有壓管道恒定流

當(dāng)管流中各運(yùn)動(dòng)要素均不隨時(shí)間變化，則稱為有壓管道恒定流。2100433B

管道非恒定流的水力要素如斷面平均流速(V)、平均壓強(qiáng)（p）等均為時(shí)間（t)和沿流程的距離(s)的函數(shù)：根據(jù)流體質(zhì)量守恒和動(dòng)量原理，同時(shí)計(jì)及流體的可壓縮性和管壁材料的彈性時(shí)，管道截面積（A）和流體密度也是時(shí)間（t)和距離（s）的函數(shù)：

可以導(dǎo)出管道非恒定流的基本微分方程如圖。

式中，g為重力加速度；α為管道軸線與水平面的夾角；λ為沿程水頭損失系數(shù)：D為管道直徑。

對(duì)于棱柱體管道和可壓縮性較小的流體（例如水），并引入水擊波速（a），連續(xù)方程可化為方程（3）

從運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)方程出發(fā)，經(jīng)過不同程度的簡化，可以得出不同的管道非恒定流計(jì)算方法。常見的方法有解析法、圖解法、特征線法、隱式差分法、線性分析法等目前最常用的方法是特征線法，它把連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程這一組雙曲型擬線性偏微分方程變換成四個(gè)全微分方程，然后沿特征線積分，離散為有限差分的形式，用規(guī)定時(shí)間間隔的方法，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解。

管道非恒定流分析計(jì)算廣泛用于水利水電、灌溉供水、能源化工、液壓傳動(dòng)等工程中。例如：水電站、泵站的有壓輸水系統(tǒng)，供水管網(wǎng)，火、核電站的冷卻水系統(tǒng)，化工流體、天然氣和石油輸運(yùn)管路，液壓裝置，管路系統(tǒng)等 。

有壓管道中液體流速急劇變化時(shí)引起管內(nèi)液體壓強(qiáng)大幅度波動(dòng)的非恒定流現(xiàn)象稱為水擊或水錘。管道系統(tǒng)中閥門的快速關(guān)閉及開啟，供水系統(tǒng)中水泵的突然停機(jī)或起動(dòng)，以及水電站機(jī)組負(fù)荷變化使水輪機(jī)導(dǎo)水葉迅速啟閉等，都會(huì)在管道系統(tǒng)中產(chǎn)生水擊。水擊可能導(dǎo)致管道系統(tǒng)振動(dòng)、噪聲和空化，甚至使管道嚴(yán)重變形、壓癟或爆裂。水電站壓力引水道較長時(shí)，常在引水道未修建調(diào)壓室，以減少水擊的強(qiáng)度和作用范圍。水輪機(jī)組引用流量變化時(shí)，除了在壓力管道中發(fā)生水擊外，引水道-調(diào)壓室系統(tǒng)中還產(chǎn)生水體振蕩，這種非恒定流現(xiàn)象常稱為涌浪。運(yùn)動(dòng)要素變化快、幅值大、流體和管壁的彈性影響顯著是水擊與涌浪的主要區(qū)別 。

對(duì)河口潮汐水流及平原洪泛區(qū)洪水演進(jìn)，除需了解沿主流方向的流速及水深外，尚需研究橫向水流擴(kuò)散、回流及兩岸淹沒范圍和水深等，因此需按二維漸變不恒定流方程組用有限元等數(shù)值計(jì)算法求解。

二維不恒定流方程組中的動(dòng)量方程的離散一般采用高分辨率和高穩(wěn)定性的特征分裂格式，用有限元等數(shù)值計(jì)算求解。

二維不恒定流計(jì)算所需資料，除與一維計(jì)算相同者外，還需知道其初邊值條件的橫向分布。水工模型試驗(yàn)也是解決二維不恒定流的有效方法。

三維不恒定流計(jì)算也在研究探索中，工程實(shí)踐中尚未應(yīng)用。 2100433B