长输管线中水流冲击气团流场的数值模拟研究

发布时间：2018-05-04 00:32

本文选题：VOF模型 + 有压水流冲击气团　；参考：《哈尔滨工业大学》2014年硕士论文

【摘要】：随着我国多个领域发展的突飞猛进，水慢慢成为了稀有资源，部分城市地区由于附近没有水源，导致市内的日常生活、工农业的用水都得不到很好的满足。为此，很多城市被迫开始建设大量的长距离输水管线，将很远地方的水源调用过来。在这些长输管线工程中，有的管线因距离远长达十几公里，有的管线因要穿越一些深山或地势变化很大的区域而变得错综复杂或高低不同。通常情况下，这些管段的弯折处、凸起部位、阀门处、堵头处等，在充水过程中会残留聚集一些大小不等的气团，这些气团不仅会影响管道系统输水的高效性，当泵的功率突然增大或管道阀门突然关闭的情况下给气团一个很强的激励时，气团处瞬间会产生一个很大的异常水压，当这个异常水压超过管材承压时就会造成爆管事故。因此对于这类异常压力的产生原因及其原理的研究具有深远的意义。本文首先阐述了气液两相流的相关理论和计算流体力学CFD软件。通过查询有关有压水流冲击管道气团两相流的文献和工程实例，找到合适的实验数据来校核Fluent软件中的VOF模型。最后设计出具有实际意义的管道模型，，用校核后的VOF模型来模拟气团被水流冲击的复杂过程，分析和预测管道内气团被冲击时产生的瞬时压力变化规律，为实际输水运行的工程中遇到相应难题提供参考。通过对不同管道初始压力、不同管径、不同气团初始体积、气团初始存在形式等多个工况的数值模拟，其模拟结果表明：当管道内气体含量为总体积的1%左右时，有压水流冲击气团，气团处产生的瞬时压力峰值最大。同时借助于VOF模型中path功能在气团初始体积恒定的情况下，改变气团初始体积形态即管道横截面的含气率（气团初始长度），发现当气团占管道横截面50%以上时瞬时压力峰值基本相同，50%以下时瞬时压力峰值越来越小。通过观测和绘制气团被有压水流冲击过程中气团的体积分数与时间、压力的关系曲线，将气体体积多变的过程划分为4个阶段，即：大幅度压缩阶段、小幅度压缩阶段、小幅度膨胀阶段、大幅度膨胀阶段。并采用回归分析法和气体多变方程的转换，计算出了各阶段对应的多方指数n的取值。
[Abstract]:With the rapid development of many fields in our country , water has become scarce resources , some urban areas have not been satisfied because of the lack of water resources nearby . In these long - distance pipeline projects , many cities have been forced to build a large number of long - distance water pipelines , which will not only affect the high efficiency of water transmission in the pipeline system , but also cause a large abnormal water pressure when the power of the pump suddenly increases or the pipeline valves are suddenly closed . Therefore , the research on the causes and the principle of these abnormal pressures has far - reaching significance .

In this paper , the related theory and computational fluid dynamics CFD software of gas - liquid two - phase flow are described first . By querying the literature and engineering examples of the two - phase flow of gas masses with pressure water flow , we find suitable experimental data to check the VOF model . Finally , a pipeline model with practical significance is designed , and the variation law of the instantaneous pressure generated when the gas mass is impacted is analyzed and predicted by using the VOF model after the check , so as to provide a reference for the practical problems encountered in the engineering of the actual water conveyance operation .

The simulation results show that when the gas content in the pipeline is about 1 % of the total volume , the peak value of instantaneous pressure is the maximum when the gas content in the pipeline is about 1 % of the total volume .

【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】：2014
【分类号】：TV134

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