基于CFD有压管道水锤特性.pdf

年 月 第 卷 第 期 王勇基于 有压管道水锤特性王勇，熊伟，丁志瑶，皮勤，袁霄，刘厚林，李明（江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 ；苏州工业职业技术学院精密制造工程系，江苏 苏州 ；江苏振华海科装备科技股份有限公司，江苏泰州 ）收稿日期：；修回日期：；网络出版时间：网络出版地址：第一作者简介：王勇（），男，吉林白山人，研究员，博士生导师（通信作者，），主要从事泵站进水流道试验测试技术研究第二作者简介：熊伟（），男，河北秦皇岛人，硕士研究生（），主要从事泵站进水流道试验测试技术研究摘要：为了进一步揭示管路系统在不同流动条件下的水力过渡过程，降低水锤危害，以简化的直管路系统为研究对象，采用数值模拟方法对其关阀水锤进行了研究 基于 湍流模型对直管路系统具有连续水柱的水锤现象进行了三维 计算分析，同时采用 多相流模型耦合 空化模型对直管路系统伴有水柱分离的水锤现象进行了研究，得到了直管路系统在不同稳态初始流速和关阀方式下的瞬变流特性 研究结果表明：稳态初始流速较小时，不会产生水柱分离现象，稳态初始流速较大时，容易产生水柱分离现象；水锤波的传播大致可以分为 个阶段，水锤压力会在耗散作用下逐渐衰减，水柱弥合时会造成更大的水锤压力；稳态初始流速和关阀方式对水锤压力具有重大影响，水锤压力随着稳态初始流速的增大而增大，最大水锤压力与稳态初始流速近似呈线性关系，阀门“瞬间关闭”时水锤压力最大，“先慢后快”关闭时水锤压力最小 该研究对有压管道的水锤防护具有一定的指导作用关键词：有压管道；水锤；数值模拟；水柱分离中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：王勇，熊伟，丁志瑶，等 基于 有压管道水锤特性 排灌机械工程学报，（）：，（），（）：（），（，；，；，）：，书书书第 期王勇，等基于 有压管道水锤特性 ，：；水锤是由于某种外界因素，如阀门的突然关闭、泵组突然启停等引起的有压管道流态发生突变而导致的流体冲击波现象 水锤效应的破坏不容忽视，当压力过高时，会引起输水管道的破裂，当压力较低时，会发生液柱分离，液柱弥合时，会产生更大的水锤压力，对管路元器件造成更严重损害 目前对水锤进行计算分析的软件大多都是一维计算软件，如 ，等，利用这些软件可以对管路系统的水锤进行预测和防护 等 利用 对某核反应堆冷却系统的停泵、关阀水锤进行了研究，对冷却系统水锤防护提供了参考 黄凯等 利用 对某核电站管路系统停泵水锤进行研究，结果表明，管路系统布置应该避免较大高程差和驼峰，否则容易出现真空 等 利用 软件分析了核电站主蒸汽管路破裂时的瞬变流特性，主要研究了流量对压力的影响 等 利用新开发的代码和 软件，详细预测了整体压水堆主冷却剂系统中的水锤，发现试验数据和仿真结果的良好一致性 刘伟等 应用 软件对国内某三代核电厂蒸汽发生器到主蒸汽母管之间的管路系统进行建模，模拟汽锤发生及衰减过程，给出最大汽锤压力、管系中最大汽锤载荷、该载荷发生的时间及管道位置 莫旭颖等 借助 水力学软件研究了不同关阀规律和出口型式对水锤的影响，结果表明，不同关阀规律对水锤影响很大，新型出口可以有效降低水锤压力随着计算流体力学的快速发展，技术在三维流动中的应用快速普及开来，利用三维仿真软件，可以较为准确地模拟流体动态特性 等 对非牛顿流体通过螺旋管道的快速瞬变流动进行了三维 分析，三维数值分析结果与试验数据吻合较好 等 采用试验和数值模拟的方法，发现 可以成功地应用于水锤现象的建模 卢坤铭等 采用三维 方法对起伏管道内水 气耦合作用的瞬变过程进行建模和模拟，结果表明，与一维计算相比，三维 方法能够较准确地模拟起伏管道内水流冲击滞留气团瞬变过程中气水形态变化和压力波动 等 采用三维 方法对具有坡度的直管路系统进行了水柱分离研究，并同试验结果进行了对比分析，验证了其可靠性然而，目前利用三维 软件对水锤的分析多集中在单一的变量，很少研究变边界条件对水锤的影响，同时对管内具有连续水柱和伴有水柱分离的水流瞬变过程缺乏具体分析 因此，文中采用三维 方法对直管在不同稳态初始流速和关阀方式下具有连续水柱的水锤现象进行分析，同时对直管在不同稳态初始流速下伴有水柱分离的水锤现象进行分析 数值计算方法 控制方程连续性方程，即质量守恒方程，其张量形式为 （），（）动量守恒方程为（）（）()，（）式中：为流体密度；，为均匀流速分量；为流体黏度；为作用在流体微元上的压力；为黏性应力张量分量 多相流模型 多相流模型可以用于追踪气液交界面，所 排灌机械工程学报第 卷有相的体积分数之和为 ，其连续性方程为?，（）各相体积分数满足 ，（）式中：为每相的体积分数动量方程为（）?（）?（?），（）式中：为流体速度；为水 气混合物密度；为静压；为水 气混合物黏度；为重力加速度；为外部体积力 空化模型空化发生过程中，液体 蒸汽间的质量传递受蒸汽传输方程控制，即（）?（），（）式中：和 分别为液体 蒸汽间质量传递的蒸发项和冷凝项；为蒸汽体积分数 空化模型中描述相间质量传递的源项分别为（）槡，（）（）槡，（）式中：为混合密度，即（）；和 分别为蒸汽相和液相密度；为气泡半径；为当前温度下液体饱和蒸汽压 计算模型和网格划分采用“水箱 管道 阀门”（简称 ）水锤计算模型，水平直管采用钢管，长度 ，管径 ，壁厚 ，弹性模量为 ，泊松比为 ，管路壁面粗糙度 在研究具有连续水柱的水锤现象时，假定上游水箱稳态液面高度在计算过程中保持不变，液面高度 ，阀门布置在管道末端 在研究伴有水柱分离的水锤现象时，假定下游水箱稳态液面高度在计算过程中保持不变，液面高度 ，阀门布置在管道入口处 简化后的直管段计算模型及监测面 和 分别如图 所示 采用 对流体域进行结构性网格划分，如图 所示图 水锤计算模型 图 计算模型网格 边界条件和参数设置设置水为可压缩，湍流模型选择 模型研究具有连续水柱的水锤现象时，进口采用压力边界条件，出口采用速度边界条件，末端阀门的关闭过程简化为流速的下降，因此采用 来控制管道出口流速的变化 研究伴有水柱分离的水锤现象时，空化模型选择 模型，水的饱和蒸汽压为 ，设置液相为主相，气相为次相，初始时刻液相体积分数为 ，管道出口采用压力边界条件，入口采用速度边界条件，同样采用 来控制流速的变化 壁面采用静止无滑移边界，摩擦系数采用默认设置；采用基于压力的算法，压力 速度耦合方法选择 ，压力离散化格式采用 网格无关性验证根据网格尺寸在轴向的不同划分 组网格进行网格无关性验证，网格数 分别为 万、万、万、万和 万 针对不同的网格数，采用相同的瞬态计算，时间步长 ，对具有连续水柱的水锤压力进行计算分析，管道出口阀门均在 时瞬间关闭图 为稳态初始流速 时，阀门关闭后阀门处和管道中间位置处压力水头 随时间的变化曲线 从图中可以看出，阀门处与管道中间位置处水锤压力在不同网格数下随时间的变化趋势基本一致，且波动幅度和周期吻合度较高，说明网格数量对计算结果的影响很小 为了保证后续计算的准确性和计算效率，在充分考虑了计算机的处理能力后，选择网格数为 万的方案进行计算 第 期王勇，等基于 有压管道水锤特性图 不同网格数下水锤压力 计算结果与分析 具有连续水柱的水锤现象分析 阀门关闭后流体能量转化特性图 ，分别为稳态初始流速 时，末端阀门瞬间关闭后管道轴面的压力 和速度 传播特性 从图中可以看出，一个水锤波动周期内，流体动能和压力能之间的相互转化主要分为 个阶段第一阶段：动能转化为压力能 阀门瞬间关闭时，流体速度减到 ，动能转化为压力能，阀门处压力陡增，并向上游传播（见图 ，图 ），经历时间 后传递至上游水箱，此时管内流体处于高压状态，速度为 第二阶段：压力能转化为动能 流体速度变为 时，管内压力大于水箱压力，水流开始朝着与初始速度相反的方向流动（见图 ），压力能转化为动能，流体速度逐渐增大，压力降低，考虑到由于耗散引起的能量衰减，此压力值小于原始值，在 时，这种状态传播至阀门处，此时管内压力处于一个比原始压力略小的状态（见图 ）第三阶段：流体压力能和动能均降低 第二阶段结束后，由于流体具有惯性，其运动并不会立即停止，而是继续向水箱流动（见图 ），此时阀门已经关闭，因此靠近阀门处的流体被迫停止，动能降低，同时体积膨胀，密度减小，相应的压力降低（见图 ），在 时，这种状态传播至上游水箱，整个管道内流体速度为 ，压力值远远低于原始值第四阶段：流体压力能和动能均升高 在 时，整个管道内的流体压力小于上游水箱中的压力，在压差的作用下，从上游水库开始产生一个与初始流速方向相同的流动（见图 ），动能增加，临近水箱的小范围流体受到压缩，压强逐渐增大（见图 ），同样地，该压力值仍然比原始值小当 时，该状态传播到阀门，整个管道中流体的压力恢复到比原始值小一点的值，整个管道的流动状态类似于第一阶段开始时状态图 阀门关闭后水锤压力的传播 图 阀门关闭后水流速度的传播 在上述第一波动周期之后，将连续地、周期性地重复上述过程（见图 ，），最后在摩擦阻力的作用下，压力波动逐渐减弱，最终趋于平稳 稳态初始流速对管道水锤压力的影响图 为不同稳态初始流速下的水锤压力 阀门瞬间关闭时，压力瞬间上升，并达到最大值，随后压 排灌机械工程学报第 卷力幅值衰减，由于摩擦阻力的存在，中间截面水锤压力峰值比阀门处小 同时，稳态初始出口流速 时的水锤压力峰值最大，时的水锤压力峰值最小，最大水锤压力与初始出口流速近似呈线性关系，这是因为水锤压力实际上是由于流体流速剧烈变化而引起的惯性力变化，其本质是流体动能和压力能的相互转化，根据能量守恒与转化定律，在流体总能量一定的情况下，摩擦损失是恒定存在的，初始流速越大，最终转化得到的水锤压力越大图 不同稳态初始流速下水锤压力 同时可以发现，不论是在阀门处还是中间截面处，稳态初始流速的变化只会引起水锤压力峰值的变化，并没有引起水锤压力周期的变化，这是因为水锤压力波动周期 ，而水锤波速受流体和管道性质决定，显然，该周期在研究工况下是固定的 关阀方案对管道水锤压力的影响在研究阀门关闭方案对水锤的影响时，定义“瞬间关闭”为在 时阀门开度瞬间变为 ；定义“先快后慢”为在总关阀时间的 内线性关闭阀门开度的 ，剩余关阀时间内线性将阀门完全关闭；定义“先慢后快”为在总关阀时间的 内线性关闭阀门开度的 ，剩余关阀时间内线性将阀门完全关闭，总关阀时间为 图 为稳态初始流速 时，不同关阀方案下水锤压力随时间的变化情况 从中可以看出，阀门“瞬间关闭”时的水锤压力最大，“先快后慢”次之，“先慢后快”最小 这是因为阀门“瞬间关闭”时，阀门开度瞬间变为 ，阀门起到完全阻隔流体的作用，流体动能在短时间内全部转化为压力能，因此阀门处流体压力迅速增加 对于“先快后慢”的关闭方式，开始时阀门开度变化较快，水锤压力增加较快，随后关阀速度降低，因此水锤压力增加速度变慢，同阀门“瞬间关闭”相比，由于阀门关闭过程中仍然留有开度使流体通过，因此该水锤压力峰值不会高于“瞬间关闭”时的水锤压力峰值 对于“先慢后快”的情况正好相反，由于开始时阀门关闭缓慢，水锤压力增加缓慢，随后关阀速度大幅度提高，因此水锤压力快速增加，并超过第一阶段关阀出现的波峰值，同“先快后慢”的关闭方式相比，“先慢后快”的关阀方式第二阶段阀门动作时间较晚，耗散较大，且受到第一阶段关阀降压波的影响，水锤压力最终不会太高，因此“先慢后快”的关阀方式最大水锤压力略低于“先快后慢”的关闭方式图 不同关阀方案下水锤压力 伴有水柱分离的水锤现象分析 阀门关闭后流体瞬变流特性图 为稳态初始流速 时，入口阀门瞬间关闭后管道轴面的气体体积分数 随时间的变化情况 水柱的分离和弥合过程主要分为 个阶段第一阶段：水柱逐渐分离 阀门瞬间关闭后，靠近阀门的流体连续性被破坏，小范围流体受拉而发生断裂，形成小的空腔并逐渐发展，气体体积分数逐渐增大，这一过程会因为流体速度的存在而持续向下游传播 在耗散存在的情况下，下游速度逐渐变为 ，此时小空腔的分布范围达到最大，但是，由于 第 期王勇，等基于 有压管道水锤特性水、气惯性不同，靠近阀门的空腔仍在发展，逐渐形成大空腔（见图 ）第二阶段：水柱逐渐弥合 当下游流体速度变为 时，由于下游水箱压力较高，在压差作用下临近水箱的小范围流体受到挤压向上游移动，这一过程逐渐传播至上游空腔处，小空腔的范围开始减小，尽管如此，靠近阀门处的大空腔仍然有扩大的趋势（见图 颜色较深位置），随着空腔范围继续缩小，大空腔才逐渐坍塌（图 颜色较深位置），最终空腔全部坍塌，水柱完全弥合第三阶段：流体逐渐受压 水柱弥合过程中，流体和空腔的巨大压差会导致交界面处流体速度变化更大，弥合结束时（见图 ），更多动能转化为压力能，因此压力急剧上升，靠近阀门的小范围流体停止运动后，下游流体在其阻碍下也逐渐停止流动，动能全部转化为压力能，整个管道流体处于高压状态第四阶段：流体逐渐趋于原状 第三阶段结束后，管内流体压力比下游水箱压力大，在压差作用下靠近水箱的小范围流体开始向水箱流动，流体压力降低，这一过程逐渐传播至阀门处，由于耗散的存在，整个管道流体压力处于一个比稳态初始值低的状态，此时管内没有空腔（见图 ）图 管道轴面气体体积分数分布云图 管内流体在接近初始状态时，由于存在流向下游水箱的速度，因此不会立刻停止，而是继续向水箱流动，而此时阀门已经关闭，因此开始重复水柱的分离和弥合过程（见图 ），直到流体蕴含的能量不足以导致水柱分离 稳态初始流速对管道水锤压力的影响图 为阀门瞬间关闭后不同稳态初始流速下的水柱分离过程，从中可以看出，稳态初始流速越大，相同时刻的水柱分离越剧烈，管道内形成的空腔越大，空腔含气率更高图 不同稳态初始流速下的水柱分离 图 为不同稳态初始流速下，阀门瞬间关闭后到第一次水柱弥合时阀门处和中间截面处水锤压力随时间的变化曲线图 不同稳态初始流速下管道水锤压力 从图 可以看出，阀门瞬间关闭后，阀门处的压力瞬间降低至水的饱和蒸汽压，随着水柱逐渐弥合，压力急剧上升达到数百米水头，随后压力值降低进行下一次水柱分离 从图 中可以发现，阀门关闭一段时间后中间截面压力并不是维持在水的饱和蒸汽压，而是在小范围波动，这是因为中间截面离阀门较远，水柱分离产生的空腔难以到达，加之下游水箱压力的作用，中间截面位置的流体运动比较复杂，因此压力波动较频繁，由于耗散作用的存在，弥合水锤压力传播至中间截面处有所降低 同时可以发现，稳态初始流速越大，弥合水锤发生的 排灌机械工程学报第 卷时刻越晚，弥合水锤压力越大 结论）稳态初始流速较小时，不容易产生水柱分离现象，稳态初始流速较大时，容易产生水柱分离现象，该速度大小的界定需根据实际情况确定，以更好防止弥合水锤的发生）具有连续水柱和伴有水柱分离的水锤波传播均可以分为 个阶段，水锤压力会随着耗散作用逐渐衰弱）稳态初始流速和关阀方式对水锤压力影响较大，稳态初始流速越大，水锤压力越大，水柱分离产生的空腔越大，弥合水锤压力越大，阀门“瞬间关闭”时水锤压力较大，“先慢后快”关闭时水锤压力较小，因此根据实际情况合理控制管内流体流速和合理设计关阀方式能够有效减小水锤压力参考文献（）白绵绵，王福军，雷澄，等 旁通阀对长距离重力流输水管线水力过渡过程的影响 排灌机械工程学报，（）：，（）：（）梁兴，张剑，李志红，等 超驼峰工况下轴流泵站事故停泵防护方案寻优 排灌机械工程学报，（）：，（）：（），（）：，（），（）：黄凯，李震 核电站厂用水系统停泵水锤影响因素研究及敏感性分析 给水排水，（）：，（）：（），：，：刘伟，于沛 基于 的 主蒸汽管道汽锤计算 核科学与工程，（）：，（）：（）莫旭颖，郑源，阚阚，等 不同关阀规律与出水口形式对管路水锤的影响 排灌机械工程学报，（）：，（）：（），：，（）：卢坤铭，周领，曹波，等 起伏管道内水流冲击滞留气团的三维动态特性模拟 排灌机械工程学报，（）：，（）：，（），（），（）：（责任编辑谈国鹏）