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.     

基于有限体积法的含无压段泵站水锤模拟及调压井优化

针对含无压段的泵站输水工程水锤模拟常采用特征线法，且往往忽略动态摩阻和有压-无压相互干扰影响的问题，该研究建立了考虑动态摩阻的二阶有限体积法模型，进行有压段-无压段实时联合计算。首先，采用二阶Godunov格式分别对有压流、无压流流动控制方程进行求解，同时考虑了动态摩阻效应以准确模拟水力瞬变过程中的能量耗散，并进行试验验证。进一步地，对有压段、无压段交接处采用变时步法传递数据，结合实际工程对阻抗式调压井的尺寸、位置进行了敏感性分析。结果表明：考虑动态摩阻效应后模型模拟结果与试验结果基本一致，阀门处水锤压力误差最大值仅有4.58%；与特征线法相比，二阶Godunov格式稳定性更高，库朗数小于1时水锤压力只有轻微的数值衰减。本文建立的有压段-无压段实时联合计算方法能够充分考虑有压段出水池水位变化以及无压段倒流的影响。针对水泵失电工况，对阻抗式调压井进行的优化研究表明，随连接管直径增大，系统内最大压力水头、调压井最高涌浪水位和水泵最大反转转速增大，调压井最低涌浪水位降低；随调压井直径增大，最高涌浪减小，最低涌浪增高，最大压力在连接管直径较小时一直降低，在连接管直径较大时先减小后增大；当连接管管径 3.5 m，调压井直径 15 m 时， 既能满足系统控制参数要求，也能减少工程量。调压井位置离泵站越近，最大压力、反转转速、最高涌浪越大，最低涌浪越小，当调压井布置在泵后1.0 km时，最高涌浪水位会达到172.35 m，不满足控制标准要求。综上，建立的模型具有较高的准确性、稳定性和适用性，研究结果可为含无压段泵站输水工程的水锤模拟提供参考。     

创新与模仿中R＆D资本的最优分配

基于拓展的以R&D为基础的内生增长模型,分析R&D资本在创新和模仿中的最优分配,结果表明,技术差距、人均物质资本、模仿与创新的相对效率等因素决定了R&D资本的最优分配,进而决定了最优的技术进步.投入创新中的R&D资本与技术差距、人均物质资本、模仿与创新的相对效率成反比,而对于模仿而言则相反.因此,为了实现技术赶超,技术后发国应当充分利用后发优势,加大研发投入,努力提高研发效率.     

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.     

泵站水力瞬变的二阶Godunov格式模型构建

为了提高复杂泵站系统水力瞬变数值模拟的高效性和稳定性,该研究基于泵站系统水力瞬变问题,建立有限体积法Godunov格式的数学模型,对简单管道系统和复杂泵站系统进行模拟研究。与常用的特征线法求解泵站水力模型方程不同,该模型引进有限体积法二阶Godunov格式对模型进行离散,用Riemann求解器对离散通量进行求解。使用MUSCL-Hancock方法进行界面数值重构,采用MINMOD斜率限制器避免虚假震荡。提出双虚拟单元边界处理方法,实现计算区域与边界同时达到二阶精度。将所建模型计算结果与精确解、经典算例数据进行对比,并针对库朗数取值和计算网格数进行敏感性分析。结果表明：所建模型模拟结果与精确解、经典算例数据吻合较好;与特征线法相比,二阶Godunov格式更加准确、稳定且高效。对于简单管道系统,特征线法计算耗时0.227 s,二阶Godunov格式计算耗时0.017 s。对于实际泵站系统,由于存在多特性的管道结构,二阶Godunov格式模拟时需稍微降低库朗数。而采用特征线法进行泵站水力过渡过程计算时,若不调整管道长度或者波速,管道中库朗数会小于1,在本文算例中,库朗数为0.72～0.76,模拟计算结果偏差很大。所以需要调整局部管道长度或波速,以达到库朗数为1的条件,这样处理因改变管道特性而引入计算误差。综上,二阶Godunov格式模拟方法可以更有效提高传统泵站系统水力瞬变模拟的高效性、稳定性以及准确性。     

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.