弯管内瞬变流演变过程研究
发布时间：2021-07-04 04:14
为了研究复杂管系瞬变流的演变机理,从而有效控制剧烈瞬变流对管系的破坏,利用CFD技术建立了管网中常见的弯管与阀门连结结构的三维仿真计算模型,并基于该模型计算由阀门动作产生的瞬变流在弯管中的传播过程,计算结果表明:管内瞬变流的压力峰值发生在瞬变流激发源阀门前端位置,其压力波向上游的传播过程存在明显的不对称特征,其压力面形状受弯管对流场作用的影响明显;通过调整阀门相对弯管的安装角度可对管内压力峰值进行一定程度调控。
【文章来源】：机械设计与制造. 2020,(09)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
物理模型
事实上，在球阀还未动作之前，管内处于稳定流动状态，管道下游的压力应该小于上游，但根据图2(a），在各截面出现第一个峰值压力前后，阀前各处的压力是下游大于上游的，因而在阀门开始动作后，必定会出现下游压力逐渐超越上游压力的过程。通过放大图2(a）的前半部分得到图2(b），发现在阀门开始动作后不久（0.018s附近），阀前各位置确实出现了下游压力相继超越上游的现象，而且下游位置压力的增速明显大于上游，这在各位置峰值压力出现前越来越显著。当各位置峰值压力出现后，紧接着各位置的压力出现衰减，衰减速率也是下游显著大于上游，并出现下游压力低于上游压力的情况。上面的分析结果是从各截面平均压力的角度得到的，属于一维信息，然而，由于弯管结构的特殊性，以及球阀动作的不对称性，为了更好地研究压力波在管内的传播过程和特点，下面对管内压力的三维情况进行深入分析。初步估计瞬变波速为1484m/s[8]，以当前计算时间步长，管道模型尺寸较小，不便对管内瞬变流的传播过程进行研究。因此，调整基本模型的计算时步为10-4s，截取阀门开始动作后的前0.001s时间内各时步下管内的压力分布云图，如图3所示。根据图3，球阀在开始动作之前，如图3(a）所示。管内压力总体上从模型入口至出口逐渐递减，在此过程中，弯管内部由于流场的分化[9]导致压力场表现出了明显的压力分层现象，并对下游压力场产生影响，该影响随着工质远离弯管而逐渐削弱。此后，球阀开始动作，并在其附近产生较为复杂的压力扰动，此压力扰动在往上游传播过程中形成不断被削弱的正压波并叠加在原压力场上，从而形成了图3中在0.0103s之后弯管与球阀之间两侧高压区挤压中间低压区的现象，以及弯管后等压线逐渐向阀门方向移动的现象，此即阀前压力增速大于其它位置的原因。在此需要特别注意的是，阀门动作所导致的正压波，在往上游传播过程中，表现出明显的三维非对称特性，而且它与原压力场叠加后所形成的压力面，与叠加前的压力面形状刚好相反，如图3(d）所示。这说明阀动产生的正压波对管边缘流场的压力增强作用大于对中央的增强作用。两个相向的压力面，它们中间的区域为低压区，它们两侧为高压区。随着阀门的继续动作，阀动正压波对下游的压力持续增强，下游高压区不断向上游挤压，使低压区越来越小，直至被两侧的高压区挤压溃灭，两侧高压区域汇合，形成较大区域的等压场（如图3f-图3i），从而使管内的压力梯度逐渐减小。
上面的分析结果是从各截面平均压力的角度得到的，属于一维信息，然而，由于弯管结构的特殊性，以及球阀动作的不对称性，为了更好地研究压力波在管内的传播过程和特点，下面对管内压力的三维情况进行深入分析。初步估计瞬变波速为1484m/s[8]，以当前计算时间步长，管道模型尺寸较小，不便对管内瞬变流的传播过程进行研究。因此，调整基本模型的计算时步为10-4s，截取阀门开始动作后的前0.001s时间内各时步下管内的压力分布云图，如图3所示。根据图3，球阀在开始动作之前，如图3(a）所示。管内压力总体上从模型入口至出口逐渐递减，在此过程中，弯管内部由于流场的分化[9]导致压力场表现出了明显的压力分层现象，并对下游压力场产生影响，该影响随着工质远离弯管而逐渐削弱。此后，球阀开始动作，并在其附近产生较为复杂的压力扰动，此压力扰动在往上游传播过程中形成不断被削弱的正压波并叠加在原压力场上，从而形成了图3中在0.0103s之后弯管与球阀之间两侧高压区挤压中间低压区的现象，以及弯管后等压线逐渐向阀门方向移动的现象，此即阀前压力增速大于其它位置的原因。在此需要特别注意的是，阀门动作所导致的正压波，在往上游传播过程中，表现出明显的三维非对称特性，而且它与原压力场叠加后所形成的压力面，与叠加前的压力面形状刚好相反，如图3(d）所示。这说明阀动产生的正压波对管边缘流场的压力增强作用大于对中央的增强作用。两个相向的压力面，它们中间的区域为低压区，它们两侧为高压区。随着阀门的继续动作，阀动正压波对下游的压力持续增强，下游高压区不断向上游挤压，使低压区越来越小，直至被两侧的高压区挤压溃灭，两侧高压区域汇合，形成较大区域的等压场（如图3f-图3i），从而使管内的压力梯度逐渐减小。3.2 阀门安装角度对管内瞬变流的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]发射场加注系统瞬变过程及其影响因素研究[J]. 高阳,冯辅周,张红星,张晓萍. 装备学院学报. 2015(04)
[2]火箭靶场加注系统瞬变过程及其影响因素试验研究[J]. 高阳,冯辅周,江鹏程,张红星. 机械设计与制造. 2015(03)
[3]截止阀启闭时流动特征的动态数值模拟[J]. 巴鹏,邹长星,陈卫丹. 振动与冲击. 2010(10)
本文编号：3264011
【文章来源】：机械设计与制造. 2020,(09)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
物理模型
事实上，在球阀还未动作之前，管内处于稳定流动状态，管道下游的压力应该小于上游，但根据图2(a），在各截面出现第一个峰值压力前后，阀前各处的压力是下游大于上游的，因而在阀门开始动作后，必定会出现下游压力逐渐超越上游压力的过程。通过放大图2(a）的前半部分得到图2(b），发现在阀门开始动作后不久（0.018s附近），阀前各位置确实出现了下游压力相继超越上游的现象，而且下游位置压力的增速明显大于上游，这在各位置峰值压力出现前越来越显著。当各位置峰值压力出现后，紧接着各位置的压力出现衰减，衰减速率也是下游显著大于上游，并出现下游压力低于上游压力的情况。上面的分析结果是从各截面平均压力的角度得到的，属于一维信息，然而，由于弯管结构的特殊性，以及球阀动作的不对称性，为了更好地研究压力波在管内的传播过程和特点，下面对管内压力的三维情况进行深入分析。初步估计瞬变波速为1484m/s[8]，以当前计算时间步长，管道模型尺寸较小，不便对管内瞬变流的传播过程进行研究。因此，调整基本模型的计算时步为10-4s，截取阀门开始动作后的前0.001s时间内各时步下管内的压力分布云图，如图3所示。根据图3，球阀在开始动作之前，如图3(a）所示。管内压力总体上从模型入口至出口逐渐递减，在此过程中，弯管内部由于流场的分化[9]导致压力场表现出了明显的压力分层现象，并对下游压力场产生影响，该影响随着工质远离弯管而逐渐削弱。此后，球阀开始动作，并在其附近产生较为复杂的压力扰动，此压力扰动在往上游传播过程中形成不断被削弱的正压波并叠加在原压力场上，从而形成了图3中在0.0103s之后弯管与球阀之间两侧高压区挤压中间低压区的现象，以及弯管后等压线逐渐向阀门方向移动的现象，此即阀前压力增速大于其它位置的原因。在此需要特别注意的是，阀门动作所导致的正压波，在往上游传播过程中，表现出明显的三维非对称特性，而且它与原压力场叠加后所形成的压力面，与叠加前的压力面形状刚好相反，如图3(d）所示。这说明阀动产生的正压波对管边缘流场的压力增强作用大于对中央的增强作用。两个相向的压力面，它们中间的区域为低压区，它们两侧为高压区。随着阀门的继续动作，阀动正压波对下游的压力持续增强，下游高压区不断向上游挤压，使低压区越来越小，直至被两侧的高压区挤压溃灭，两侧高压区域汇合，形成较大区域的等压场（如图3f-图3i），从而使管内的压力梯度逐渐减小。
上面的分析结果是从各截面平均压力的角度得到的，属于一维信息，然而，由于弯管结构的特殊性，以及球阀动作的不对称性，为了更好地研究压力波在管内的传播过程和特点，下面对管内压力的三维情况进行深入分析。初步估计瞬变波速为1484m/s[8]，以当前计算时间步长，管道模型尺寸较小，不便对管内瞬变流的传播过程进行研究。因此，调整基本模型的计算时步为10-4s，截取阀门开始动作后的前0.001s时间内各时步下管内的压力分布云图，如图3所示。根据图3，球阀在开始动作之前，如图3(a）所示。管内压力总体上从模型入口至出口逐渐递减，在此过程中，弯管内部由于流场的分化[9]导致压力场表现出了明显的压力分层现象，并对下游压力场产生影响，该影响随着工质远离弯管而逐渐削弱。此后，球阀开始动作，并在其附近产生较为复杂的压力扰动，此压力扰动在往上游传播过程中形成不断被削弱的正压波并叠加在原压力场上，从而形成了图3中在0.0103s之后弯管与球阀之间两侧高压区挤压中间低压区的现象，以及弯管后等压线逐渐向阀门方向移动的现象，此即阀前压力增速大于其它位置的原因。在此需要特别注意的是，阀门动作所导致的正压波，在往上游传播过程中，表现出明显的三维非对称特性，而且它与原压力场叠加后所形成的压力面，与叠加前的压力面形状刚好相反，如图3(d）所示。这说明阀动产生的正压波对管边缘流场的压力增强作用大于对中央的增强作用。两个相向的压力面，它们中间的区域为低压区，它们两侧为高压区。随着阀门的继续动作，阀动正压波对下游的压力持续增强，下游高压区不断向上游挤压，使低压区越来越小，直至被两侧的高压区挤压溃灭，两侧高压区域汇合，形成较大区域的等压场（如图3f-图3i），从而使管内的压力梯度逐渐减小。3.2 阀门安装角度对管内瞬变流的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]发射场加注系统瞬变过程及其影响因素研究[J]. 高阳,冯辅周,张红星,张晓萍. 装备学院学报. 2015(04)
[2]火箭靶场加注系统瞬变过程及其影响因素试验研究[J]. 高阳,冯辅周,江鹏程,张红星. 机械设计与制造. 2015(03)
[3]截止阀启闭时流动特征的动态数值模拟[J]. 巴鹏,邹长星,陈卫丹. 振动与冲击. 2010(10)
本文编号：3264011
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