随着我国国民经济的发展,长距离输水工程越来越多,保证长距离输水工程的运行安全是首要任务。特别是泵系统和树状重力输水系统,引起泵系统瞬变流的原因较多,可以是人为调节产生的扰动,如泵系统中的阀调节、全调节叶片泵的叶片安装角度的调节、水泵的转速调节等等,也可以是其它偶然因素产生的系统扰动,如电力中断导致的事故停泵等,事故停泵引起的瞬变过程往往是造成管道破裂或其它工程事故的最主要原因。树状重力流系统水源单一,用水点较多,与一般输水系统相比,树状重力流输水系统更为复杂,瞬变过程存在更多的不确定性因素。如果多个支管末端阀门在较短时间内相继关闭或开启,将会引起系统内瞬变压力波的叠加,导致过高的正压或严重的负压。因此,本文针对泵系统和树状重力系统瞬变控制方法进行研究,既可提高泵系统和树状重力流系统的瞬变控制效果,又有利于减小控制瞬变措施的工程投资,这对降低工程造价、提高系统运行中的安全可靠性与运行稳定性具有重要意义。本文采用理论分析、数值模拟与工程应用相结合的研究方法,运用瞬变流的基本理论和数值计算方法,在前人研究的基础上使用科学计算语言Matlab编程,对泵系统和树状重力流系统瞬变控制方法进行更进一步的研究,具体研究成果如下:1.空气阀是安装在输水管道上的常用装置,目前空气阀在工程应用中的存在盲目性和随意性问题。空气阀型式和孔径选择不合适,会使空气进入管道不及时而引起汽化现象或管道内的空气快速排放而引起水柱分离再弥合瞬变正压。为了研究空气阀控制瞬变的机理、空气阀的控制瞬变效果和空气阀控制瞬变的影响因素,本文运用基本瞬变理论和特征线方法,建立空气阀边界条件,使用科学计算语言Matlab对算例进行数值模拟计算。计算结果表明:进气孔径和排气孔径尺寸不相同的空气阀比进、排气孔相同的空气阀的瞬变控制效果更好,空气阀控制瞬变的主要影响因素为空气阀的进气孔面积Ain,排气孔面积Aout,孔口面积比ε和上浮压力系数ω。实际工程应用中,要想达到理想的瞬变控制效果,应根据实际工程对空气阀的影响因素进行优化计算。2.旁通管作为一种经济、简单的水锤防护措施被用来控制因水泵事故停泵引起的瞬变极值压力。目前使用的传统型旁通管在工程应用上存在一定的局限性,本文针对其局限性对传统型旁通管进行了改进,提出改进型旁通管。与传统型旁通管相比较,改进型旁通管中的控制阀是以UPS控制器决定阀门启闭的液控阀,这种改进可以精确控制液控阀的启闭,有利于瞬变控制。为了研究改进型旁通管控制瞬变的效果,在特征线方法的基础上建立了包括改进型旁通管、止回阀和水泵的复杂系统的数学模型。以某工业园区供水工程为例,数值模拟了该泵供水系统事故停泵后的瞬变过程。另外,通过6个方案对影响改进型旁通管控制瞬变压力效果的关键参数(改进型旁通管的直径d,长度l和改进型旁通管中液控阀的启闭时间t1,t2,t3,t4)进行敏感性分析研究,对泵供水系统典型断面极值压力变化和管道压力包络线的分析和比较,说明选择合适参数的改进型旁通管能够将输水系统中的瞬变压力控制在合理范围。为泵系统瞬变控制方法的完善和发展提供了技术依据,具有重要的学术价值和实用价值。3.本文以树状重力流输水系统支管末端阀门关闭(分别以5s关闭、30s关闭、50s关闭、75s关闭和100s关闭)分别在8个分水口处引起的瞬变压力变化为研究重点,分别数值模拟计算了单个阀门关闭分别在8个分水口处引起的瞬变压力变化;整个树状重力流树状系统11个阀门全部同时关闭分别在8个分水口处引起的瞬变压力变化;9#、10#和11#阀门分别同时关闭和叠加关闭在8#分水口处引起的瞬变压力变化;整个树状重力流树状系统11个阀门全部阀门叠加关闭分别在8个分水口处引起的瞬变压力变化。计算结果表明:每个阀门关闭引起的最大瞬变压力在相同断面上出现的时刻相同,最大瞬变压力波就会发生相长叠加。各支管末端阀门叠加关闭引起的最大瞬变压力相长叠加后的压力升高值△H2大于各支管末端阀门全部同时关闭引起的压力升高值△H1,也大于单个阀门关闭引起的瞬变压力升高值的累加值∑△H。本研究提出了树状重力流输水系统最不利瞬变压力的确定方法,证明发生相长叠加后的瞬变压力为最不利瞬变压力,为树状重力流输水系统瞬变控制措施的选择提供了科学依据。