在瞬态汽蚀条件下水锤预测的应用指南

关键词

水锤，流体瞬态，水力瞬变分析（HTA），瞬时汽蚀，液柱分离，ASME B31.3，离散蒸汽蚀空腔模型（DVCM），离散气体空腔模型（DGCM）

概述

HTA的一个基本目的是给管道设计提供指导，以便在管道系统的设计中考虑水锤的影响。通常情况下，HTA工程师和管道机械设计工程师（或管道应力工程师）在不同的部门工作，并且在某种程度上讲不同的“工程语言”。

HTA工程师关注的事项包括预测流体压力并评估其在预测压力可靠性。管道机械设计工程师需要将HTA预测压力及其对HTA预测结果的可靠性转化为管道负荷和管道应力分析中使用的安全系数。

最近一个美国核设施项目促成了本文作者之间的合作。虽然ASME管道规范关于安全系数提供了指导，但几乎没有将其应用于水锤条件的指导原则。安全性和管道完整性是该项目的一个重要问题，因为这些流体具有放射性。

相关的项目合作将HTA工程师和管道应力工程师聚集在一起，以制定认可HTA预测结果的标准。HTA工程师在软件验证报告中记录了这些标准。这个项目合作不仅涉及到工程设计公司，还涉及到HTA软件的开发人员。

工程设计公司需要有关如何解释和应用HTA预测的实用指导。在HTA中特别具有挑战性的一个问题是模拟瞬态汽蚀（通常称为液柱分离）。当水锤压力波将管道系统中的压力降低到流体的饱和蒸汽压力时，就会发生瞬态汽蚀。在HTA圈内众所周知，最先进的瞬态汽蚀模型也有许多限制和弱点。在许多弱点中，模型有一种趋势，即产生非物理压力预测是不现实的，在某些情况下可能是完全不准确的。制定标准文档的挑战是提供关于如何解释瞬态汽蚀的实用指导，如何忽略不准确的预测结果，如何对各种预测结果的可靠性进行排序，以及在管道应力分析中应使用什么安全系数。

在这次合作之后，作者认为最终文件对大型工程来说很有意义。本文的目的是分享我们合作的成果，并提出将它作为一个指南，供面临类似挑战的其他人使用。

在汇总我们提出的指导原则时，需要作出仔细的判断。作者的目的是创造务实和可操作的东西。在具有瞬态汽蚀的HTA不确定的区域中，这需要在模糊问题上做出一些困难的决定。因此，这就有充分的辩论和分歧的空间，作者也欢迎大家来讨论。希望使用这些标准的工程师应考虑遵循ASMEB31.3第300（c）（3）^[1]条的要求。

所使用的HTA软件AFT Impulse是在市面上可购买到的且是非常常用的，并且AppliedFlow Technology ^[2]和Ghidaoui等人也讨论过^[3]。它利用特征线法（MOC）来求解控制方程（Wylie和Streeter ^[4]，Chaudhry ^[5]）。虽然它是一种通用的商业HTA工具，但它在核工业中应用广泛，并且已经受到核工业用户的的认可（CGD）。它包括两个最受欢迎和最熟悉的瞬态汽蚀模型-离散汽蚀空腔模型（DVCM）和离散气体空腔模型（DGCM）。这些模型记录在文献中（Wylie和Streeter ^[4]，Bergant等人^[6]）。

本文提出的指南最直接适用于基于MOC的水锤软件和应用ASME管道规范的设计。作者已尽最大努力将我们开发的内部文档概括为本指南，以使其尽可能广泛适用。我们在这里创建的指导文件被证明是有用的，并且适用于不使用MOC软件或ASME管道规范的情况。

该指南由以下部分1.0-5.0组成。在本文的最后，对本指南作了总结，作者讨论了他们做出决定背后的一些推理。

名称和符号

S??? 许用应力

_?a?? 由于HTA计算的压力而产生的应力

温度下的拉伸应力

温度下的屈服强度

缩写

CAC??? 汽蚀验收标准

CSF??? 汽蚀安全系数

CSM?? 汽蚀安全裕度

CVR??? 汽蚀体积比

DGCM? 离散气体空腔模型- 用于水锤分析模拟蒸气腔形成和溃灭的模型

DVCM? 离散汽蚀空腔模型- 用于水锤分析模拟蒸气腔形成和溃灭的模型

HGL??? 液体水头线

HTA??? 水力瞬态分析（水锤分析）

HTF??? 液体瞬态力（水锤对管道造成的不平衡力）

MOC?? 特征线法

SF???? 安全系数

SM??? 安全余量

SME?? 主题专家

文章目录

1.0准则简介

2.0定义

3.0安全系数/安全裕度

4.0一般指导原则

5.0具体指导原则