基于MOC-CFD耦合方法的泵送系统瞬态特性研究

发布时间：2017-11-02 19:00

  本文关键词：基于MOC-CFD耦合方法的泵送系统瞬态特性研究

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【摘要】：在化工流程、生活供水以及核电循环等泵送系统中,阀门误操作、泵机组意外启停、水池水位突变等事件都会造成管内流速剧烈变化,诱发水锤事件。传统分析方法对系统瞬变特性分析时,泵常采用简单一维模型描述,而对于泵瞬态特性研究时,则去除管路系统而仅对泵进行三维独立分析,通常无法得到系统瞬变过程中的泵瞬态特性以及泵瞬态效应对系统特性的影响,即难以充分考虑瞬变工况中泵与系统的相互作用。因此,本文提出了一种基于一维特征线法(Method of Characteristics,简写MOC)和三维计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,简写CFD)耦合分析方法。该方法避免了整个系统三维CFD建模带来的计算资源和时间过度消耗,以及整个系统一维MOC计算无法获得复杂部件内流特性和模型不准确等缺点,同时也可以解决泵瞬态过程CFD模拟难以确定动态边界条件的问题。论文的主要内容包括以下几个方面：1、提出基于一维／三维多尺度耦合的MOC-CFD数值模拟方法,并对稳态和瞬态过程的耦合方法进行研究,开发耦合模拟程序的数据交互接口和耦合环境运行控制平台程序,同时探索提高耦合模拟稳定性与计算效率的方法。2、设计并搭建了一个管路-阀门实验系统,用于耦合程序MOC和CFD两个模块的准确性验证。基于MOC的水锤计算中,分析了拟恒定摩阻模型和Brunone非恒定摩阻模型的计算结果。三维CFD数值模拟中,通过考虑水可压缩性和滑移网格技术实现水锤模拟,并对影响模拟结果的主要因素进行研究。3、设计并搭建了一个泵-管路-阀门实验系统,用于管路水锤与泵动态交互作用实验,分别采用MOC-CFD耦合模拟、纯一维MOC计算和纯三维CFD’模拟三种方法进行计算和比较分析。结果表明,纯一维MOC计算属于准稳态计算,得到的泵瞬态H-Q曲线与实验稳态H-Q曲线重合,无法体现瞬态效应影响。纯三维CFD和MOC-CFD耦合模拟结果与实验数据吻合较好。对比分析结果既验证了MOC-CFD耦合仿真程序及其在分析管路系统瞬变中的优越性,也说明系统瞬变过程中管路水锤与泵之间存在强耦合作用。4、基于MOC-CFD耦合数值模拟方法对快速关阀过程中的泵瞬态特性进行了研究,给出管路系统瞬变特性以及水锤波影响下的泵内三维瞬态流动演化过程,研究了关阀时间、关阀规律和管路长度对泵瞬态特性的影响。通过泵瞬态特性和内部瞬态流场演化的分析与总结,指出降低关阀水锤破坏的措施。5、基于MOC-CFD耦合数值模拟研究了快速开阀过程管路系统水锤与实验模型泵的相互作用,给出开阀过程的系统与泵的瞬态特性。结果表明,阀门快速开启过程产生的一个低压区向阀门上游传递,使泵的瞬时扬程降低并在低扬程运行工况下波动,直至稳定；而流量曲线则呈现波动上升的趋势。整个过程中,瞬时的泵Q.H曲线位于稳态Q-H曲线下方,并出现小幅度的波动,波动幅度明显小于关阀的瞬态过程。6、基于MOC-CFD耦合数值模拟研究了停泵过程管路系统水锤与试验模型泵的相互作用,给出停泵过程中管路系统瞬态特性、泵内流道间的漩涡转移特性以及瞬态性能。结果表明,停泵水锤过程中,泵进出口位置首先产生非同步性压力震荡,而后在下游的瞬变流作用下产生同步性压力波动,而瞬态过程的流量曲线呈现出波动下降趋势。本文提出一种面向泵送系统瞬态特性分析的一维／三维流动耦合数值模拟方法,开发了MOC-CFD耦合计算程序,并通过泵送系统瞬态特性实验对计算结果进行了验证,并基于MOC-CFD耦合模拟分析了瞬变流事件下的管路系统瞬变与泵的相互作用特性。本文的研究内容和结论对复杂含泵管路系统的瞬变分析具有指导意义,并对核泵系统的瞬态特性分析具有参考价值。
【关键词】：泵系统 管路系统 瞬态过程 一维/三维耦合 动态特性 水锤
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ051.21
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-17
• 符号清单17-18
• 第1章 绪论18-28
• 1.1 课题背景和意义18-19
• 1.2 国内外研究现状19-24
• 1.2.1 管路系统瞬变流研究现状19-21
• 1.2.2 水力机械的CFD模拟研究现状21-22
• 1.2.3 一维/三维流动多尺度耦合模拟研究现状22-24
• 1.3 论文主要研究目标和内容24-28
• 1.3.1 主要研究目标24-25
• 1.3.2 主要研究内容25-28
• 第2章 一维/三维流动耦合模拟方法28-44
• 2.1 引言28
• 2.2 特征线法(MOC)28-32
• 2.2.1 瞬变流方程28-29
• 2.2.2 摩阻模型29-32
• 2.3 计算流体动力学(CFD)32-35
• 2.3.1 流体控制方程32-33
• 2.3.2 湍流模型33-35
• 2.4 MOC-CFD耦合模拟方法35-43
• 2.4.1 耦合方案35-37
• 2.4.2 耦合程序37-41
• 2.4.3 耦合速率和稳定性分析41-43
• 2.5 本章小结43-44
• 第3章 管路-阀门系统瞬变特性的数值模拟与试验验证44-68
• 3.1 引言44
• 3.2 试验装置与测试44-50
• 3.2.1 实验方案及装置44-46
• 3.2.2 高频动态压力变送器46-47
• 3.2.3 数据采集系统47-48
• 3.2.4 实验过程及结果48-50
• 3.3 基于MOC的瞬变流一维计算50-55
• 3.3.1 边界条件50-54
• 3.3.2 MOC计算结果54-55
• 3.4 基于CFD的瞬变流三维数值模拟55-67
• 3.4.1 CFD模型与方法55-59
• 3.4.2 网格无关性验证59-61
• 3.4.3 湍流模型的影响61-62
• 3.4.4 时间步长的影响62-64
• 3.4.5 模拟结果分析64-67
• 3.5 本章小结67-68
• 第4章 泵-管路-阀系统瞬变特性的耦合分析与试验验证68-98
• 4.1 引言68
• 4.2 实验装置68-72
• 4.3 系统瞬变流的数值模拟72-97
• 4.3.1 基于MOC-CFD的系统瞬变流耦合分析72-85
• 4.3.2 基于MOC的系统瞬变流分析85-88
• 4.3.3 基于CFD的系统瞬变流分析88-93
• 4.3.4 计算结果的比较分析93-97
• 4.4 本章小结97-98
• 第5章 基于MOC-CFD的泵送系统瞬态特性研究98-122
• 5.1 引言98
• 5.2 关阀过程中管路瞬变流与泵的相互作用98-110
• 5.2.1 耦合模型与方法99-102
• 5.2.2 稳态过程的耦合模拟102-103
• 5.2.3 关阀时间对瞬态特性的影响103-107
• 5.2.4 关阀规律对瞬态特性的影响107-108
• 5.2.5 管路长度对瞬态特性的影响108-110
• 5.3 开阀过程中管路瞬变流与泵的相互作用110-117
• 5.4 停泵过程中管路瞬变流与泵的相互作用117-120
• 5.5 本章小结120-122
• 第6章 总结和展望122-128
• 6.1 总结122-124
• 6.2 创新点124-125
• 6.3 展望125-128
• 参考文献128-138
• 致谢138-140
• 作者简历140-141

【参考文献】

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本文编号：1132729