摘要：当打开的阀门突然关闭，水流在惯性的作用下，迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是水力学当中的“水锤效应”，也就是正水锤。在水利管道建设中都要考虑这一因素。相反，关闭的阀门在突然打开后，也会产生水锤，叫负水锤，也有一定的破坏力，但没有前者大。

什么是水锤？

在压力管道或容器中，突然停电或者在阀门关闭太快时，由于压力水流的惯性，产生水流冲击波,，就像锤子敲打一样，这就是我们通常所说的水锤。

水流冲击波来回产生的力，有时会很大，从而破坏阀门和水泵。在常见的供水系统中，循环泵的接口处也是水锤现象常发生的地方。

什么是正负水锤？

当打开的阀门突然关闭，水流在惯性的作用下，迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是水力学当中的“水锤效应”，也就是正水锤。在水利管道建设中都要考虑这一因素。相反，关闭的阀门在突然打开后，也会产生水锤，叫负水锤，也有一定的破坏力，但没有前者大。

什么时候水锤产生破坏最大？

在家庭供水系统中，由于水管流量有限，且供水线路一般情况下不会很长，所以水锤现象虽然客观存在，但力量其实很有限。在一般冷水系统中，通常情况下管壁的承压能力是可以抵御水锤的。但是，在热水系统中，就不一定了，需要注意防范热水系统中的水锤。

水锤计算软件哪个好？

目前，市面上的水锤计算软件有Flowmaster，Pipenet，AFT，Bentley hammer。但是最热门且功能强大的，就要数Bentley hammer。下面，我们一起来看看Bentley hammer的软件介绍及介绍吧。

HAMMER软件将水锤效应的复杂原理结合成为简单易用的工程工具，协助水利工程师顺利地进行任何复杂的水锤水击水力计算与设计。

HAMMER 拥有严密计算的引擎和易于操作的界面，得到世界各地的水务部门、市政当局和工程公司的信赖，可以高效识别、管理和降低与瞬态相关的风险。

使用 HAMMER 建模工具，识别需要加以重点保护的部分，同时支持正确的系统设计：

HAMMER软件支持AutoCAD运行环境

HAMMER适用于各种输配水管道系统的水锤分析，包括长距离输水管道、城市市政配水管网、多级泵站系统、调速泵系统、厂区管网、大流量工业水系统及水电站涡轮发电机组及管路的水锤分析。

历经验证的瞬态分析算法

这是水力瞬态流量分析的基准标准。MOC 计算管路中间点的结果，能准确捕捉到可能被忽视的重要结果（例如管路中间负压）。

分析瞬态

出色的数据互用性

HAMMER 具有开箱即用的特点，用户可将该产品用作独立应用程序，或在 ArcGIS、MicroStation® 或 AutoCAD 中使用。不管使用何种平台，HAMMER 均可维护一套建模文件来实现真正的跨平台数据互用性。

HAMMER 可在 MicroStation、ArcGIS 和 AutoCAD 中运行，或者作为独立应用程序运行。

模型构建和管理更加方便

利用 HAMMER，您通过简单的拖拽布局工具就能从零开始组建网络，或者通过 EPANet 导入网络数据。

工程师也可以充分利用地理信息数据、CAD 工程图、数据库以及电子表格来简化模型构建过程。内含的 LoadBuilder 和 TRex 模块可帮助工程师根据地理信息数据分配需水量和节点立面图，从而避免潜在的手动输入错误，简化模型构建过程。HAMMER 还提供了工程图和连接性评估工具，以确保成功建立水力相关模型。

WaterCAD® 或 WaterGEMS® 用户甚至能直接在 HAMMER 中打开WaterCAD 或 WaterGEMS 模型（或反之），从而省去了导入或转换过程。

提供多种水力组件

HAMMER 允许精确模拟多种喘振保护设备和转动设备（水泵和涡轮）受到的影响。用户可从 20 多种设备中进行选择，并可执行无数运行方案，从而制定最恰当的喘振减轻策略。

综合的方案管理使用

HAMMER 的方案管理中心，工程师能够在一个文件内全面控制配置、运行、评估、可视化和比较任意数量的假设分析方案。通过比较无数个方案，分析喘振保护方案，或评估水泵和阀门运行策略，工程师可以轻松作出决策。

结果说明工具借助

HAMMER 中的分析和数据可视化工具，用户可以捕捉转瞬即逝的瞬态现象，确定它们对系统的影响，并根据工作内容选择最合适的喘振保护设备。

专题制图、交互式动画、等高线图和大量现成的报告图形和剖面图选项提供您需要的有用信息。

（1）特征线法

HAMMER所使用的是特征线法数值解，特征线法毫无疑问是对水击动态分析最精准及可靠的算法。其他方法如波图法，波特征法等，都会减少数值解的准确度，因为它们只计算汇流节点处的结果，特征线法则计算节点及沿着管线的结果，精确地捕捉住任何可能会被遗漏的重要变化。

（2）为所有水力元件建立模式

水锤保护设备︰ HAMMER包含了多种水锤控制装置，使用者可以从20余种控制装置中挑选，进行无限次的控制方案模拟与比较，由此发展出最适合的控制方案以缓和水锤的冲击。

水锤保护装置包括排气阀、泄压阀、水锤压力预警阀、调压井(单向、双向、气孔、气囊、可变形状、简单和差动式)、气囊式空气罐(水锤消除器气室)、可控缓闭阀、机械或电子控制设备等。

控制方案包括水泵/水轮机的惯性、重排管道路径及组合、调整泵/涡轮的操作流程、改变调节阀的操作策略等。

水锤水力组件︰ HAMMER包括所有在管道系统中经常使用的水力组件，若使用者想要添加比较特别的组件，也可自行添加用户自定义的组件。 HAMMER 允许您模拟大量的水锤保护设备和运行设备的影响，它们包括︰

（3）为所有水击现象建立模型

HAMMER能够精准的仿真模拟一系列完整的水击瞬时现象，包括一些最需要精准数值计算的情况，例如空化与分离现象。它加入了一套复杂的算法，用来计算气穴的形成，并监看它们的运动和破裂，而且它的可靠数值计算引擎，可以在严谨的振荡理论和弹性理论之间无缝隙过渡。这样的多用途模型让您能够为各种水锤事件建立模拟，包括从深水下水道的填充所导致的缓慢水击波到以音速运动的快速瞬时压力波。

HAMMER 独立运行版软件的停泵工况瞬变流模拟

（4）模型建立以及模型管理

管网输入∶使用简单的拖曳排列工具直接建立您的管网，可以直接识别AutoCAD的图形来自动建立水力模型。您也可以和EPANET、WaterCAD、WaterGEMS、以及其它管网水力模型进行无缝隙的接口连接，以使整个模型建立的过程轻松自如。

弹性计算时间步长︰您可以选择使用 HAMMER内设的时间步长，或者输入您自己的时间步长。

FlexTables多功能表格︰应用完全为使用者量身订制的FlexTable系统，以加速数据输入流程，并且更加轻松的检视结果，利用排序以及过滤功能来查询数据、执行全体的编辑，并且具有实时动态更新表格的功能。

功能强大的表格式数据浏览与编辑工具

工程数据库︰输入一次信息后，可以保留您自己的有关泵、液体、阀门等的工程属性数据集，然后就可以多次使用这些工程数据。Hammer 软件本身带有完整的工程资料库，包括水泵的全特性去西安库、各类阀门的特性曲线库、各种管材管道的阻力系数与弹性模量库、各种设备的局部阻力系数库等。

泵全特性曲线︰输入您自己的泵运行全特性曲线，或从工程数据库中的标准曲线库选择。

（5）初始稳态流计算引擎

HAMMER可以计算您的模型的初始稳态水力条件(计算初始条件)，成为一个完整、独立作业的瞬时分析解决方案。通过系统的初始条件计算，您可以了解供水系统正常运行时的工作状态，如管道的流量、流速以及管道各点的压力。

（6）瞬时水击冲击力计算

自动计算每一个时间步骤的瞬时水击对管道的冲击力的大小及方向，并以表格及图型来呈现分析结果，接着您可以把这个结果输出到结构分析程序中使用。

（7）水泵反转速模拟

自动计算水泵在不同运行工况下的最大反转速及持续的时间，分析水泵反向流量的大小及流速的变化。

（8）水力涡轮模型的建立：增负荷(Load Acceptance )及甩负荷(Load Rejection )

水电站水轮机和压力管道通常是在高压稳态下运行，电力中断或其它紧急事故所引起的快速变化，都可能导致非常高的瞬时压力，可能会损害压力管道或其它设备，若使用 HAMMER进行水力分析，设计者可以确认管道和流量控制设备是否可以承受在正常操作时或紧急事故时可能产生的瞬时压力。 HAMMER 可以建立四种不同的运行状况模型∶瞬态甩负载(instantaneous load rejection)、可控的甩负载(load rejection)、增负载(Iload acceptance)、以及负载变化(load variation)。

（9）报告与结果呈现

彩色显示︰将有问题的区域以彩色地图的方式显示结果，标注出极大及极小压力、流量及气穴或蒸气量，可以很容易地标出负压的区域，而这些负压区域可能会造成气蚀破坏，以图象的方式将高瞬时压力的范围与管道爆裂位置表达出来。

动画演示︰可将动态的计算结果储存起来并进行动画演示，以使结果更加亮眼、有力。随时可以启动或停止动画演示，可以在气穴破裂之间一格一格的播放，也可以直接跳到特定的某一个时间步骤。

灵活的剖面图与图表︰在系统中的任一点描绘出瞬态演变过程，藉此呈现水力参数的时态变化，例如压力与流量，并可增加说明符号、批注、以及控制图形比例、线条类型、阴影、以及标题等，产生用户完全可控制的报告与图表。

HAMMER软件在国内应用广泛，如辽西北长输工程、南水北调工程、东海大桥供水系统的水锤分析、上海青草沙输水系统、深圳北线长距离管道系统等大型工程以及大量援建非洲的水利项目，均采用Hammer来进行模拟设计。

这里，我们列出几个国内设计院实际使用 HAMMER软件进行工程设计的实例。

案例1：东莞六水厂输水管线水锤分析项目

东莞六厂输水管线是一个长距离的大型输水工程，管线总长度为22km，管径为DN2600，管道材质为钢管。总供水规模为50万吨/天。

当泵站水泵停机时，会在管线中引起比较严重的水锤，如右图所示，当没有采取任何水锤防护措施时，停泵后水泵止回阀快速关闭，管线起始端的水锤压力超过管道耐压，同时存在大面积的管道负压，因此,需要通过 HAMMER软件的分析，消除管线的水锤高压和负压。

计算过程︰

首先考虑常规的防水锤措施，即在管道上布置排气阀，在水泵出口设置液控缓闭止回蝶阀，调整阀门的关闭规律，分析这些措施是否能够有效地消除水锤压力。

（1) 根据设计院的排气阀布置方案，在管道上共设60个DN200的排气阀。排气阀高压微量排气孔截面积为17mm2。

排气阀布置位置表（部分）

⑵ 泵站水泵出口设置微阻液动缓闭止回阀，可两阶段关闭。调整每个阶段阀门的关闭所用时间以及开度，考察水锤压力的变化，以找出合理有效的阀门关闭规律。关闭速度与分析结果见下表所示。

缓闭止回阀关阀速度设定及水锤分析结果表

结论︰

(1) 泵站水泵断电停泵后，在管道中将产生水锤现象，主要形成负压的危害。当设置排气阀后，通过设置合理的水泵出口阀门缓闭速度，可以有效地消除水锤。

(2) 根据分析结果，在管道中设置60个排气，缓闭阀第一阶段10秒关闭90%(或80度)，第二阶段45秒关闭10%( 10 度)，可以使管道的最大负压为-0.8m，满足压力要求。

(3) 管道压力分布见下表︰

水锤分析结果表（部分）

案例2：辽宁省LXB长距离输水管线水锤分析项目

大口径管道长距离输水项目使用了 HAMMER水锤分析软件进行整个管线的水锤防护分析计算, HAMMER是 Bentley的海思德产品线中针对管道水锤模拟和水锤防护优化设计软件。

这个项目管道总长度近600公里，管道部分200公里由2800mm 至5600mm管道组成，此外还包括有压隧洞和无压隧洞等多种复杂工况。是世界上连续隧洞最长的工程，水力过渡过程的控制事关工程的投资和运行的安全可靠。

项目特点︰该项目属大口径、超长距离，大流量、全重力流输水系，系统复杂，边界条件组合数量巨大，计算量巨大。系统中含有大量特殊组件的计算，包括无压洞、分水堰等。管道部分爆管事故泄流量巨大，传统方法难以有效控制。

需解决的主要问题︰

（1）计算输水系统的初期充水及稳态运行工程，核定管线的过流能力，计算各工况下全线压力分布状况。对于不能满足安全运行要求的管段，应提出相应处理措施。

（2）计算由于各分水口用水量变化及检修关阀时主线路中的压力波动状况。判断其对主管线的影响以及改善措施。

（3）计算在主线线路单管或多管工作状态下进行检修工作时，由开关阀而产生的压力波动情况，提出在现有工程状况下的最佳开关阀规律，提出安全，经济，可行的减压措施。

（4） 根据工程设计，核算管道上空气阀位置，数量，口径是否满足安全运行要求。核算溢流井位置，数量是否满足要求，有无改进措施。

（5）计算输水系统在事故状态（爆管工况）下的水流情况，提出在事故状态下的可行的关阀方案，并计算事故中大概的泄流量。

实施情况︰该项目的水力模型建立及水锤模拟分析全部采用 HAMMER软件完成，由辽宁水利院提供系统CAD格式管线纵断图和平面图，使用Hammer软件的“模型建立"功能建立水力模型，该项目模型包括15000个节点，1596个排气阀，324个检修阀门。 HAMMER软件分别对各种可能的事故工况进行模拟分析，得到各阀门的最优启闭规律，将水锤危害降低到规范允许范围内。

结论：

HAMMER软件所提供的各类工具可以帮助水锤分析工程师能够快速完成复杂的水锤分析计算，迅速得到可行的阀门启闭方案。LXB项目是目前国内规模最大的输配水工程，该工程的水锤分析计算使用 HAMMER软件仅用了2天。

时间完成了模型建立工作，数周时间及完成了全部上百个工况的模拟、分析与关阀方案优化过程。该项目已于2013年7月通过了辽宁水利厅组织的专家评审。

案例3∶张家口市区、崇礼县补水工程

张家口市区、崇礼县补水工程（一期)管线全程由十级加压输水管线、一重力流输水管线和三段无压隧洞组成︰

应用 HAMMER完成水力计算，主要计算分析内容如下︰

(1) 恒定流状态下的水压分布；

(2) 对停泵和启泵的水力过渡过程进行分析计算，确定非恒定流条件下的沿程最大、最小水锤压力包络线；

(3 )对不同工况的水力过渡过程进行分析计算，提出管线系统的运行操作规程；

(4) 水锤防护措施的确定。

实施情况︰该项目的水力模型建立及水锤模拟分析全部采用 HAMMER软件完成，由设计院提供系统CAD格式管线纵断图和平面图，使用Hammer软件的“模型建立"功能建立水力模型。 HAMMER软件分别对各种可能的事故工况进行模拟分析，得到各阀门的最优启闭规律，将水锤危害降低到规范允许范围内。

最终结论︰

各泵站出口闭止回阀关阀参数汇总表

部分泵站需要增设空气压力罐。

空气罐参数汇总表

案例4：丹东引水工程管线水锤分析项目

介绍︰丹东引水管线水锤防护项目使用了 HAMMER水锤分析软件进行整个管线的水锤防护分析计算。丹东引水管线作为一个长距离的大型调水工程，管线大口径、大流量、多用户构成其典型特点。丹东引水管线设计中，在PCCP管系统设置有蛤蟆塘分水口、应急分水口和四道沟分数口3处分水管道，以及大量排气阀等设备。因此，系统建筑物及水力系统运行工况比较复杂。

整个系统水力计算主要包括两大部分∶输水线路恒稳状态下的恒定流水力计算及管线系统停泵、泵启动和水厂停水等水力过渡过程计算分析。丹东引水管线总长度为32km，管径为DN1600-DN1800，管道材质为PCCP管。总供水规模有两种，一种为2015年正常供水量15.9万吨/天，另一种为2015年应急供水量35.9万吨/天。分别计算这两种供水量工况的水力过渡过程。

需解决的主要问题︰

(1) 对停泵与泵启动的水力过渡过程进行分析计算，确定阀门合理的开、关规律。确定各种可能的非恒定流条件下的沿管线最大、最小水锤压力包络线。

(2) 对沿途水厂停水的水力过渡过程进行分析计算，确定阀门合理的开、关规律。确定各种可能的非恒定流条件下的沿管线最大、最小水锤压力包络线。

(3) 水锤防护措施的确定。

实施情况︰该项目的水力模型建立及水锤模拟分析全部采用 HAMMER软件完成，采用CAD格式管线纵断图和平面图等技术资料，使用 HAMMER软件的模型建立功能建立水力模型。 HAMMER 软件分别对各种可能的事故工况进行模拟分析，得到各阀门的最优启闭规律，将水锤危害降低到规范允许范围内。

由于本工程水量大，但地势较为平坦，管线高差变化不大，泵站扬程低，当停水关阀时易产生负压水锤现象。经计算，停泵后，如能合理控制水泵出口的缓闭止回阀的关闭速度， 可以防止产生水锤正压力。最终得出结论为，每台水泵出口设置液控缓闭止回阀，停泵后关闭规律设置为快关15秒关闭90%(或80°)，慢关60秒关闭10%(或10°)。

结论∶目前国家规定长距离输水管线必须进行水锤分析计算，以保证供水安全。但水锤计算过程十分复杂，需要有一种功能强大而使用简便的计算工具。

HAMMER软件的真正价值，在于它可为工程师节省繁重的手工分析运算，使他们集中精力分析结果，专注于地思考如何为用户提供一套科学的水锤防护方案。

HAMMER为水工业界提高生产力和决策质量提供了一个新工具。

案例5：兆丰引水工程

项目介绍∶该引水工程主要由取水工程、引水管道及高位蓄水池3部分组成，工程设计由瀑河与其支流浑河交汇处取水，经泵站提水加压后，通过沿河道或现有公路布设的压力管道输水至兆丰钢厂后山坡上的高位蓄水池，输水管线全长14.254km。引水工程设计流量为0.35m3/s (即 30240m3/d)，高位蓄水池容积1.5万m3。该输水工程采用单排钢管输水方式。管径DN700，材质为Q235。沿线设置检修阀门井3处，排泥井4处，排气阀24处。

分别计算下列工况∶

（1）系统中无流量控制阀门工况

（2）系统中设置普通止回阀工况

（3）设置缓闭阀工况

（4）设置缓闭阀及泄压阀工况

（5）设置缓闭阀及气压罐工况

（6）设置缓闭阀及增加水泵转动惯量工况

实施情况∶该项目的水力模型建立及水锤模拟分析全部采用HAMMER软件完成，采用CAD格式管线纵断图，使用 HAMMER软件的模型建立功能建立水力模型。 HAMMER 软件分别对上述各种可能的事故工况进行模拟分析，得到各阀门的最优启闭规律，将水锤危害降低到规范允许范围内。

最终结论︰

通过最大流量工况停泵分析，本段输水管线采用排气阀和缓闭止回阀、泵站进水母管上设置泄压阀的措施可以达到水锤防护的目的。平均流量校核后仍可以满足规范的要求。

在原设置24个DN100的排气阀基础上，增设﹖个排气阀，具体位置参见表11-3。在泵站进水母管上设置1台泄压阀，泄压阀直径DN400mm，启动压力为0.3 MPa。

停泵后吸水管与压水管均产生水锤波，在泵站入口与出口之间设置旁通管，管径DN600，旁通管安装1台DN600的止回阀。

大泵出口缓闭阀二阶段关闭，第一阶段25秒关闭90%，第二阶段150秒关闭10%。小泵出口缓闭阀二阶段关闭，第一阶段10秒关闭90%，第二阶段60秒关闭10%。

在停泵水锤分析得出的水锤防护措施基础上，分析启泵水锤压力变化情况。线性开启阀门。大泵240秒线性开启，小泵90秒线性开启。

软件详情：OpenFlows HAMMER 水锤和瞬态分析软件 | 高效地识别、管理和缓解瞬态风险

来源：艾三维技术