非恒定流也称为水力过渡过程,它是在流量调节或发生事故情况下,水力要素随时间发生急剧变化的过程。调水工程的非恒定流现象通常发生在流量调节情况下,它的压力、水位、流速和流量等水力参数随时间发生急剧的变化。由于非恒定流的水力参数往往超出恒定流的设计范围,影响到工程的运行控制和安全性,成为设计和运行单位广为关注的问题之一。以往人们研究非恒定流往往是针对发电站引水管道系统的瞬变流,对输水工程的非恒定流的研究并不多,随着输水工程的大量兴建,特别是有压输水形式被广泛采用,输水系统中的非恒定流现象受到极大的关注,对输水系统的非恒定流研究成为极具实际意义的课题。鉴于调水系统非恒定流的研究现状,本文在前人的理论基础上,通过扩充和借鉴,对输水系统的非恒定流现象进行了较为系统的研究。并且对多项实际工程的非恒定流现象进行了数值计算和试验研究,包括昆明市掌鸠河引水供水工程、宁波市白溪水库引水工程、引滦入津工程和南水北调工程等。研究非恒定流的途径通常可分为物理模型和数学模型,由于调水系统从结构上讲是一种线性建筑物,因此对全线做正态水力学模型存在较大难度,变态的半比例模型又无法达到理想的模拟效果。纯数值计算对局部建筑物的水力特性难以把握。目前的研究方法通常是采用局部模型试验与数值计算相结合,其基本思路是:通过局部水力学实验测得局部建筑物的基本水力参数和变化规律,然后以这些参数为基础,结合数学模型,对整个输水系统的特性进行研究。本文的重点是对调水工程非恒定流的数学建模和计算方法进行研究,并将其应用到实际的工程中。从不同类型调水工程的水力特性出发,对分段低压输水,整体压力输水和泵站加压输水等复杂输水结构的水力过渡过程进行数值计算和理论分析,建立了输水工程中各种不同流态情况下输水结构的数学计算模型,编制程序对各种不同工况下的水力过渡特性进行数值模拟。通过分析各种水力变化的计算结果,预测工程在运行中可能出现的实际问题,从工程的设计和运行角度提出相应的解决方案。本文的主要结论可以概括成如下几方面:(1)根据分段压力输水线路的恒定流水力学特性,引入分段低压输水系统的概念和详细的定义。建立输水系统的非恒定流计算模型,编制程序对具体工程的调节过程进行计算,发现输水系统的水流振荡及其向下游传播的共振问题,这是本文的独到之处,也是本文研究的核心问题。对分段低压输水的水力特性进行理论分析和数学推导,建立分段低压输水系统输水单元的水流振荡方程,导出固有水力振荡频率的计算公式;证实水流振荡向下游传播逐渐放大的现象是由于水<WP=4>流共振所致,提出控制水流共振的结构优化方法;对优化后的工程进行数值模拟,验证了理论推导和结构优化的合理性。(2)鉴于工程的实际运行中可能出现前池漫顶溢流、结合井侧面堰溢流弃水、明满流交替以及事故塌方等异常的非恒定流情况,基于一定的假设,建立了输水系统非恒定流数值计算模型,并对前池溢流、结合井明满流交替过程进行计算和分析。采用虚拟的闸门关闭过程模拟塌方情况下输水道的非恒定流特性,对管路中的水位、流量进行预测。计算结果表明,分段低压输水系统在事故情况下的水力条件较整体压力输水系统的好,事故只对所在的输水单元造成较大危害,而对其它输水单元的影响较小。(3)从阀门的基本特性出发,对阀门的串联、并联和阀门的复杂组合情况进行分析,用数学方法描述阀门在不同组合情况下的水力特性。建立非恒定流计算中阀门组合的边界处理模型,对简单管路的水击压力过程进行计算分析,说明了阀门关闭方式和不同流量特性曲线对水击压力过程有较大的影响。建立多阀门多分支调水系统的水力过渡过程数值计算模型,计算结果表明,系统的开启和流量增大过程能够很快达到稳定,但为了防止关闭过程导致的水位波动和负压现象,复杂阀门系统在输水线路中需要进行协调联动。(4)明渠在恒定流情况下的水面线是非恒定流计算的基础,从试算法的原理出发,本文提出求解明渠水面线的变步长增量法。通过对管渠组合系统进行分析,将普里斯曼的窄缝法应用于管渠结合的非恒定流计算,建立了管渠组合结构的非恒定流同步计算模型,它能够模拟输水结构的恒定流和非恒定流。考虑到管中的水击波速远远大于水面的波速,通过采取不同的分段长度,使计算的时间步长大致相同,能够有效地减少插值导致的误差。(5)本文通过分析和借鉴,采用 Lagrange 插值多项式计算水泵的全特性曲线,并从已有的数据出发,利用霍兰特实验的数据采用二次多项式进行插值求解任意比转速的水泵全特性曲线。针对复杂的泵站系统和具有自由水面的复杂边界,本文提出前项差分的计算方法,该方法在计算带自由水面的复杂边界时能够使建模和计算得到极大的简化。结合南水北调天津干线二级加压(可行性研究)方案,建立全线计算模型,对平原地区的加压调水线路进行非恒定流计算,并分析平原加压泵站在断电情况下的水力特性。