哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘要
对于供水管道系统，因事故停泵或突然关阀，当管内压力降到当前水温饱和蒸
汽压时，液态水发生汽化，气泡在特定位置聚集形成蒸汽空腔，随着压力升高，空
腔溃灭而进一步引起压力急剧上升，此断流弥合水锤现象反复出现，严重影响了供
水系统的安全运行。随着高分子材料的迅猛发展，具有粘弹力学特性的管道已经在
城市供水系统中广泛应用。对于粘弹性管道来说，管内水温直接影响管道的粘弹力
学特性以及液体的饱和蒸汽压，进而影响是否产生蒸汽空腔及产生蒸汽空腔的大
小、持续时间等参数，这些参数直接影响断流空腔再弥合水锤的升压。故本文通过
数学建模、数值计算分析和实验研究相结合的方法，研究管内水温对于粘弹性管道
气液两相瞬变流空腔体积的影响规律。
本文首先针对粘弹性管道气液两相瞬变流的数值计算，基于粘弹性管道本构
特性方程、准二维摩阻模型和离散蒸汽空腔模型，构建粘弹性管道离散蒸汽空腔
（DVCM）的准二维模型，采用特征线法进行求解。基于文献中低密度聚乙烯
（LDPE）的气液两相瞬变流实验。比较四组水温情况下（13.8℃、25℃、31℃和
38.5℃），模拟压力与管道瞬变流压力的拟合程度，对模型参数选取，并计算两压
力值之间的均方误差，验证模型的准确性。
其次，利用所建立的模型数值计算文献不同温度实验工况发生气液两相瞬变
流时蒸汽空腔参数，结果表明：随着粘弹性管道（LDPE）水温的不断升高，蒸汽
空腔的产生次数、蒸汽空腔总体积、持续时间、最大蒸汽空腔体积均在不断减小，
蒸汽空腔产生时间有所延迟。
最后，本文搭建了高密度聚乙烯管（HDPE）实验装置来进行不同水温下气液
两相瞬变流实验，实验在9个不同温度下进行，温度每次递增3℃，每个水温重复
8组实验，共计进行72组实验。实验数据表明：水温增加，HDPE管道蒸汽空腔
的持续时间减小，每增加3℃，减少比例约为15%。此外，水温不断升高，管道粘
弹性效应增强，压力衰减增加，峰值压力减小，波谷压力上升，每增加3℃，HDPE
管第二次波谷的压力值每次增加不超过0.6m，增加比例不超过5%；第三次波谷的
压力值每次增加不超过0.7m，增加比例不超过10%。研究结果表明，随着粘弹性
管道水温的不断升高，蒸汽空腔体积、持续时间均在不断减小，断流空腔再弥合水
锤的压力也会相应减小，对粘弹性管道造成的危害减小。
该论文的研究成果揭示管内水温对粘弹性管道气液两相瞬变流气腔形成及溃
-I-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
灭的规律，为工程中建立有效的粘弹性管道水锤防护措施提供依据。
关键词:水温；粘弹性管道；气液两相瞬变流；空腔体积；持续时间
-II-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Abstract
Forthewatersupplypipelinesystem,whenthepumpisstoppedorthevalveis
suddenlyclosedduetoanaccident,whenthepressureinthepipelinedropstothe
saturatedvaporpressureofthecurrentwatertemperature,liquidwatervaporizes,and
bubblesgatherataspecificpositiontoformavaporcavity.Asthepressurerises,the
cavitycollapses,whichfurthercausesthepressuretorisesharply.Thisphenomenonof
waterhammerbridgingbyinterruptiona