水流冲击多段滞留气团的三维数值模拟

针对水气两相瞬变现象,充分考虑了水体弹性、气体可压缩性、水-气交界面的动态运动以及多段气团间相互作用,采用三维CFD方法对起伏管道内含多段滞留气团的水气两相作用进行建模和模拟,选择Standard k-ε湍流模型进行模拟研究,将三维计算结果、现有一维模型计算结果与试验结果进行对比分析,并通过水气两相分布图展现动态变化过程.结果表明:与一维模型相比,三维CFD模型能够更为准确地模拟起伏管道内瞬变压力波动,并且能够清楚描述水气掺混、耦合的动态变化.水流冲击初始两段滞留气团压力波动曲线显示,多气团间的瞬变压力并非同步变化,可能呈现多气团峰值压力交替出现的情况,这与初始气团长度密切相关.水气交界面自由变化,阻断水体长度时刻发生变化,当水体运动到管道弯曲处时会产生新的阻断水体,将气团分成若干部分.     

起伏管道内水流冲击滞留气团的三维动态特性模拟

采用三维CFD方法对起伏管道内水气耦合作用的过程进行建模和模拟,研究气团压缩-膨胀-变形的三维动态特性.在考虑气团压缩性、水体弹性基础上,采用Standard k-ε、RNG k-ε 和Realizable k-ε这3种湍流模型进行模拟研究,并将三维计算结果、现有一维模型计算结果与试验结果进行了对比分析.结果表明:与一维模型相比,所采用的三维CFD模型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;Standard k-ε湍流模型能够较好地模拟压力峰值和波动周期,RNG k-ε 、Realizable k-ε湍流模型次之;整个过程中,水-气两相互相掺混,水-气交界面自由变化,并不垂直于管道中心线,与管道中心线呈一定的夹角存在;三维CFD计算结果可以很好地模拟较短长度气团的动态特性变化.     

水力瞬变中动态摩阻的改进加权类模型

有压输水管道系统中,由于阀门的启闭或水力元件的不当操作等因素常会发生水锤现象,从而可能会影响水力系统的正常运行甚至发生危险事故.因此,针对上述管道水锤现象进行有效的数值模拟预测具有重要意义.在管道水力瞬变过程模拟计算中,Zielke提出的加权动态摩阻模型可以较好地模拟压力波动过程,是一维水锤模拟中计算结果最接近试验值的数学模型.由于加权函数与历史流速及历史加速度相关,模型计算时需保存每一时步的流速值,占用计算机内存大,故计算效率较低.为提高模型计算效率,尝试利用Matlab 的LSQNONLIN函数模块对Zielke加权函数进行3个指数函数之和型式的近似拟合,得到新的近似加权函数的各系数值,并通过与Zielke加权函数曲线及已有的改进加权函数曲线对比验证新函数的优越性,以及利用试验数据验证新模型的准确性和高效性.结果表明,模型在一定程度上提高了加权类动态摩阻模型的计算效率.