输水管道系统含滞留气团瞬变流的动态特性及爆管机理研究

输水管道系统是水电站、泵站和城市供排水工程的重要组成部分。在这类管道沿线的凸起段、封闭端及放空检修段等部位常可能滞留大体积气团，在水泵启停或阀门启闭过程中，该管道内即会发生水流冲击滞留气团的复杂的局部三维瞬变流现象，由此产生的异常压力波动极可能造成管道爆破事故。目前，国内外对这种特殊瞬变流还仅进行了一维简化模拟分析，对其引起爆管的机理也缺乏深入准确的认识。本项目经理论分析、数值模拟和实验观测，研究管道内水流冲击滞留气团的局部三维流场动态分布以及管道沿线的水力动态特性；研究气团的滞留形态、迁移-变形-裂变过程的变化规律和动力特征及其引起爆管现象的特征和机理；研究滞留气团在管道出口爆出时的整个水力系统的动态响应；提出这种瞬变流的模拟分析理论、预测及防护方法。这对输水工程的优化设计、降低造价、安全运行具有重要的理论意义和实用价值，并可推动本领域的理论创新和技术进步，促进国民经济和社会的发展。

输水管道系统内水流冲击滞留气团将引起复杂的局部三维瞬变流现象，由此产生异常压力波动极可能造成管道爆破事故。本项目研制和搭建了高分辨率自动量测系统实验台，完成了水平管道、水平-竖直管道、起伏管道三种管道系统内水流冲击滞留气团的实验研究；并采用理论分析、数值计算和实验观测相结合的技术路线，系统研究了输水管道内水流冲击滞留气团的动态特性、动力特征以及数值仿真计算方法。.提出了“虚拟塞”简化思想，并将其应用于水流冲击单段气团、多段气团瞬变过程的数学模型的建立。导出了水流冲击滞留气团瞬变流的局部网格插值弹性水体模型。.研究了起伏多变的复杂管道内多段滞留气团的迁移规律、气团间的相互作用及其对系统瞬变压力的影响规律，并指出该情况下系统最大压力将可能远大于仅单段气团的情况。.揭示了在气团、排气孔口的尺寸大小的不同组合时，水流冲击滞留气团的瞬态压力变化曲线及其最大压力存在多种类型的变化规律，提出了排气孔口设置的合理尺寸取值方法。.分析了水流冲击滞留气团的瞬变过程中，排气孔口位置、孔口尺寸以及初始状态的气团长度、入口压力、阀后水深等参数对气团局部三维流场和压力场的影响关系，揭示了输水管道系统参数对系统最大压力的影响规律。.采用VOF模型研究了气团二维和三维瞬变过程特征；仿真分析了气团滞留形态、迁移-变形-裂变-溃灭过程的变化规律和动力特性；探讨了气团引起爆管现象的模拟分析方法。.实验观测发现了“管内白色雾气”现象，结合理论分析，论证了水流快速冲击下，滞留气团的热力学变化特性和变化过程，给出了“管内白色雾气”异常现象的合理解释。.依托本项目培养博士、硕士研究生5名；发表（含录用）期刊论文19篇，其中SCI源期刊论文7篇（其中3篇在审）；开展国际合作交流项目1项；参加国际、国内相关学术会议交流4次；承担相关研究的横向科研项目5项（总经费154万元）。另有4篇论文已投和待投至SCI源期刊。取得了较好的社会经济效益。.