有压管道水流冲击气团的局部三维流场数值模拟研究

论文摘要

随着经济的快速发展,城市内部或周边的水资源不能满足日益增长的用水需求。这时,人们不得不往更远的地方寻找水源,并且在水源和城市间建立长距离输水工程。在这类工程中,由于地形复杂,起伏不平,管道长达几公里甚至几十公里,在驼峰处、封闭端及阀门处很容易积聚空气,形成大体积气团。若没有足够的排气阀或安装位置不对,将导致管道中的空气不能及时排出。此种情况下突然启动水泵或打开有压输水管道中的阀门,就会产生压力水流冲击气团现象,在气团附近可能会引发异常压力,这种气液两相瞬变流现象所产生的压力将远大于一般水锤压力,是导致爆管的主要因素之一。当管道中存在多个气团时,水锤波叠加产生更大的水锤压力,使爆管事故更易发生。因此,研究此类气液两相瞬变流具有重要的理论意义和实用价值。本文利用气液两相流理论和计算流体动力学基本原理,建立了关于有压管道水流冲击气团现象的物理模型,采用VOF模型(Volume of Fluid Model)对水流冲击气团的局部流场进行数值模拟,得到了局部流场变化规律。通过对不同管径,不同长度,数十种工况的局部流场模拟分析表明:当模型中的管段长度为10m时,水流冲击气团产生的峰值压力趋于稳定,为设定局部流场的管道长度提供了依据。借助于VOF模型的界面跟踪技术,模拟研究得到了不同管径、不同气团个数和不同维数之间的局部流场变化规律,结果表明气团在压缩与膨胀过程中伴随着分解和破裂,导致异常压力的发生;当管道中含有多个气团时,气团之间会相互影响,使局部流场震荡严重。本文推导了气体多变过程方程,通过模拟分析和计算,将气体的多变过程分为四个子过程,分别为:加速压缩过程、减速压缩过程、加速膨胀过程和减速膨胀过程,气团压力在前两个子过程中不断升高,在减速压缩过程结束时达到峰值,随后不断下降直到另一个加速压缩过程开始。此外,将论文研究方法应用于一个实际算例中,通过对长距离输水管道充水阶段和事故停泵两种情况下的局部流场模拟,得到了局部流场变化规律,为长距离输水工程的优化设计及安全运行提供了参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源和本课题的研究意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 本课题的研究意义和目的
• 1.2 有压管道水流冲击气团的危害
• 1.3 国内外研究综述
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 有压管道水流冲击气团的基本理论
• 2.1 气液两相流基本方程
• 2.1.1 气液两相流的流型
• 2.1.2 气液两相流分相流模型一元流动基本方程
• 2.1.3 气液两相流均相流模型基本方程
• 2.2 气体的多变过程方程
• 2.2.1 多变过程方程推导
• 2.2.2 气体比热容C与气体多方指数n关系
• 2.3 流体力学方程
• 2.3.1 连续性方程
• 2.3.2 动量守恒方程
• 2.3.3 能量守恒方程
• 2.3.4 湍流模型方程
• 2.4 多相流模型
• 2.4.1 Mixture模型
• 2.4.2 Euler模型
• 2.4.3 VOF模型
• 2.4.4 数值计算理论
• 2.5 本章小结
• 第3章 水流冲击气团局部流场的物理建模
• 3.1 边界条件的设定
• 3.2 湍动能 κ 和湍流耗散率 ε 计算
• 3.3 模型网格划分
• 3.4 局部流场的物理模型分析
• 3.4.1 管径为DN90mm时的模拟结果及其分析
• 3.4.2 管径为DN200mm时的模拟结果及其分析
• 3.4.3 管径为DN500mm时的模拟结果及其分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 水流冲击气团的局部流场分析
• 4.1 二维模型不同管径的局部流场分析
• 4.1.1 管径为DN90mm时局部流场模拟
• 4.1.2 管径为DN500mm时局部流场模拟
• 4.2 管道中含双气团的局部流场模拟
• 4.2.1 管道中含双气团的二维局部流场模拟
• 4.2.2 管道中含双气团的三维局部流场模拟
• 4.3 管径为DN500mm时二维和三维局部流场比较
• 4.3.1 二维局部流场模拟结果及分析
• 4.3.2 三维局部流场模拟结果分析
• 4.3.3 二维与三维对比分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 水流冲击气团的气体多变过程研究
• 5.1 多方指数n的推导
• 5.2 多方指数n的计算实例
• 5.3 气体多变过程分析
• 5.3.1 加速压缩过程
• 5.3.2 减速压缩过程
• 5.3.3 加速膨胀过程
• 5.3.4 减速膨胀过程
• 5.4 本章小结
• 第6章 水流冲击气团的工程实例分析
• 6.1 工程简介
• 6.2 充水阶段水流冲击气团的数值模拟
• 6.2.1 改变初始气体段长度的数值模拟
• 6.2.2 改变初始水头的数值模拟
• 6.2.3 改变开阀时间的数值模拟
• 6.2.4 初始气体段长度、初始水头和开阀时间对压力的影响
• 6.3 事故停泵时水流冲击气团的数值模拟
• 6.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢