粘弹性输水管道瞬变流数值模拟分析

发布时间：2020-06-02 05:54

【摘要】：输水管道是城市供水系统的重要组成部分,其运行状态将对供水安全性和管网输水能力产生重大影响。现阶段对输水管道中瞬变流造成危害的预防和控制方法的研究主要针对的是弹性管道。但随着高分子材料技术的发展,粘弹性管道在中国得到广泛的应用。为了准确了解粘弹性管道中的实际压力波动情况,本文建立了粘弹性管道瞬变流模型,并且分析不同因素对纯液相以及气液两相瞬态流动过程模拟准确性的影响。首先,对粘弹性管道纯液相瞬变流问题进行简化,详细推导基本微分方程,假设摩阻系数不发生变化,建立粘弹性管道纯液相瞬变流模型。依据文献中的实验结果,对比不同流态下粘弹性管道瞬变流模型与弹性管道瞬变流模型模拟的准确性。结果表明:考虑管道粘弹性可以显著提高纯液相瞬变流模型的准确性,使压力波振幅值最大相对误差降至0.37%~6.34%;管壁约束系数越小,得到的压力波动的振幅值越大。然后,对粘弹性管道的摩阻模型做出修正,分别引入改进的IAB摩阻模型和Vardy-Brown摩阻模型,建立引入瞬态摩阻模型的粘弹性管道纯液相瞬变流模型。依据文献中的实验结果,分别对比不同流态下高密度聚乙烯管和中密度聚乙烯管中纯液相瞬变流模型模拟的准确性。结果表明:修正摩阻模型可以提高纯液相瞬变流模型的准确性,且引入Vardy-Brown摩阻模型时模拟结果更接近实验结果,此时压力波振幅值最大相对误差为0.22%~4.46%。最后,对粘弹性管道气液两相瞬变流现象展开研究。分别引入不同摩阻模型,建立粘弹性管道气液两相瞬变流模型。依据文献中的实验结果,对比紊流状态下引入不同摩阻模型的粘弹性管道气液两相瞬变流模型模拟的准确性。结果表明:对于瞬时低压小于饱和蒸汽压的粘弹性管道,必须同时考虑管道的粘弹性和断流弥合水锤现象,才能反映管道中实际压力波动情况,并且可以通过修正摩阻模型来提高粘弹性管道气液两相瞬变流模型的准确性,引入改进的IAB摩阻模型时压力波振幅值相对误差降至3.56%~7.14%。综上所述,本文建立了粘弹性管道纯液相及气液两相瞬变流模型,并依据文献中的实验结果,对管道的粘弹性、管壁约束系数、不同的摩阻模型等影响模拟准确性的因素进行了分析,为粘弹性管道的瞬变流研究提供了参考依据。
【图文】：

流体质量,微元控制体,连续性方程,内流

图 2-1 连续性方程中的微元控制体而在同一段时间内流出断面 2-2 的流体质量为：2m VAdt ( VAdt )dxx (2-2)流出流入控制体的质量差为：1 2 1M m m ( VAdt )dxx (2-3)由于液体的压缩性和管壁的粘弹性，在dt 时间内，，控制体内的流体质量变化2M ( Adx )dtt (2-4)根据质量守恒原理，可得：( Adx ) dt ( VAdt ) dx=0t x (2-5)消去 dxdt，上式整理为：( A) ( AV) 0t x (2-6)将上式展开，并写成全微分形式：

示意图,实验装置,示意图,测压点

通过实验测得 HDPE 管中纯液相瞬变流压力波动数据[9]。图2-7 是该实验装置的示意图。从图中可以看出，该实验装置由水泵、压力罐、流量计、测压装置和管道系统组成。其中，管道采用的是参数为 SDR11 PE100 NP16的 HDPE 管，管道总长度为 271.50m，管道内径为 50.6mm，管壁厚度为 6.2mm。水从吸水管流入水泵，经过进水管流向压力罐，保持压力，流经流量计后进入水平放置的管道系统，由回水管流出。本文参考测压点 1、测压点 5、测压点 8 处采集的实验数据用于瞬变流模型校核，这三个测压点距离上游压力罐的距离分别为271.00m、116.42m、196.93m。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU991.36

【参考文献】