649.5m，最高水位651.3m，泵安装高程为647.9m。

根据理论计算并结合、波速的各种影响因素和工程实际，球墨铸铁管理论波速取=1000m/s。长距离输水工程实际中当水锤波速分别为500m/s、800m/s、1000m/s时，水锤相分别为49.6s、31s、24.8s。

3.2方案：指定桩号处安装缓冲排气阀和箱式双向调压塔

在指定桩号处安装缓冲排气阀，在桩号50850处安装箱式双向调压塔。缓冲排气阀闭合流速为0.3m/s，水泵出口缓闭止回阀快关角度60度，快关5s，总关为120s。

1.含气状态A时，管内几乎充满水，故忽略气体对波速的影响，取水锤波速为1000m/s。在安装缓冲排气阀和箱式双向调压塔后，部分管段有断流发生。

2.含气状态B时，水流中出现大量气泡，水锤波速下降为800m/s。此种工况下的水锤升压较含气状态A时有一定降低，管道全线升压已在承压值以内，基本无断流，可以保证输水工程安全平稳运行。

3.含气状态C时，含气量进一步加大，水流中出现大的空穴，此时水锤波速大幅下降为500m/s。水锤升压较含气状态A、B时进一步降低，只在管段起端压力相对较高。

3.3分析总结

由表3.1可知，含气状态A时，波速为1000m/s，61.90%的管段升压值都集中在80m～100m范围内；含气状态B时，波速为800m/s，74.60%的管段升压值都集中在60m～80m范围内；含气状态C时，波速为500m/s，84.13%的管段升压值都集中在40m～60m范围内，整体水锤压力与状态A、B比较有明显降低。

四、结论与建议

（1）长距离输水管路的水锤波速，当含气量在一定范围内增加时，水锤波速呈明显下降趋势，但当掺气量持续增大时，波速将不再下降甚至将呈现上升趋势。在不同含气状态导致波速改变的情况下，波速与升压值之间没有明显的规律进行描述，其最大升压值出现的位置各不相同，因此对同一管道的相同工况，当其含气状态发生改变时，在进行水锤防护计算时不可简单进行类比，而应该重新进行分析计算；

（2）水力过渡过程是一个复杂的过程，如何对这个过程进行更为准确的动态模拟，是水锤计算软件研发今后面临的重大课题之一，这就需要对计算机科学和水锤计算理论进一步进行深入研究。