第2章 瞬变流模拟的基本原理

2.1 瞬变流的基本概念及危害

描述水流运动的要素包括诸多方面，主要表现在流体的密度、位置和时间的关系。通常情况下，根据流体运动状态是否随时间发生改变，可将流动分为恒定流和非恒定流两种。在流动中，所有流动要素均不随时间发生改变的流动称为恒定流（steady flow）。流动区域中只要有一个以上要素随时间发生了改变，那这种流动就属于非恒定流（unsteady flow）。在多数情况下，非恒定流也常称为非定常流或瞬变流（transient flow）。然而根据非恒定流的变化强度和不同的领域，人们也称为水锤、水击、水力过渡过程等。严格来讲，任何流动都或多或少随时间发生改变，也就是说实际的流动都属于非恒定流范畴，恒定流也可以看成非恒定流的一种特殊情况。

瞬变流的特点主要表现在，水流随时间发生改变，在描述水流运动的方程中，总有一项或多项水力要素对时间的导数不为零。其表现为密度、压力、流速、流向和流量等水力参数不能维持恒定，总有一项或多项会随着时间发生改变。这种流动是一种不稳定流动。水锤通常指封闭管网中的水流随时间发生急剧改变的非恒定流。过渡过程通常指水流由一种状态过渡到另一种状态的水流变化情况。明渠中的非恒定流动通常称为明渠非恒定流。

在调水工程的系统中，阀门的关闭和开启、水泵的启动或停机、水轮机的导叶开启和关闭以及其他原因使流动状态发生改变，均可以导致瞬变流的产生，管道系统中的瞬变流会使内压力和流量等发生急剧的波动，通常超出恒定流的设计范围，可能在管路中形成振荡、噪声、负压和爆管等危害。在调水工程中，对工程的危害主要表现在以下几方面：

（1）对管路产生额外的瞬变压力，可能导致爆管。在非恒定水流情况下，管路中的流量和压力通常发生波动和变化，特别是内水压力的波动通常超过恒定流情况的设计压力，当最大极值压力波动超过一定的范围时，可能导致管道的破裂和漏水，这种现象是水锤危害较常见的形式。

（2）导致阀门破裂或损坏。阀门的开启和关闭是导致管路发生激烈水锤的主要情况之一，阀门的正常操作通常不会因为水锤导致阀门发生破坏，但是阀门的误操作可能导致阀门上游形成较大的水锤增压，同时，阀门下游可能形成较大的水锤降压，二者叠加，会使阀门整体上承受水流方向的合力，从而导致阀体破坏或阀销发生破坏。

（3）瞬变流产生的负压可能导致管道变形和压扁。封闭管路中的剧烈水锤不仅会增加管道的内水压力，而且也可能导致管路中的压力发生急剧降低，从而导致管路发生变形和压扁。管路中产生负压有两种可能：一是由于升压波反射后形成降压波导致压力下降；另一种是由于关阀时在下游直接产生降压波，这两种情况都可能导致管路中的内水压力过低或者产生负压，从而导致管壁变形和压扁。

（4）水轮机和水泵等发生空蚀破坏。瞬变流也可能导致水轮机和水泵的叶轮发生空蚀破坏，当水锤降压发生在叶轮附近时，在低压环境下水流发生气穴，而这种气穴在叶轮附近溃灭时，可能对叶轮表面产生巨大的撞击力，从而在叶轮上形成微小的破坏，而这种微小的破坏在不断重复和积累的情况下形成大面积的剥蚀和破坏，严重危害水轮机和水泵水轮的效率和使用寿命。

（5）导致供水管路系统发生中断和停水。供水管路系统中的水锤是设计和运行部门非常关注的水力学问题。长距离供水管路正常运行中通常需要开启、关闭以及流量调节等操作，这些操作在管路中都会导致压力和流量的大幅度波动。由于供水管路具有管路长、流量大、管径大等特点，因此，调节过程中的瞬变压力可能超过正常设计情况下的水压标准，特别是泵站失电或阀门误操作等情况下，通常会导致全线系统发生中断或停水。

（6）导致管路形成负压和脱空。在一些起伏不平，或者具有衔接井的长距离管道输水工程中，水锤可能导致管路高点出现负压，这种现象可能导致水柱分离，而水柱弥合时可能带来巨大的冲击压力导致管路破坏。

（7）形成明满流交替现象。在暗渠输水中，瞬变流导致的压力和水位波动可能导致暗渠中的水位急剧上升和降低，对于设置有衔接井的长距离调水工程，大幅度的水位波动导致衔接井或管口发生脱空，这种现象可能导致水流拍打管口，形成噪声和振动。