本發(fā)明涉及輸水過流系統(tǒng)中，水流沖擊滯留氣團(tuán)時(shí)氣團(tuán)熱力學(xué)特性的三維模擬方法，屬于水電站(泵站)水力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在實(shí)際水電站、泵站等輸水管道系統(tǒng)中，其沿線的凸起段、封閉端及放空檢修段等部位常可能滯留氣團(tuán)，在系統(tǒng)啟停及工況轉(zhuǎn)換過程中，滯留氣團(tuán)的移動(dòng)、壓縮和膨脹變形、裂變及潰滅時(shí)所引起的水力瞬變，將引起管道系統(tǒng)壓力波動(dòng)和管路振動(dòng)，甚至造成管道系統(tǒng)的破壞。實(shí)際輸水系統(tǒng)所出現(xiàn)的破壞事故，很多與這種含滯留氣團(tuán)瞬變流有關(guān)。然而，至今為止，實(shí)際管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)只考慮管道載滿水的情況，并不考慮滯留氣團(tuán)的存在及其危害；對(duì)于含滯留氣團(tuán)的情況，管道設(shè)計(jì)中尚無相應(yīng)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，且已有成果尚不完善。因此，為保證輸水管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行，針對(duì)滯留氣團(tuán)所引起的瞬變流現(xiàn)象進(jìn)行深入細(xì)致的研究，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

很對(duì)學(xué)者對(duì)上述復(fù)雜瞬變流進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的模擬方法?，F(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型基本上為一維模型，主要包括基于特征性法的彈性水體模型和基于剛性理論的剛性水體模型。在這類模型中，“氣團(tuán)占據(jù)整個(gè)管道截面”和“管道內(nèi)的水氣交界面與管中心線垂直”的假定表示，氣團(tuán)始終集中管道末端，且水流不會(huì)沖擊管道末端面。而實(shí)際上，水流沖擊滯留氣團(tuán)過程中，氣團(tuán)可能被水流沖擊分成若干部分，并最終集中在管道末端的上方。因此現(xiàn)有的一維數(shù)學(xué)模型無法準(zhǔn)確的模擬氣團(tuán)形態(tài)變化，及水流沖擊管道末端面的情況。此外，針對(duì)氣團(tuán)的壓縮壓縮與膨脹，為了數(shù)值計(jì)算的簡單，一般根據(jù)瞬變過程的快慢，令氣團(tuán)的壓縮及膨脹過程遵循等溫或絕熱變化，即氣體多變指數(shù)分別為1或1.4。甚至有些學(xué)者直接將多變指數(shù)取為平均值1.2。至今，對(duì)于氣體多變指數(shù)的取值沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，且上述取值也不能準(zhǔn)確充水過程中能量衰減。

為準(zhǔn)確研究水流沖擊滯留氣團(tuán)過程中氣團(tuán)的熱力學(xué)特性，必須準(zhǔn)確測(cè)量該過程中氣團(tuán)的壓力、體積以及溫度。氣團(tuán)壓力可通過壓力傳感器測(cè)得。而對(duì)于任意時(shí)刻的氣團(tuán)體積，因水氣交界面是自由變化的，氣水高度混摻使得氣團(tuán)位置及體積很難準(zhǔn)確測(cè)定。此外，已有的滯留氣團(tuán)實(shí)驗(yàn)研究中，因溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)大于氣團(tuán)的第一次壓縮過程，故尚沒有準(zhǔn)確的溫度記錄。

因此，對(duì)水流沖擊滯留氣團(tuán)過程采用高維數(shù)值模擬，并盡可能地考慮所有可能的傳熱效應(yīng)，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射，以更準(zhǔn)確地模擬、研究水流沖擊滯留氣團(tuán)過程中氣團(tuán)動(dòng)態(tài)特性以及熱力學(xué)特性是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)在模擬輸水過流系統(tǒng)中水流沖擊滯留氣團(tuán)事件時(shí)存在的不足，本發(fā)明基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)理論，提出了一種模擬水流沖擊滯留氣團(tuán)過程的三維(3D,three dimension)模擬方法，以探索輸水過流系統(tǒng)中水流沖擊滯留氣團(tuán)過程中，氣團(tuán)的動(dòng)態(tài)特性以及熱力學(xué)特性。

技術(shù)方案：一種基于三維CFD的滯留氣團(tuán)熱力學(xué)特性模擬方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1：構(gòu)建水流沖擊滯留氣團(tuán)瞬變流動(dòng)的三維數(shù)學(xué)模型。

步驟2：根據(jù)工程實(shí)例，建立三維流道模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

步驟3：根據(jù)工程實(shí)例，設(shè)置初始條件及邊界條件。

步驟4：求解控制方程系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行壓力、溫度監(jiān)控，并對(duì)氣液界面進(jìn)行追蹤；

步驟5：計(jì)算結(jié)果分析。將三維CFD方法計(jì)算的壓力結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做對(duì)比，以驗(yàn)證本發(fā)明提出方案的可行性。并利用后處理軟件Tecplot 360實(shí)現(xiàn)滯留氣團(tuán)壓縮及膨脹過程中氣團(tuán)位置、形態(tài)以及對(duì)應(yīng)溫度場(chǎng)的可視化。

作為優(yōu)選，所述步驟1中，可壓縮氣水兩相瞬變流動(dòng)采用VOF模型描述，在求解水相體積分?jǐn)?shù)方程、混合相的動(dòng)量方程以及能量方程基礎(chǔ)上，耦合湍流方程使得整個(gè)求解系統(tǒng)封閉。

作為進(jìn)一步地優(yōu)選，引入表征水體密度隨壓力變化而變化的水體可壓狀態(tài)方程，以及壓力波在水中的傳播速度(即水錘波速)，來描述水體壓縮性。引入的水體可壓狀態(tài)方程為：

其中，為液體絕對(duì)參考?jí)毫ο碌拿芏?；?sub>w和K為分別絕對(duì)壓力p_w^*下的液體密度及體積模量。

作為進(jìn)一步地優(yōu)選，為考慮管壁彈性，將管壁彈性折合到水體彈性模量中，對(duì)應(yīng)的水錘波速為：

其中，K_set為根據(jù)實(shí)際波速折合了管壁彈性后的虛擬水體彈性模量。根據(jù)實(shí)際測(cè)量波速，由公式(2)求得虛擬水體彈性模后，將該值反代入公式(1)、(2)即可實(shí)時(shí)根據(jù)計(jì)算的壓力更新水體密度及波速。

作為進(jìn)一步地優(yōu)選，氣體壓縮性采用理想氣體定律描述。

作為進(jìn)一步地優(yōu)選，考慮到熱輻射僅對(duì)于過熱物體以及溫度差很高的物體作用明顯，本發(fā)明中忽略熱輻射效應(yīng)。

作為進(jìn)一步地優(yōu)選，為減小計(jì)算時(shí)間并簡化模型，熱量在固體壁面內(nèi)部的傳導(dǎo)，僅考慮其在管壁法向的傳導(dǎo)，忽略熱量管壁軸向的傳導(dǎo)。這一簡化可在僅設(shè)置管壁厚度的基礎(chǔ)上考慮流體與固體壁面之間、固體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，而不需建立管壁模型并劃分其網(wǎng)格。

作為進(jìn)一步地優(yōu)選，考慮熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流的能量方程為：

其中t為時(shí)間，ρ為氣水混合物密度，E為能量，為Nabla算子，為速度，p為壓力，T為溫度，k_eff為有效熱導(dǎo)率，為溫度梯度，為剪切應(yīng)力。

作為進(jìn)一步地優(yōu)選，湍流模型采用RNG k-ε湍流模型。

作為優(yōu)選，所述步驟2中，劃分網(wǎng)格時(shí)，在球閥、水氣交界面處、有機(jī)玻璃管內(nèi)氣團(tuán)部分進(jìn)行細(xì)化。

作為優(yōu)選，所述步驟3中，管道壁面光滑且無滑移，其熱力邊界選定為對(duì)流條件，并設(shè)置管壁厚度。

作為優(yōu)選，所述步驟4中，氣水界面追蹤采用幾何重構(gòu)技術(shù)(Geometric Reconstruction Scheme)。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的基于三維CFD的滯留氣團(tuán)熱動(dòng)力學(xué)特性的模擬方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過定義水體可壓縮性在CFD計(jì)算軟件中引入水錘波速，同時(shí)考慮了管壁的壓縮性，更接近實(shí)際；(2)考慮了流體與流體之間(水-水、水-氣、氣-氣)的熱對(duì)流及熱傳導(dǎo)、流體(氣、水)與管壁以及管壁內(nèi)部的熱傳導(dǎo)效應(yīng)，更符合實(shí)際；(3)可以動(dòng)態(tài)觀測(cè)氣團(tuán)壓縮-膨脹，以及氣團(tuán)的分裂及合并過程，以及其位置分布；(4)可以準(zhǔn)確再現(xiàn)水流沖擊滯留氣團(tuán)過程中氣團(tuán)熱力特性變化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例的簡化實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明基于三維CFD的滯留氣團(tuán)熱力學(xué)特性模擬方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例的三維計(jì)算模型；

圖4為本發(fā)明具體實(shí)施例中壓力傳感器PT-1#處的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖；

圖5為本發(fā)明具體實(shí)施例中溫度傳感器TT-1#處的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖；

圖6為本發(fā)明具體實(shí)施例中氣團(tuán)第一次壓縮至最大時(shí)，水氣分布圖；

圖7為本發(fā)明具體實(shí)施例中氣團(tuán)第一次壓縮至最大時(shí)，溫度分布圖；

圖8為本發(fā)明具體實(shí)施例中氣團(tuán)第一次膨脹至最大時(shí)，水氣分布圖；

圖9為本發(fā)明具體實(shí)施例中氣團(tuán)第一次膨脹至最大時(shí)，溫度分布圖。

圖1中：1-壓力罐；2-壓力罐內(nèi)空氣；3-壓力罐內(nèi)水；4-潛水泵；5-回水箱；6-鋼管；7-法蘭；8-有機(jī)玻璃管；9-封閉末端；PT-壓力傳感器；PG-壓力表；AV-空氣閥；FL-流量計(jì)；WV-泄水閥；AIO-進(jìn)氣孔；BV-球閥；TT-溫度傳感器。

圖3中：1-壓力罐；2-空氣；3-水；4-封閉末端；BV-球閥。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

實(shí)施例:為了驗(yàn)證并分析本發(fā)明提供的基于CFD的滯留氣團(tuán)熱力學(xué)特性的模擬方法的模擬效果，選取本課題組于2011年設(shè)計(jì)搭建的水兩相流實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)用于驗(yàn)證本發(fā)明方法的有效性，其簡化的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖1。系統(tǒng)主要由壓力罐，鋼管，球閥，有機(jī)玻璃管組成。管道內(nèi)徑0.04m，其中鋼管管長1.087m，管壁厚度5mm；有機(jī)玻璃管管長7.775m，管壁厚度0.01m。水錘波速為400m/s。水流沖擊滯留氣團(tuán)水力瞬變由突然開啟球閥引起。實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)為上游入口壓力0.08MPa，初始?xì)鈭F(tuán)長度1.058m，閥門開啟時(shí)間0.1s。

本實(shí)施例基于CFD的滯留氣團(tuán)的熱力學(xué)特性模擬方法的流程圖如圖2所示，具體步驟如下：

步驟1：構(gòu)建水流沖擊滯留氣團(tuán)瞬變流動(dòng)的三維數(shù)學(xué)模型。

編寫可壓縮水體的物性UDF(User Define Functions)，水體密度和水錘波速的計(jì)算公式分別見公式(1)、(2)。

水體密度為：

其中，為液體絕對(duì)參考?jí)毫ο碌拿芏?；?sub>w和K為分別絕對(duì)壓力p_w^*下的液體密度及體積模量。

水錘波速為：

其中，K_set為根據(jù)實(shí)際波速折合了管壁彈性后的虛擬水體彈性模量。

根據(jù)實(shí)施例中水錘波速400m/s，根據(jù)公式(2)可求得虛擬水體彈性模量K_set＝0.16Gpa。將該值代入公式(1)、(2)即可實(shí)時(shí)根據(jù)計(jì)算的壓力更新水體密度及波速。

步驟2：根據(jù)工程實(shí)例，建立三維流道模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況，ANSYS軟件DesignModeler模塊創(chuàng)建所有實(shí)驗(yàn)元件的簡化流道模型，初始狀態(tài)時(shí)球閥BV-3#、BV-2#全開，球閥BV-1#全關(guān)，并示意初始狀態(tài)時(shí)氣水分布，見圖3。

將模型導(dǎo)入ANSYS軟件ICEM模塊，定義各邊界面，并劃分網(wǎng)格。整個(gè)計(jì)算域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在球閥、氣水分界面、有機(jī)玻璃管內(nèi)氣團(tuán)部分進(jìn)行細(xì)化。

步驟3：根據(jù)工程實(shí)例，設(shè)置初始條件及邊界條件。

將劃分好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入ANSYS軟件FLUENT模塊，根據(jù)實(shí)施例設(shè)置：

(3)初始條件：

A.將計(jì)算域劃分為空氣、水區(qū)域(見圖3)；

B.球閥BV-3#、BV-2#全開，球閥BV-1#全關(guān)；

C.設(shè)置管道內(nèi)氣團(tuán)初始?jí)毫?Pa，水平管道內(nèi)水體初始?jí)毫?.08MPa，壓力罐及其與管道連接內(nèi)水體初始?jí)毫Ω鶕?jù)水體靜壓分布規(guī)律計(jì)算，壓力罐內(nèi)氣體初始?jí)毫Φ扔趬毫迌?nèi)氣水交界面處壓力。

(4)邊界條件：

A.固定壁面：運(yùn)動(dòng)邊界：靜止、光滑且無滑移；熱力邊界：對(duì)流，并根據(jù)實(shí)際設(shè)置管壁厚度。

B.閥門開啟：

根據(jù)閥門開啟規(guī)律編寫UDF，并設(shè)定運(yùn)動(dòng)區(qū)域。假定閥門線性開啟，其旋轉(zhuǎn)角速度與關(guān)閉時(shí)間t_c之間的關(guān)系為：

步驟4：求解控制方程系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行壓力、溫度監(jiān)控，并對(duì)氣液界面進(jìn)行追蹤。

(1)在步驟3的基礎(chǔ)上，選擇瞬態(tài)求解器；

(2)選擇VOF兩相模型，選擇RNG k-ε湍流模型；

(3)設(shè)定空氣相密度按理想氣體定律變化；

(4)加載水體物性UDF；

(5)連續(xù)方程及動(dòng)量方程求解采用PISO(The Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法，設(shè)定各變量松弛因子，對(duì)各壓力傳感器位置進(jìn)行壓力監(jiān)控、溫度傳感器位置進(jìn)行溫度監(jiān)控，設(shè)定時(shí)間步長進(jìn)行迭代求解。

步驟5：計(jì)算結(jié)果分析。

(1)計(jì)算結(jié)束后，將3D壓力計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做對(duì)比，驗(yàn)證3D模擬的準(zhǔn)確度，PT-1#傳感器處的壓力對(duì)比情況見圖4。可以看出，3D CFD方法可以很好地預(yù)測(cè)壓力的時(shí)間響應(yīng)及幅值衰減，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎重合。對(duì)比結(jié)果表明，本發(fā)明提出的技術(shù)方案可有效模擬輸水管道系統(tǒng)中的水流沖擊滯留氣團(tuán)現(xiàn)象。

(2)將3D溫度計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做對(duì)比。TT-1#溫度傳感器處的對(duì)比情況見圖5?？梢钥闯?，實(shí)際的壓力傳感器存在嚴(yán)重的滯后。

(3)利用后處理軟件Tecplot 360觀察分析內(nèi)部流場(chǎng)，動(dòng)態(tài)觀察水流沖擊滯留氣團(tuán)過程中氣團(tuán)的壓縮及膨脹過程，分析對(duì)應(yīng)的溫度變化。圖6及圖7分別給出了該工況下氣團(tuán)第一次壓縮至最大(t＝0.5s)時(shí)，氣團(tuán)的分布云圖及對(duì)應(yīng)的溫度分布圖。圖8及圖9分別給出了該工況下氣團(tuán)第一次膨脹至最大(t＝0.95s)時(shí)，氣團(tuán)的分布云圖及對(duì)應(yīng)的溫度分布圖。