[發(fā)明專利]一種基于三維CFD的滯留氣團(tuán)熱力學(xué)特性模擬方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710012823.X
• 申請(qǐng)日: 2017-01-09
• 公開（公告）號(hào): CN106844913B
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周領(lǐng);王歡;潘天文;馬佳杰;劉德有;王沛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32204
• 代理人: 李玉平

技術(shù)領(lǐng)域

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。現(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(jiǎn)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。

發(fā)明內(nèi)容

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碌拿芏龋沪?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。