海底输水管路中驼峰气阻的形成机理及预测诊断研究

A hump air blockage usually occurs with the stagnation of gas near the top of the pipeline hump. It is an undesired hydraulic phenomenon, since it can cause extra resistance and unstable fluctuation of local pipe flow. The hump air blockage often leads to the decrease in the cross section of hydraulic pipe, and increase in the energy consumption of the pipeline. As a potential hazard, it seriously affects the efficiency and security of the submarine pipeline. In order to reduce the hazards of the hump air blockage, the program will develop theoretical and experimental studies to reveal the mechanism of the formation and elimination, as well as prediction and prevention of the hump air blockage. The main content of the research include: (1) The process of the formation of hump air blockage and elimination mechanism will be studied, and the critical equilibrium equation will be established; (2) The prediction and diagnosis theory system will be established based on the transient extreme presses, frequency change and phase difference; (3) Based on the characteristics of submarine pipeline, provide air blockage prevention and elimination method, as well as the optimization criterion. The research project will support theoretical system for the design and optimization operation in the submarine water supply pipeline.

海底输水管道的驼峰气阻是指气体在管路高峰位置聚集和滞留，并导致管路阻塞和水流振荡的危害性局部水力现象。它使管路过水断面减小，输水能耗增加，直接影响到海底管道的输送效率和安全稳定，是海底管道健康运行的重大隐患。为了揭示气阻的形成和消散规律，减少和防治驼峰气阻对海底输水管道的危害，本项目将采用流体力学理论和试验测试方法对海底输水管道驼峰气阻的危害特性、临界产生条件、移动与消散机理、以及超前预测和规避准则进行研究。项目研究主要内容包括：（1）揭示海底管道的驼峰气阻形成过程和消散规律，构建驼峰气阻的临界平衡方程；（2）研究驼峰气阻对瞬态水流的干扰机制，通过瞬变极值压力分布、周波变化和相位分析，建立驼峰气阻预测诊断模型；（3）提出海底输水管道驼峰气阻的预防、规避和消除准则。该项目的预期成果将系统地揭示驼峰气阻的形成消散规律，建立相应的判定准则和规避机制，为海底输水管道优化设计和运行提供理论依据。

海底管道输水是目前解决岛屿淡水资源短缺的重要途径之一。在海底输水管道的水力学问题中，驼峰气阻是由于管路高峰位置的滞气作用，使进入管路的气体不断聚集，并在水流拖曳力、摩擦力和浮托力等作用下动态滞留在峰顶附近，对水流形成阻塞和干扰的危害性局部水力现象。驼峰气阻可使管路过水断面面积减小，输水能耗增加，直接影响到海底管道的输送效率和安全稳定，是影响海底管道高效稳定运行的重大隐患之一。为了揭示气阻的临界存在条件及其消散规律，减少和消除驼峰气阻对长距离海底输水管道的危害，本项目通过流体力学理论分析、数值模拟和试验测试方法对海底输水管道驼峰气阻的危害特性、临界存在条件、移动与消散机理、以及预测和规避准则进行了研究。项目完成的主要研究内容包括如下：.（1）通过理论研究，对影响驼峰气阻形成的因素进行分析，确定了影响驼峰气阻的主要因素包括管道逆坡角度、输送流速、以及气体形态等诸多参数。建立了驼峰气阻的临界平衡方程，揭示驼峰气阻的产生、驻留、移动和消散规律。通过试验测试和量纲原理构建了驼峰气阻的本构方程和临界判定准则。.（2）通过理论分析和试验测试，分析了驼峰气阻对恒定水流的动力损耗规律，建立驼峰气阻在恒定流情况下的概化理论模型，揭示气阻对管道的动力损失和降低输送效率的致害机理。将当量气阻以集中元件（单元）的形式嵌入全管路瞬变流模拟模型，形成包含气阻的整体瞬变流模拟模型，通过对不同规模和不同特性的气阻的数值模拟和归纳比较，揭示驼峰气阻对海底输水管道的瞬变响应特性和干扰机理。.（3）针对海底输水管道驼峰气阻的特点，通过理论分析、数值模拟和试验测试相结合，系统地提出气阻的预防、规避和消除措施。.本项目系统地揭示了驼峰气阻的临界存在、移动和消散规律，建立了起伏布置管路中驼峰气阻的判定准则和规避机制，为长距离起伏布置形式的输水管道的气阻防治与消除提供理论依据。.