輸水管道含沙水錘模型及特性研究

汪怡然，俞曉東，石 林，張 健

(河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

近年來，由于水力元件眾多、沿線地形地質情況復雜等原因，長距離供水工程的運行事故頻發，管路水錘是產生爆管事故的主要原因之一[1]。目前，長距離供水管路水錘問題的研究主要針對單相流或氣液兩相流(液柱彌合)[2-4]，關于固液兩相流的研究較少。而我國主要河流的含沙量較高(例如黃河的平均含沙量高達26.5 kg/m3[5])，含沙水的流動特性又與清水相差甚遠。如何求解含沙水錘壓力、評估泥沙顆粒參數對高含沙流域長距離供水管路運行安全的影響，成為一個不可忽視的問題。

由于泥沙在液體中受慣性力、重力、阻力的共同作用，其滾動、跳躍、懸移的運動過程難以描述，學者們通常傾向于在宏觀上劃分固液混合物(本文為含沙水)類型，但基于固相濃度、顆粒直徑、沉降速度等參數制定的判定標準尚未統一。本文借鑒費祥俊[6]關于管道斷面垂向濃度的Wasp[7]定量指標C/CA(C為管頂下0.08倍管徑處的固相體積分數；CA為管路中心處的固相體積分數)為判定標準：定義C/CA>0.8即為均質流(偽一相流)，反之則為非均質流。盡管錢寧和張瑞瑾均認為高含沙水懸移質屬于受湍流支持的非牛頓流體，一旦流速下降便會沉降；費祥俊認為以含沙量高低來區分含沙水毫無必要，即便是含沙量900 kg/m3的高含沙水懸移質(C/CA=0.50～0.73)仍屬于非均質流[6]。

目前針對含沙水錘的研究較少，但在水力輸運領域涉及固液混合物水錘(以下簡稱漿體水錘)的研究成果較為豐富，這對構建含沙水錘數值計算方法起到了重要的參考作用。韓……