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水 利 学 报

２０２２年 ８月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 ８期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）０８ － ０９８４ － ０７

输水管道含沙水锤模型及特性研究

汪怡然，俞晓东，石 林，张 健
（河海大学 水利水电学院，江苏 南京 ２１００９８）

摘要：水锤现象的准确描述对于长距离供水工程安全稳定运行有着至关重要的影响，但传统的水锤模型缺乏对于
输水管道含沙水锤的深入探讨与分析。本文基于费祥俊阻力模型定义了管路当量摩阻，借鉴韩文亮浆体水锤波速
公式推导了非均质流含沙水锤特征线方程，采用特征线法计算得到了不同泥沙颗粒参数下 ＲＰＶ系统的关阀水锤
压力，并与清水水锤计算压力对比。结果表明：清水水锤数值计算瞬态压力与实验数据较为吻合；含沙水锤压力
３
增量与含沙量呈正相关而与颗粒直径无关，含沙量 １００ｋｇ?ｍ 时最大水锤压力为 ７７．９１ｍ，较清水计算结果高出
７．７１％；由当量摩阻换算得到的管路糙率与含沙量和颗粒直径呈正相关，与初始流速呈负相关。相关研究成果为
高含沙流域长距离供水工程安全运行与水锤防护提供了参考。
关键词：输水管道；非均质流；含沙水锤；特征线法；数值计算
中图分类号：ＴＶ６７４ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０１６９
文献标识码：Ａ

１ 研究背景

近年来，由于水力元件 众多、沿 线 地 形 地 质 情 况 复 杂 等 原 因，长 距 离 供 水 工 程 的 运 行 事 故 频
发，管路水锤是产生爆管事故的主要原因之一 ［１］ 。目前，长距离供水管路水锤问题的研究主要针对
单相流或气液两相流（液柱弥合） ［２ － ４］ ，关于固液两相流的研究较少。而我国主要河流的含沙量较高
（例如黄河的平均含沙量高达 ２６．５ｋｇ?ｍ ３［５］ ），含沙水的流动特性又与清水相差甚远。如何求解含沙
水锤压力、评估泥沙颗粒参数对高含沙流域长距离供水管路运行安全的影响，成为一个不可忽视的
问题。
由于泥沙在液体中受惯性力、重力、阻力的共同作用，其滚动、跳跃、悬移的运动过程难以描
述，学者们通常倾向于在宏观上划分固液混合物（本文为含沙水）类型，但基于固相浓度、颗粒直径、
［７］
沉降速度等参数制定的判定标准尚未统一。本文借鉴费祥俊 ［６］ 关于管道断面垂向浓度的 Ｗａｓｐ 定
量指标 Ｃ?Ｃ （Ｃ为管顶下 ０．０８倍管径处的固相体积分数；Ｃ 为管路中心处的固相体积分数）为判定
Ａ Ａ
标准：定义 Ｃ?Ｃ ＞０．８即为均质流（伪一相流），反之则为非均质流。尽管钱宁和张瑞瑾均认为高含
Ａ
沙水悬移质属于受湍流支持的非牛顿流体，一旦流速下降便会沉降；费祥俊认为以含沙量高低来区
３
分含沙水毫 无 必 要， 即 便 是 含 沙 量 ９００ｋｇ?ｍ 的 高 含 沙 水 悬 移 质 （Ｃ?Ｃ ＝ ０．５０～０．７３ ）仍 属 于 非 均
Ａ
质流 ［６］ 。
目前针对含沙水锤的研究较少，但在水力输运领域涉及固液混合物水锤（以下简称浆体水锤）的研
究成果较为丰富，这对构建含沙水锤数值计算方法起到了重要的参考作用。韩文亮等 ［８ － １１］ 结合连续性
方程、动量方程、管路和固相颗粒的弹性模量与变形量方程，推导了均质流与非均质流的水锤压力波

收稿日期：２０２２ － ０３ － １２；网络首发日期：２０２２ － ０６ － ０１
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２０５３０．１６０８．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５２１７９０６２，５１８７９０８７）
作者简介：汪怡然（ １９９４ － ），博士生，主要从事流体机械及水利水电工程研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｗａｎｇｙｒ１２１０＠１２６．ｃｏｍ
通讯作者：俞晓东（１９８５ － ），副教授，主要从事水电站及泵站系统过渡过程研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｙｕｘｉａｏｄｏｎｇ＿８５１＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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