[發明專利]一種基于三維水錘CFD的閥門瞬態特性模擬方法

在審

• 申請號: 202010434804.8
• 申請日: 2020-05-21
• 公開（公告）號: CN111695306A
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 周領;曹云;李赟杰;方浩宇;潘天文
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06T17/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 杜鵬爽

本發明公開了一種基于三維水錘CFD的閥門瞬態特性模擬方法，包括：構建包含球閥的管道的三維數學模型控制方程；根據工況實例，創建包含球閥的管道的三維仿真模型；將三維仿真模型進行網格劃分，并對邊界層部分和球閥部分進行網格加密確定三維數學模型計算域；引入水體可壓縮狀態方程、水錘波速方程和球閥動態開關控制函數；根據工況實例確定初始條件和邊界條件，求解三維數學模型的控制方程，監測球閥瞬態特性。本申請的方法在三維模擬的基礎上，充分考慮了水體可壓縮性以及粘性底層對模擬結果的影響，利用三維仿真模型準確、直觀地再現了管道中球閥動態關閉的瞬態過程，提高了模擬的精確性，為管道瞬變工況實例提供參考。

技術領域

本發明涉及水電站(泵站)水力學數值計算，具體涉及一種基于三維水錘CFD的閥門瞬態特性模擬方法。

背景技術

水力過渡過程常發生在各種承壓管道系統中，包括跨流域長距離輸水工程、水電站和泵站、城市供水系統和農業灌溉系統。正常或者意外的泵或者水輪機關閉或快速的閥門啟閉通常會引起異常壓力波動甚至是水錘現象，從而導致管道破裂并損壞其他過流裝置。因此，對于水錘現象的精確數值模擬對于管道系統的合理設計和安全運行至關重要。

傳統的數值模擬方法為采用特征線法的一維數值模擬，這種模擬方法雖然計算速度快，但是由于傳統的一維數值模擬方法對實際情況過于簡化，使用穩態耗散公式來近似管道的剪切應力，往往低估了管道的能量耗散，導致模擬精度欠缺。在上述基礎上，為了提高水擊壓力的數值精度，添加了動態摩阻模型，但是仍采用一維模擬的方式，模擬結果與實驗數據之間仍存在較大誤差。

對于瞬態管道流動，已有相關論文在實驗的基礎上對其進行了三維數值模擬，但是這些論文沒有充分考慮粘性底層的影響，對球閥的瞬態變化也沒有深入研究。由于渦體具有三維特性，所以難以用一維方法精確模擬管壁渦量，描述動態渦量與能量耗散的關系。此外，傳統的一維方法在處理非正常管道流體流動中閥門關閉所引起的動態水力損失時，是假設流態穩定，在相同的速度下能量損失一致，但在工程實例中，關閉球閥的瞬態動態特性以及閥門關閉過程中局部渦流和回流的不穩定流動特性是復雜的三維流動問題，很難用一維方法或實驗措施來確定。

發明內容

發明目的：本申請的目的在于提供一種基于三維水錘CFD的閥門瞬態特性模擬方法，用于解決現有方法中模擬誤差大的缺陷。

技術方案：本發明提供了一種基于三維水錘CFD的閥門瞬態特性模擬方法，包括：

(1)構建包含球閥的管道的三維數學模型的控制方程；

(2)根據工況實例，創建包含球閥的管道的三維仿真模型；

(3)將三維仿真模型進行網格劃分，并對邊界層部分和球閥部分進行網格加密確定三維數學模型計算域；

(4)引入水體可壓縮狀態方程、水錘波速方程用于描述水體壓縮性；

(5)引入球閥動態開關控制函數以供進行球閥動態關閉操作；

(6)根據工況實例確定初始條件和邊界條件，求解三維數學模型的控制方程，監測球閥瞬態特性。

進一步地，步驟(1)中構建的三維數學模型通過下述控制方程進行表示：

其中，ρ是水體密度，t是時間，是速度矢量，和分別是i、j方向流速矢量，p水體壓力，是剪切力，是重力加速度，是體積力。

進一步地，步驟(2)中，三維仿真模型采用“第一水庫-第一管道-球閥-第二管道-第二水庫”的結構，其中球閥被切割為獨立的單元。

進一步地，水體可壓縮狀態方程具體表示為：

水錘波速方程具體表示為：