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一种基于三维CFD的液柱分离-弥合 水锤的模拟方法

阅读：1007发布：2020-09-22

专利汇可以提供一种基于三维CFD的液柱分离-弥合水锤的模拟方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于计算流体动力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)的液柱分离‑弥合水锤的模拟方法，通过三维建模、网格划分，首先进行水体单相可压稳态计算，得到稳态流场；然后进行液柱分离气液两相瞬变流动计算；最后，利用后处理软件对计算结果进行处理。本发明在同时考虑水体、蒸汽压缩性的基础上，考虑气液之间质量传输，且无需区分液柱分离类型，从而在一定程度上简化了数学模型及其求解方法，模拟准确度较高，且不会出现类似一维模拟中的不真实的压力脉冲，并实现了液柱分离过程中空穴初生—发育—溃灭过程的可视化。，下面是一种基于三维CFD的液柱分离-弥合水锤的模拟方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于三维CFD的液柱分离-弥合水锤的模拟方法，其特征在于：采用三维CFD方法来模拟输水过流系统中液柱分离-弥合水锤现象，具体步骤如下：
步骤1：对正常运行的输水过流系统，建立三维流道模型，并进行网格划分；
步骤2：构建水体单相可压稳态流动的数学模型，根据物理问题设置边界条件，求解控制方程得到系统正常输水时恒定流态解；
步骤3：构建液柱分离气液两相瞬变流动的数学模型，设定瞬变条件，求解控制方程系统，对监控点进行压力监控，并对气液界面进行追踪；
步骤4：计算结果分析；
水体单相可压稳态流动的数学模型为时均形式的连续性方程与基于雷诺时均的动量方程；为描述水体压缩性，需引入表征水体密度随压力变化而变化的水体可压状态方程，以及压力波在水中的传播速度即水锤波速；此外，为使方程组封闭，需引入湍流模型以计算雷诺应力；
步骤2的实现过程为：
(1)编写可压缩水体的物性UDF，水体密度和水锤波速的计算公式分别见公式(1)、(2)；
水体密度为：
其中，和Kl分别为液体绝对参考压力p*0下的密度及体积模量；Δp*＝p*-p*0，p*为绝对压力；
水锤波速为：
(2)边界条件计算：
管道进口：根据实验工况参数，计算上游管道入口总压：
其中，Pin为上游管道入口总压，单位Pa；Hru为上游水库静压水头，单位m；v0为初始流速，单位m/s；g为重力加速度，单位m/s2；
管道出口：根据实验工况参数，计算下游管道出口静压：
其中，Pout为下游管道出口静压，单位Pa；hf为水头损失，单位m；
(3)稳态CFD模拟计算
将划分好的网格文件导入ANSYS 软件FLUENT模块，进行稳态求解：选择SST k-ω湍流模型，加载水体物性UDF，设定相应的边界条件，控制方程组求解采用SIMPLE 算法；迭代收敛后，管道内各截面流速等于实验值，获得液柱分离瞬变前稳态流场；
气液两相瞬变流动采用适用于小体积率的Mixture模型描述，在求解混合相的连续方程、动量方程、能量方程以及湍流方程的基础上，耦合第二相的体积分数方程使整个系统封闭，第二相的体积分数方程用于计算气液两相间的质量传输，并实现气液界面追踪；此外，构建的气液两相瞬变流动的数学模型中忽略了两相之间的滑移速率；
步骤3的实现过程为：
(1)在步骤2求解的稳态流场基础上，改为瞬态求解，选择Mixture两相模型，不考虑气液相间滑移速率；
(2)设定蒸汽相密度按理想气体定律变化；
(3)选择Schnerr and Sauer 空化模型，根据实验参数设定汽化压力；
(4)根据阀门关闭规律编写UDF，并设定运动区域：假定阀门线性关闭，其旋转角速度ω与关闭时间tc之间的关系为：
(5)设定压力梯度动态自适应网格调整系数限值：Coarsen Threshold与Refine Threshold，当计算的局部压力梯度值小于Coarsen Threshold时，加密网格；当计算的局部压力梯度值大于Refine Threshold时，粗化网格；
(6)连续方程及动量方程求解采用基于压力的耦合算法，设定各变量松弛因子，对阀门附近监控点进行压力监控，设定时间步长进行迭代求解。
2.如权利要求1所述的基于三维CFD的液柱分离-弥合水锤的模拟方法，其特征在于，步骤4的实现过程为：
(1)将三维CFD计算的压力结果与实验数据、一维离散蒸汽—空穴模型(DVCM,discrete vapor-cavity model)计算结果做对比，以验证所述基于三维CFD的液柱分离-弥合水锤的模拟方法的可行性；
(2)验证模拟准确后，利用后处理软件Tecplot 360观察分析内部流场，动态观察液柱分离过程中蒸汽空穴的发育—生长—溃灭过程，实现其可视化模拟。

说明书全文

一种基于三维CFD的液柱分离-弥合水锤的模拟方法

技术领域

[0001] 本发明涉及输水过流系统中，发生液柱分离-弥合水锤气液两相瞬变流时的三维模拟方法，属于水电站(泵站)水力学数值模拟技术领域。

背景技术

[0002] 在输水过流系统中，水电站机组突然甩负荷、水泵机组启停、事故工况停机以及调节阀门突然动作，均可引起流量和压力的急剧变化。当压力降低到汽化压力以下时，液体汽化形成空化泡。空化泡随着液体流动，甚至可能发育、聚集长大到占据整个过流截面，拉断液柱，出现液柱分离现象。当管中的压力升高时，空穴溃灭，分离的液柱再弥合，其产生的高压可能达到足以爆管程度，对过流系统的潜在威胁极为严重。

[0003] 目前，针对“水库-管道-阀门-水库”简单输水管道系统中的液柱分离-弥合水锤现象，其模拟方法主要采用一维特征线法(MOC，Method of Characteristics)。Wylie and Streeter基于此提出的离散蒸汽—空穴模型(DVCM,discrete vapor-cavity model)，因其计算简单，且可以较好地预测空穴第一次溃灭后压力的波动，而在工程计算中得到了广泛应用。但该模型需要诸多假定：(1)管道内不存在自由气体，且不考虑气体释放；(2)在连续流体区域内，波传播速度为常数；(3)只要管道内压力达到汽化压力，空穴即产生，并固定在计算截面上，其压力保持汽化压力不变直至空穴溃灭；(4)采用恒定流阻力系数用于非恒定流计算。这些假定均在一定程度上限制了模拟结果的准确性，且该模型并未区分局部空腔(localized(discrete)vapor cavity)以及扩张型分布空泡区(distributed vaporous cavitation region)，而相应的改进模型又极其复杂，求解困难，而计算精度并未提升很多。此外，该类模型在管道分段数增加时，多空穴的溃灭会引发很多不真实的压力脉冲。

[0004] 然而，输水过流系统中液柱分离-弥合水锤现象，是一种涉及热传输、压缩性与湍流效应的复杂气液两相瞬变流动。已存在的一维模型并不能有效地模拟液柱分离过程中空穴的形态及位置变化。特别地，发生于水电站、抽水蓄能电站尾水管中的液柱分离现象，其水力过渡过程将更为复杂，且其入口水流存在圆周速度分量，由于离心力的作用，尾水管中必然存在旋转涡带，而涡带中心压力最低，此时一维模型已很难模拟。因此，对输水过流系统中的液柱分离-弥合水锤现象进行高维数值模拟，进而更准确地揭示其复杂瞬变现象的本质及内在规律是十分必要的。

发明内容

[0005] 发明目的：针对现有技术在模拟输水过流系统中液柱分离-弥合水锤现象时存在的不足，本发明基于计算流体动力学(CFD)理论，提出了一种液柱分离-弥合水锤现象的三维(3D,three dimension)模拟方法，以探索输水过流系统中发生液柱分离气液两相瞬变现象时，空穴的动态特性以及内在规律。

[0006] 技术方案：一种基于三维CFD的液柱分离-弥合水锤的模拟方法，具体实现步骤如下：

[0007] 步骤1：对正常运行的输水过流系统，建立三维流道模型，并进行网格划分；

[0008] 步骤2：构建水体单相可压稳态流动的数学模型，根据物理问题设置边界条件，求解控制方程得到系统正常输水时恒定流态解；

[0009] 步骤3：构建液柱分离气液两相瞬变流动的数学模型，设定瞬变条件，求解控制方程系统，对监控点进行压力监控，并对气液界面进行追踪；

[0010] 步骤4：计算结果分析。

[0011] 作为优选，所述步骤2中，水体单相可压稳态流动的数学模型为时均形式的连续性方程与基于雷诺时均的动量方程。为描述水体压缩性，需引入表征水体密度随压力变化而变化的水体可压状态方程，以及压力波在水中的传播速度(即水锤波速)。此外，为使方程组封闭，需引入湍流模型以计算雷诺应力。

[0012] 作为进一步地优选，水体可压状态方程为：

[0013]

[0014] 其中，和Kl分别为液体绝对参考压力Δp*下的密度及体积模量；

[0015] Δp*＝p*-p*0，p*为绝对压力；

[0016] 作为进一步地优选，忽略管壁弹性，水锤波速为：

[0017]

[0018] 作为进一步地优选，湍流模型采用SST k-ω。

[0019] 作为优选，所述步骤2中，管道进、出口设置恒压边界，管道壁面无滑移。

[0020] 作为优选，所述步骤3中，气液两相瞬变流动采用适用于小体积率的Mixture模型描述，在求解混合相的连续方程、动量方程、能量方程以及湍流方程的基础上，耦合第二相的体积分数方程使整个系统封闭，该方程用于计算气液两相间的质量传输，并实现气液界面追踪。此外，构建的气液两相瞬变流动的数学模型中忽略了两相之间的滑移速率。

[0021] 作为进一步地优选，液柱分离过程中，液相与气相之间的质量传输采用Schnerr and Sauer空化模型描述。

[0022] 作为进一步地优选，蒸汽密度按理想气体规律变化。

[0023] 作为进一步地优选，湍流模型采用SST k-ω，并考虑考虑可压缩修正。

[0024] 作为进一步地优选，连续方程及动量方程求解采用基于压力的耦合算法(Pressure-Based Coupled Solver)，首先同时求解气液混合相的压力及速率，接着求解能量方程、湍流方程。然后根据算得的压力判定是否发生相变，计算相间质量传输源项：a.若压力达到或低于设定的汽化压力，则发生空化，水体空化转变为蒸汽，蒸汽空泡体积增大；b.若压力高于设定的汽化压力，则蒸汽空泡的体积减小，蒸汽冷凝为水体。最后求解气相的体积分数方程，得到气相在该时刻的体积分数，实现气液界面的追踪。

[0025] 作为优选，所述步骤3中，在气液两相瞬变流动的数学模型求解过程中采用动态网格自适应技术，根据计算的压力梯度自动调整网格疏密度，以更加精确地捕捉流场结构，也在保证计算高效率的同时得到高精度解。

[0026] 作为优选，所述步骤4中，首先，将三维CFD方法计算的压力结果与实验数据、一维离散蒸汽—空穴模型(DVCM,discrete vapor-cavity model)计算结果做对比，以验证本发明提出方案的可行性。然后，利用后处理软件Tecplot 360观察分析内部流场，动态观察液柱分离过程中蒸汽空穴的发育—生长—溃灭过程，实现其可视化模拟。

[0027] 有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于三维CFD的液柱分离-弥合水锤的模拟方法，具有如下优点：

[0028] (1)通过定义水体可压缩性在CFD计算软件中引入水锤波速，同时考虑了蒸汽空穴的压缩性，更接近实际；(2)考虑了水体与蒸汽空穴之间的质量传输；(3)不需要对液柱分离类型进行区分，从而在一定程度上简化了数学模型及其求解方法；(4)动态网格自适应技术的使用在保证计算高效率的同时得到高精度解；(5)计算结果中没有出现不真实的压力脉冲；(6)可以观测到液柱分离过程中空穴的形成—发育—溃灭过程，以及其位置分布。附图说明

[0029] 图1为本发明具体实施例的简化实验装置示意图；

[0030] 图2为本发明基于三维CFD的液柱分离-弥合水锤的模拟方法的流程图；

[0031] 图3为本发明具体实施例的三维计算模型；

[0032] 图4为本发明具体实施例中阀门处压力曲线与实验数据的对比图；

[0033] 图5为本发明具体实施例中蒸汽体积最大(t＝1366ms)时，阀门附近的蒸汽体积分数分布云图；

[0034] 图1中：1-上游压力水箱；2-上游压力水箱水位线；3-管道入水口高程；4-输水管；5-球阀；6-管道出水口高程；7-下游压力水箱水位线；8-下游压力水箱。

[0035] 图3中：1-入水口；2-阀门上游侧管道；3-阀门；4-阀门下游侧管道；5-出水口。

具体实施方式

[0036] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

[0037] 实施例:为了验证并分析本发明提供的基于CFD的液柱分离-弥合水锤的模拟方法的模拟效果，选取Simpson于1986年设计搭建的液柱分离-弥合水锤实验装置系统用于验证本发明方法的有效性，其简化的实验装置示意图见图1。系统由上游压力水箱，铜管，下游球阀，下游压力水箱组成。铜管总长36m，内径19.05mm。水锤波速为1280m/s。液柱分离-弥合水锤水力瞬变由突然关闭下游球阀引起。实验工况参数见表1。

[0038] 表1 Simpson(1986)实验工况参数

[0039]

[0040]

[0041] 本实施例基于CFD的液柱分离-弥合水锤的模拟方法的流程图如图2所示，具体步骤如下：

[0042] 步骤1：对正常运行的输水过流系统，建立三维流道模型，并进行网格划分。

[0043] 根据实验参数，管道进、出口为恒压边界，初始状态时球阀全开，则仅需对管道及阀门建立三维流道简化模型，见图3。

[0044] 将模型导入ANSYS软件ICEM模块，定义各边界面，并划分网格。整个计算域采用六面体结构化网格，在球阀附近及液柱分离可能发生位置适当细化。

[0045] 步骤2：构建水体单相可压稳态流动的数学模型，根据物理问题设置边界条件，求解控制方程得到系统正常输水时恒定流态解。

[0046] (1)编写可压缩水体的物性UDF(User Define Functions)，水体密度和水锤波速的计算公式分别见公式(1)、(2)。

[0047] 水体密度为：

[0048]

[0049] 其中，和Kl分别为液体绝对参考压力Δp*下的密度及体积模量；

[0050] Δp*＝p*-p*0，p*为绝对压力；

[0051] 水锤波速为：

[0052]

[0053] (2)边界条件计算：

[0054] 管道进口：根据实验工况参数，计算上游管道入口总压：

[0055]

[0056] 其中，Pin为上游管道入口总压，单位Pa；Hru为上游水库静压水头，单位m；v0为初始流速，单位m/s；g为重力加速度，单位m/s2。

[0057] 管道出口：根据实验工况参数，计算下游管道出口静压：

[0058]

[0059] 其中，Pout为下游管道出口静压，单位Pa；hf为水头损失，单位m。

[0060] (3)稳态CFD模拟计算

[0061] 将划分好的网格文件导入ANSYS软件FLUENT模块，进行稳态求解：选择SST k-ω湍流模型，加载水体物性UDF，设定相应的边界条件，控制方程组求解采用SIMPLE算法。迭代收敛后，管道内各截面流速等于实验值，获得液柱分离瞬变前稳态流场。

[0062] 步骤3：构建液柱分离气液两相瞬变流动的数学模型，设定瞬变条件，求解控制方程系统，对监控点进行压力监控，并对气液界面进行追踪。

[0063] (1)在步骤2求解的稳态流场基础上，改为瞬态求解，选择Mixture两相模型，不考虑气液相间滑移速率；

[0064] (2)设定蒸汽相密度按理想气体定律变化；

[0065] (3)选择Schnerr and Sauer空化模型，根据实验参数设定汽化压力；

[0066] (4)根据阀门关闭规律编写UDF，并设定运动区域：假定阀门线性关闭，其旋转角速度ω与关闭时间tc之间的关系为：

[0067]

[0068] (5)设定压力梯度动态自适应网格调整系数限值：Coarsen Threshold与Refine Threshold，当计算的局部压力梯度值小于Coarsen Threshold时，加密网格；当计算的局部压力梯度值大于Refine Threshold时，粗化网格；

[0069] (6)连续方程及动量方程求解采用基于压力的耦合算法(Pressure-Based Coupled Solver)，设定各变量松弛因子，对阀门附近监控点进行压力监控，设定时间步长进行迭代求解。

[0070] 步骤4：计算结果分析。

[0071] (1)计算结束后，将3D压力计算结果与实验数据、1D DVCM模型计算结果做对比，验证3D模拟的准确度，阀门处的压力对比情况见图4。可以看出，3D CFD方法可以很好地预测压力的时间响应及幅值衰减；且结果优于一维模型。此外，3D结果中没有出现如1D DVCM模拟结果中的不真实的压力脉冲。对比结果表明，本发明提出的技术方案可有效模拟输水管道系统中的液柱分离现象。

[0072] (2)利用后处理软件Tecplot 360观察分析内部流场，动态观察液柱分离过程中蒸汽空穴的发育—生长—溃灭过程，图5给出了该工况下空穴总体积最大(t＝1365ms)时，阀门附近处空穴的形态云图。

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