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水 利 学 报

２０２４年 ２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０２ － ０１３７ － １１

水击补气式压力罐及水力瞬变仿真

杨开林

（流域水循环模拟与调控国家重点实验室 中国水利水电科学研究院，北京 １０００３８）

摘要：空气阀常常安装在输水管检修孔侧壁，进气后部分气体就会存留在检修孔上部产生气垫式压力罐的水击防
护作用。据此，提出了水击补气式压力罐装置的设计方法，即利用泵站事故断电产生的水击负压现象，通过真空
破坏阀或空气阀给压力罐补气，以防止输水管发生液体汽化现象并削减水击最大压力。然后，建立了水击补气式
压力罐水力瞬变数值仿真数学模型。最后，以一个实际输水工程为例，计算比较了分别设置空气阀、空气阀调压
室及真空破坏阀补气式压力罐时的水击防护效果，结果表明，补气式压力罐水击防护效果最好。
关键词：水击；空气阀；真空破坏阀；压力罐；补气；仿真
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｖ １ ３ ６ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０３８４
文献标识码：Ａ

１ 研究背景

空气阀是管道输水工程中必不可少的防止水击破坏的调压设备，一般间隔 ５００～１０００ｍ距离就会
设置。此外，长距离输水管道一般采用地下埋设的方式，当管道直径较大时，需要在间隔 １～３ｋｍ距
离设置检修孔，其内径一般为 ０．８～０．９ｍ，以便进人检查输水管是否存在严重泄漏。在一些埋深较大
的城市输水管线，检修孔高度或顶盖与输水管顶部的距离 ｈ 可达 ３～５ｍ以上。为了节省空间，空气
ｏｒｉ
阀和检修孔常常共用一个地下室。同时，为了不停水检修空气阀的需要，每个空气阀都配套相同规格
的手动检修蝶阀。由此产生了两种主要的空气阀安装方式：（１）空气阀－ 检修阀 － 连接管垂直安装在输
水管顶部；（２）空气阀－ 检修阀－ 连接弯管安装在检修孔侧壁，如图 １（ａ）所示。为便于安装和拆卸检修
孔顶盖，连接弯管与顶盖之间需要一定距离，这使空气阀进气后的部分气体会存留在检修孔上部，产
生气垫式压力罐的水击防护作用，如图 １（ｂ）所示。
为了兼顾管道充水和泵站事故断电水击危害防护的需要，规范要求采用计算仿真的方法确定空气
［１］
阀的位置、类型和孔径。目前一般采用著名瞬变流专家 Ｗｙｌｉｅ和 Ｓｔｒｅｅｔｅｒ 的数学模型求解空气阀的水
力瞬变 ［２ － ９］ ，该数学模型成立的基本假设包括：（１）管内气体的变化遵守等温规律；（２）液体表面的高
度基本不变，即忽略空气阀及其配套检修阀和连接管高度的影响。
虽然 Ｗｙｌｉｅ和 Ｓｔｒｅｅｔｅｒ的空气阀水力瞬变数学模型在工程计算中广泛采用，包括现有商用软件，但
是该模型基本假设 １和 ２在理论和实用方面均存在问题。为此，杨开林 ［１０］ 基于等熵流动的气动力学理
论，建立了管内气温与气压的函数关系，从而导出新的空气阀进排气基本方程，然后，考虑空气阀安
装方式 １条件下空气阀－ 检修阀－ 连接管结构尺寸的作用，提出了新的空气阀水力瞬变数学模型及其求
解算法。不过，对于空气阀安装方式 ２条件下的水力瞬变过程，目前尚未引起关注，缺乏基本的理论
研究。
另一方面，在现有的空气阀安装设计中一般要求将通过空气阀进入输水管的气体完全排出，原因

收稿日期：２０２３ － ０６ － ２８；网络首发日期：２０２３ － １１ － ２８
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３１１２４．１７０４．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家重点研发计划项目（２０１８ＹＦＣ１５０８４０３）；国家自然科学基金项目（５１９７９２９１，５２００９１４４）
作者简介：杨开林（ １９５５—），教授级高级工程师，主要从事水力瞬变研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｙｋｌｃｉｗｈｒ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ

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