[发明专利]大进气条件下真空破坏阀的模型计算方法

说明书

本发明属于水锤防护技术领域，为虹吸式出水流道提供较大进气条件下真空破坏阀的模型计算方法。以负压条件下工作的虹吸式出口管道上布置的真空破坏阀为研究对象，将空气阀模型假定做了适当修改，推导出适用于较大进气条件的真空破坏阀模型。将推导出的真空破坏阀数学模型与特征线方程和连续方程等基本方程联立求解得到真空破坏阀处压力的计算公式。本发明提出的真空破坏阀数学模型及计算公式可以更好地模拟虹吸式出水流道上真空破坏阀的实际进、排气特性，实现了对含真空破坏阀供水系统的水力过渡过程的精确计算。本发明为真空破坏阀水锤防护理论的模型验证提供了基础，用于完善水锤防护的理论体系，具有较高科研和实际应用价值。

技术领域

本发明涉及长距离供水工程水锤防护技术领域，具体是一种在较大进气条件下真空破坏阀的模型计算方法。

背景技术

由于水资源分布不均衡、地区生产和经济发展不均衡、环境等原因，部分地区存在水供应紧张的局面，为缓解此局面，建设了诸多长距离供水工程。除在少数地形条件下应用重力流进行供水外，大部分供水工程需采用加压方式进行供水。对于轴流泵或混流泵加压的大型低扬程输水泵站，若在泵后采用虹吸式出水流道，则通常在其驼峰处设置真空破坏阀进行水锤的安全防护。当水泵正常停机或事故停机等原因导致驼峰处的真空度超过设定的限度后，真空破坏阀会迅速开启，在真空压力的作用下向管道内补气，这一做法不但可防止管内压力进一步降低，发挥负压防护的作用，随着进气量的不断增大，还会使得虹吸被破坏，从而起到分水断流的作用，进而可防止逆向虹吸的形成及水泵倒转转速过大。由于真空破坏阀数值模型是其数值模拟计算的基础，将直接影响到所确定出的真空破坏阀防护方案的可靠性，因此对于真空破坏阀数值模型的研究具有重要意义。

真空破坏阀属于一类安全阀，其工作原理和空气阀相近，当其用于一般管道或容器的负压防护时，由于其进、排气量较少，可近似套用空气阀模型进行数值模拟。但对于虹吸式出水流道上的真空破坏阀，其工作特性与空气阀相比主要有以下两点不同：一是进气压力的不同。空气阀的进气压力为0m水柱，即刚开始产生真空时，阀门即打开进气，而对于虹吸式出水流道上的真空破坏阀，由于稳定运行状态下驼峰处即具有一定的真空度，因此真空破坏阀的进气压力应小于驼峰处在各稳定运行工况下的最小压力；根据《泵站设计规范》(GB50265-2010)，若设置真空破坏阀进行防护，真空度宜在2m以上，但又应满足驼峰顶部的最大真空度不超过7.5m，则真空破坏阀的进气压力应介于-2.0～-7.5m。二为阀体尺寸和进、排气量的不同。通常空气阀的阀径较小，约为1/8～1/12干管直径，这一方面导致其过渡过程中进气量较少，故需布置较多数目、通过协同作用才能满足水锤防护要求；另一方面将空气阀进气后的排气过程较为困难，导致空气在管道内滞留，引起压力波动，容易造成爆管等危害，因此空气阀宜作为辅助的水锤防护措施，可较少布置于系统中管线的局部高点处，较优集中布置于系统的尾部。而真空破坏阀由于尺寸相对较大，需设置数目较少，通常一条虹吸式出水流道上只设置一个真空破坏阀，由于其兼具分水断流的作用，当开启后进气量远超一般空气阀的进气量。

本发明将结合以上两点主要区别，以空气阀数值模型理论为基础，通过改变空气阀内气体热力学变化过程的假定，由理想气体等温过程替换为理想气体等熵过程，提供一种适用于较多进气条件的真空破坏阀数值模型的计算方法。

发明内容

发明目的：真空破坏阀在供水工程的水锤防护中发挥了重大作用，但是在以往的研究中没有考虑到真空破坏阀与空气阀进气压力的不同以及二者阀体尺寸和进、排气量的不同，在较大进气条件下仍然用空气阀模型代替真空破坏阀模型进行水力过渡过程的计算，导致真空破坏阀数学模型存在偏差，真空破坏阀模型的不准确使得数值模拟计算结果误差较大，进而直接影响真空破坏阀防护方案的可靠性，所以重新推导大进气条件下真空破坏阀的数学模型是十分有必要的。根据对模型假定条件的重新设定，推导出的真空破坏阀数学模型可以更好地模拟真空破坏阀实际的进、排气特性，以便为实际供水工程提供设计方案。本发明需要解决的问题就是提供一种大进气条件下真空破坏阀的模型计算方法，以数学模型实现对水力过渡过程数值模拟的精确计算。