国内外研究状况综述

1.5.2.1　国内外水锤理论研究状况

人类对于水锤的研究最早起源于对声波、水波的传播以及动脉血管中血液流动的探究[142]。牛顿使用理论分析和实验验证的方法对空气中声波的波速进行了研究，近似对渠道中水波的波速计算公式进行了推导，但该公式被后人证实是错误的。拉格朗日作了同样的推导，对公式进行了修正，得到了渠道中水波波速计算的正确公式。欧拉也对波的传播进行了研究，丰富了弹性波传播理论，推导出了波传播的偏微分方程。Monge研究了波传播的偏微分方程，提出了两种不同的解法，分别为图解法和特征线法。Menabrea在考虑流体的可压缩性和管壁的弹性的条件下，根据能量原理，推导出了水锤波波速计算公式，阐明了水锤的基本理论，奠定了弹性水锤的理论基础。

从20世纪30年代开始，水柱分离弥合水锤的危害越来越受到专家学者的重视，直至今日弥合水锤的理论还在进一步的探索中。Angus提出了针对复杂输水管道系统的水锤压力和水柱分离的有关计算方法。Richard研究分析了泵送管路系统中水泵发生停电事故时出现的水柱分离水锤。Duc也对管道中具有水柱分离现象的水锤进行了探究，并对管道里的负压进行了研究，得出了负压的产生原因。美国V.L.Streeter教授和E.B.Wylie教授对瞬变流及水锤进行了理论分析和实验研究，他们的成果写在了Hydraulic Transients一书中，之后研究水锤理论的学者们都以这本书作为参考。

近年来，气液两相瞬变流成为了水锤理论的一个重点研究方向。A.Bergant和A.R.Simpson等人对压力管道中水柱分离现象的历史研究进行了总结，着重对水流瞬时汽化、气蚀导致的水柱分离的试验研究进行了论述。Hatcher和Vasconcelos[143]通过实验方法对断流空腔的特性进行了研究，论述了数值模型与实际情况之间的差异。Adamowski[144]等人运用实验方法研究了离散型空腔，得到了模型与实验一致的结果。Autrique[145]等人研究了断流弥合水锤的理论模型，提出了应对气体释放的处理方法，并进行了试验。Soares[146]等人研究得出结论如果忽略气体释放，液体的黏性对摩阻有很大的影响。Apollonio[147]等人考虑了气体释放和液体汽化在水柱分离处的相变影响，认为含气量的改变会引起水锤波波速的变化。Daily[148]等人分析研究了瞬态气液两相流的基本方程式。Kiyama[149]等人通过理论与实验相结合的方法对断流弥合水锤模型进行了研究。Oscar[150]等人研究了在输水管道水流放空下的问题，根据水相传播原理和气穴的热力学效应，提出了一种新型一维刚性模型，并通过实验进行了验证，证明此模型符合实际放空管道情况，同时提出通过安装空气阀能够排除由于管道排空所产生的负压。Tae Uk Jang[151]等人对管道中带气穴的两相流水锤建立了准二维模型，通过实验验证其准确性，并与一维模型模拟结果进行对比，结果表明准二维模型的模拟结果与实验结果更加接近。Vicente S.[152]等人建立了气体在理想气体和不可压缩气体两种条件下的数学模型，并通过实验验证了其准确性，研究结果表明不可压缩气体的假设在低压条件下也适用，提出了建立空气阀数学模型的新思路。Zhou[153-154]等人研究了管道中的气液两相耦合瞬变流，采用VOF（Volume of Fluid）模型对管道含有空气团的情况进行了二维和三维模拟，并通过实验验证了其准确性。还有一些学者专家在水锤的不同方面进行了研究。J.D.Nault等[155]研究了代数水锤的概念，对特征方法进行了简化，使非定常压缩流段的一维方程的求解更加简便。Mohsen Lashkarbolok[156]针对由水锤造成的管道振动进行了研究，提出了管道振动对水锤的互相影响关系，同时提出了一种基于最小二乘法和局部径向基函数的隐式数值方法来对控制方程进行求解。Apoloniusz Kodura等[157]研究了泥浆运送过程的水锤现象，在数值模拟中引入等效密度，并用实验方法验证了模拟的正确性。

各国的水锤研究学者之间的交流随着对水锤研究的深入不断增多。英国皇家学会流体工程分会定期组织召开国际会议，对水锤研究的进展进行总结和交流[158]。

相比其他国家，我国对水锤问题的研究起步较晚，随着20世纪60年代大量泵站和水电站的建成，人们对水锤才有了认识，对水锤的研究也随之开始。20世纪80年代在《瞬变流》和《水锤计算》这两本书中文译本的出版后，专家学者对水锤研究的关注越来越多，我国的水锤研究进入快速发展阶段。

近年来，我国在水锤研究方面取得了很大的进展。随着许多大型输水工程的建立，输水管道的安全问题越来越受到关注，促进了水锤的理论研究以及水锤防护措施的研发。朱蒙生[159]等使用数值模拟方法对管网直联泵站停泵水锤问题进行了研究，对管网简化、边界条件、终端泄流节点模拟元件处理等若干重要问题进行了分析，并给出了部分计算结果。熊水应[160]等人研究了长距离输水管道中的断流弥合水锤，对水柱分离现象进行了分析总结，提出了断流弥合水锤在防护中的需要重点考虑的问题。张健、俞晓东[161]等人研究了长距离输水工程中的关阀水锤特性，对长距离输水工程中的线路充填现象进行了分析。孙玉东[162]基于特征线分析方法，研究了管道中在考虑泊松耦合情况下发生水锤现象时流体和结构的瞬态响应。对流体压缩波以及管壁纵波的特征关系式和相容性方程式进行了推导，并提出一种结合空间插值和显式时间插值的求解方法。杨祖强、罗希[163]基于改进型多目标遗传算法对含气水锤的防护进行了分析研究，指出了水锤防护的一个新的研究方向。赵修龙[164]等对水锤方程进行了研究，基于有限体积法分别进行了空间和时间上的积分，同时以隐式的Crank-Nicolson格式对偏微分项进行处理，得到了具有二阶精度的水锤方程离散格式。郑源[165]通过理论和试验结合的方法研究了含气水流水力过渡过程，提出气体多方指数对管路系统的水力过渡过程有很大的影响。周领[166-167]等使用模拟软件，对三维关阀水锤进行了模拟，通过与前人实验数据的对比，验证了模拟结果的准确性，三维模拟结果相比传统的一维模拟更为精确。

1.5.2.2　水锤计算方法研究状况

20世纪30年代以前，Alfievi提出的解释法是水锤计算分析的主要方法。1931年，Schngder和Bergeron各自独立完成了水锤分析图解法的创建，此方法忽略管路摩阻项，依据共轭方程，使用图形来进行水锤计算求解，能够将管道中压力的变化直观地展现出来。该方法广泛应用于20世纪30年代至60年代的水锤分析研究中。20世纪50年代，Gray首次提出利用特征线法来对水锤进行计算。随后Wylie和Streeter两位教授深入研究了特征线法，研究成果出版在Fluid Transient一书中[168]。

在计算机技术发展的带动下，水锤的计算方法也进入了数值计算的时代，并发展迅速。水锤的数值计算方法主要有隐式法、特征线法和L-W两步格式法等。隐式法基于有限差分法，广泛使用于主要力不是惯性力的情况中，例如天然河流或人工明渠的流动等。此计算方法稳定性较好且拥有更高的精度，但在长距离管道水锤中的时间与距离间隔关系计算中精度不足。特征线法考虑了摩阻在水锤计算中的影响，其偏微分方程可沿特征线转变成常微分方程，近似成差分方程之后再执行计算。该计算方法稳定性高、边界条件易输入、具有很高的精度，能够对各种管内瞬变流、气液两相流的瞬态进行分析计算，是目前水锤计算中使用最广泛的方法[169]。(www.xing528.com)

1.5.2.3　水锤防护设备状况

Wylie、Streeter等人发明了止回阀、排气阀、调压塔等设备，可对输水管道中的水锤进行防护。J.Izquierdo[170]、Bryan W.karney[171]、Dhandayudhapani Ramalingam[172]及Sang-Hyun Kim[173]等人分别运用不同算法对水锤防护设备的设计参数进行了优化。Leila Ramezani[174]等人通过水锤理论的半解析公式对空气阀的效果进行了研究，并通过实验验证了其准确性，提出了摩擦因素对空气阀防护效果的影响。Moghaddas[175]等人通过自适应的遗传算法研究了空气罐与空气阀联合水锤防护的最优方案，把工程造价设为目标函数，在保证管道安全运行的前提下节省了建造成本。

近年来，我国的多位专家学者在水锤防护设备研究上取得了很大进展，有许多相关的论文发表。研究的主要内容可分为两方面，一方面使用不同方法对如蝶阀[176-178]、空气阀[179-180]、调压塔[181-183]、超压泄压阀[184-185]、空气罐[186-187]等水锤防护设备进行优化改进。另一方面体现在对泵送管路系统的水锤联合防护方案[188-195]的优化上。

1.5.2.4　研究趋势

分析目前国内外水锤研究的现状可知，今后一段时间水锤的研究趋势将主要集中在以下三个方面上：

（1）水锤理论研究。随着更多大型复杂输水工程的建成，水锤防护的难度也越来越大，目前对破坏力最大的断流弥合水锤研究还不够深入，对断流弥合水锤理论和防护还需进一步地研究。

（2）水锤防护设备研究。目前市场上的水锤防护设备种类繁多，如：自力控制阀、超压泄压阀、调压塔、液控蝶阀、水锤消除器、空气阀等，这些设备广泛应用于输水工程，但依然存在不少问题。单独只使用一种水锤防护设备不能满足系统对水锤防护的要求，利用不同水锤防护设备进行联合防护，提高水锤防护效果，降低水锤防护成本是水锤防护研究中的重点。

（3）计算机数值模拟研究。目前计算机技术已被运用到各种科学研究领域中，而水锤模拟软件是目前水锤研究中的必要工具，如今广泛使用的水锤模拟计算软件Bentley Hammer、Flowmasyar、PIPENET及AFT Arrow都是由国外研发的，国内目前还没有成熟的水锤模拟软件，这是我国水锤研究者必须突破的一个课题；水锤模拟计算的难点集中在两个方面。第一方面是水锤模拟计算结果精度问题，边界条件不够精准，模拟计算的结果会与实际偏差很大；第二方面是水锤模拟计算结果展现问题，模拟计算结果如果能够以更加直观、方便的方式展现，人们可以省去不少分析数据的时间，使研究效率更高。