对于水电站、泵站、长距离供水、城市排水等工程，在系统启停、运行工况切换过程中，因水力异常波动、排气不畅等原因，会出现有压管道内水流冲击大体积滞留气团的水气耦合瞬变流现象，气团压缩-膨胀-迁移-爆出过程中极易产生的异常危险的水锤（或称：气-水锤），足以导致管道爆破的程度。然而，迄今为止，实际输水系统的设计标准只考虑载满水的情况，对于含滞留气团的情况，设计中尚无相应的计算标准和准确有效的预测模型。对于输水系统含滞留气团的瞬变流机理及动态特性缺乏准确的认识。
研究团队充分考虑了水流冲击滞留气团过程中水体弹性、动态摩阻及气团热力学特性对压力衰减的影响，建立了摩阻-能量耗散数学模型，揭示了动态摩阻对引发水气耦合的能量耗散机理。数值模拟和实验数据对比结果表明，所建数学模型能更准确地模拟实验压力波动曲线（图1）。以往恒定摩阻数学模型低估了压力峰值的衰减，系统压力的最大误差发生在第一个波动周期之后，且在初始气团含量较小和入口压力较高的情况下，数值误差较大；气团最大压力峰值的最大误差发生在初始气团体积的临界值附近，气体含量在2%-3%（图2）。Trikha-Vardy-Brown动态摩阻模型与基于卷积的动态摩阻模型相比，具有同样计算精度，且计算效率更高；改进的Brunone模型计算效率更高，同时保持了良好的数值精度。
周领教授、曹云博士生、加拿大多伦多大学Bryan Karney教授、美国奥本大学Jose G. Vasconcelos教授、刘德有教授等合作完成的论文“Unsteady friction in transient vertical-pipe flow with trapped air”发表在水力学领域享有盛誉的国际顶尖期刊《Journal of Hydraulic Research-IAHR》上（https://doi.org/10.1080/00221686.2020.1844808）。研究工作得到国家自然科学基金（51679066、51839008）、霍英东教育基金（161068）等资助。
这是我院瞬变流研究团队近年来在JHR上发表的第五篇关于输水管道内水气耦合瞬变流动态特性和作用机理的学术论文。
图1：摩阻-能量耗散数学模型计算结果与实验结果对比
图2：摩阻-能量耗散数学模型与恒定摩阻模型压力计算结果对比
图3：恒定摩阻数学模型计算误差
