周云龍，張　祎

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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CFD技術(shù)在固液兩相流漿體水擊壓強(qiáng)計(jì)算中的應(yīng)用

周云龍，張祎

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

摘要：采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)動網(wǎng)格方法的彈性光順法與局部網(wǎng)格重劃法對閥門關(guān)閉過程進(jìn)行了動態(tài)模擬，對閥門突然關(guān)閉引起的固液兩相流漿體水擊壓強(qiáng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。通過改變閥門關(guān)閉速度分析了閥門關(guān)閉時間對水擊壓強(qiáng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析，并比較了不同初始流速對水擊壓強(qiáng)的影響。結(jié)果表明：延長閥門關(guān)閉時間將減小漿體水擊壓強(qiáng)的最大值，關(guān)閉時間超過2s后減小效果可忽略不計(jì)；閥門關(guān)閉時間一定時，初始流速越大漿體水擊壓強(qiáng)最大值也越大。

關(guān)鍵詞：固液兩相流；漿體水擊；動網(wǎng)格；數(shù)值模擬

壓管道中閥門的快速關(guān)閉(開啟)以及泵等設(shè)備的突然啟動(停止)會導(dǎo)致管道中流場的急劇變化，從而引起管道中某個截面上介質(zhì)的流速、流向的激烈變化，這種發(fā)生在管道中的水力瞬變現(xiàn)象稱為水擊現(xiàn)象，是管道中最常見的水力瞬變現(xiàn)象之一。伴隨水擊現(xiàn)象的產(chǎn)生，管路中的壓強(qiáng)可能升高到正常工作壓強(qiáng)的幾倍至幾十倍。對水擊現(xiàn)象的處理不當(dāng)輕則會引起噪音、管路振動，重則會損壞管路元件，甚至引起管道破裂、跑漿跑水等嚴(yán)重水力事故，因此在管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝過程對水擊壓強(qiáng)的計(jì)算必不可少[1-4]。

隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水擊現(xiàn)象的研究方法逐漸由實(shí)驗(yàn)法、圖解法向數(shù)值模擬方法發(fā)展[5-12]。目前，對單相液體水擊現(xiàn)象的研究已經(jīng)比較成熟，但對固液兩相流漿體水擊的研究計(jì)算較為少見，并主要以理論分析為主。韓文亮[13]等推導(dǎo)出了偽均質(zhì)固液兩相流水擊現(xiàn)象的基本方程，建立偽均質(zhì)固液兩相流水擊的數(shù)值模型，并用特征線法對其進(jìn)行了分析計(jì)算；周云龍[14-15]等對長距離漿體輸送管道停泵水錘進(jìn)行了分析研究，同時推導(dǎo)出了考慮含氣量的漿體水擊的基本方程，并運(yùn)用到了工程實(shí)際中；王偉英[16]等人推導(dǎo)出了含粗顆粒物料的固液兩相流漿體在垂直管道中的水擊波速公式，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。

采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)中的動網(wǎng)格方法定義管道閥門系統(tǒng)，可以對閥門運(yùn)動的瞬態(tài)過程進(jìn)行模擬，同時能夠?qū)崿F(xiàn)流場的可視化，便于進(jìn)一步分析研究，因此越來越多的被運(yùn)用于水擊現(xiàn)象的模擬分析之中[17-20]。

本文運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)對管道中閥門突然關(guān)閉引起的固液兩相流漿體水擊現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并分析了閥門關(guān)閉時間以及初始流速對漿體水擊壓強(qiáng)的影響。

圖1　簡化后的管道幾何模型

圖2　網(wǎng)格劃分及閥門運(yùn)動過程

2研究對象與基本參數(shù)

本文研究的對象是上游為恒定水頭，下游為閘閥的管道系統(tǒng)，圖1為簡化后的管道幾何模型。管道直徑為0.1 m，閥芯前管道長度為30 m，閥芯后管道長度為2 m。管路上游恒定壓強(qiáng)為70 560 Pa，下游出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.3 kPa。管路中的流體介質(zhì)為水與灰分混合的偽均質(zhì)流漿體，漿體中灰分的體積濃度Cv為9.09%，其中水的密度ρw為1×103kg/m3，灰分密度ρs為2×103kg/m3，漿體的密度由公式(1)計(jì)算[14]：

ρm=ρsCv+ρw(1-Cv) .

(1)

將圖1中的流體區(qū)域作為計(jì)算域，利用Gambit軟件對該計(jì)算域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對閥體以及閥門附近部分管道進(jìn)行了局部細(xì)化。采用動網(wǎng)格中的彈性光順法與局部網(wǎng)格重劃法實(shí)現(xiàn)閥門關(guān)閉的動態(tài)過程，閥體與上下游管道接觸面設(shè)置為交界面(interface)，接觸部分允許流體流過，不接觸部分設(shè)置為固體壁面(wall)，不允許流體流過，閥體以及閥門附近網(wǎng)格劃分以及閥體運(yùn)動過程如圖2所示。

3數(shù)值模擬計(jì)算與分析

3.1漿體水擊控制方程

描述漿體水擊現(xiàn)象的控制方程為由守恒定律推導(dǎo)出來的連續(xù)性方程與運(yùn)動方程[13，20]：

(1)

(2)

式中:am為漿體水擊波速，ρm為漿體密度。

3.2邊界條件與解析條件

本文使用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，進(jìn)出口邊界條件分別定義為壓力入口及壓力出口，采用壓力基非穩(wěn)態(tài)求解器求解。閥門部分為運(yùn)動邊界，運(yùn)動規(guī)律為勻速關(guān)閉。

3.3模擬計(jì)算結(jié)果與分析

圖3-圖5分別為入口初始流速為4.5 m/s，閥門1 s關(guān)閉時水擊現(xiàn)象發(fā)生后不同閥門開度時管道中軸向速度變化云圖?？梢钥闯鲩y門開始關(guān)閉后，由于閥體的作用，閥門處的流體速度與流向會發(fā)生劇烈變化，緊貼閥門處流體流速由于閥體的作用首先開始滯止，這將引發(fā)水擊現(xiàn)象。

圖3 開度為0.2圖4 開度為0.5

圖5　開度為0.8

圖6　不同閥門關(guān)閉時間水擊壓強(qiáng)變化

圖7　不同閥門關(guān)閉時間水擊壓強(qiáng)最大值

圖8　不同初始流速水擊壓強(qiáng)變化

3.3.1閥門關(guān)閉時間對漿體水擊現(xiàn)象的影響

圖6為同一模型不同閥門關(guān)閉時間下水擊現(xiàn)象發(fā)生后管道閥門處水擊壓強(qiáng)的變化情況。

從圖中可以看出，改變閥門關(guān)閉時間將對水擊壓強(qiáng)的最大值產(chǎn)生巨大影響。這是因?yàn)殚y門的關(guān)閉過程并不是瞬時完成的，而是需要一個關(guān)閉過程，而水擊現(xiàn)象發(fā)生后水擊壓強(qiáng)將以水擊波的形式向管道上游傳播，當(dāng)水擊波傳播到閥門上游管路元件或水池時，將會發(fā)生反射，形成一個減壓波向反方向傳播。

當(dāng)減壓波到達(dá)閥門位置時，閥門并沒有完全關(guān)閉(間接水擊)，減壓波所附加的壓力降將使水擊現(xiàn)象引起的壓強(qiáng)躍升值變小。閥門關(guān)閉時間越長，單位時間內(nèi)閥門的開度變化越小，反射回來的減壓波抵消的壓強(qiáng)份額越大，實(shí)際水擊壓強(qiáng)越小。當(dāng)閥門在反射的減壓波到達(dá)閥門位置之前已完全關(guān)閉(直接水擊)，水擊現(xiàn)象將不受到減壓波的影響，這樣的水擊壓強(qiáng)最大值較大。

圖7為閥門處水擊壓強(qiáng)最大值隨閥門關(guān)閉時間變化的情況?？梢钥闯?，隨著閥門關(guān)閉時間的延長，水擊壓強(qiáng)的最大值將急劇下降，但當(dāng)閥門關(guān)閉時間超過2 s后，閥門關(guān)閉時間對水擊壓強(qiáng)最大值的影響可忽略不計(jì)。在工程實(shí)際中可以合理設(shè)置閥門關(guān)閉時間，避免直接水擊現(xiàn)象的發(fā)生，減小水擊現(xiàn)象的危害。

3.3.2初始流速對漿體水擊壓強(qiáng)的影響

本文對閥門關(guān)閉時間為1s的同一模型，不同初始流速的水擊現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。圖8為不同初始流速閥門處水擊壓強(qiáng)的變化情況，可以看出隨著初始流速的增大，閥門處的水擊壓強(qiáng)也隨之增大。

這是因?yàn)樗畵衄F(xiàn)象發(fā)生后，由于閥體的作用閥門處的流體速度將發(fā)生劇烈變化，這種流體流速、流向的改變將在管道中附加水擊壓強(qiáng)，即水擊壓強(qiáng)的實(shí)質(zhì)是管道中流體動能部分或全部變化為勢能時引起的壓強(qiáng)變化，水擊壓力即是流體的慣性力，因此改變管道初始流速會對水擊壓強(qiáng)產(chǎn)生影響。

4結(jié)論

本文采用計(jì)算流體力學(xué)中的動網(wǎng)格方法對閥門[21-22]關(guān)閉引起的有壓管道漿體水擊現(xiàn)象進(jìn)行了動態(tài)模擬，并分析了閥門關(guān)閉時間以及初始流速對漿體水擊壓強(qiáng)的影響，得出了以下結(jié)論：

(1)閥門關(guān)閉時間會對水擊壓強(qiáng)的最大值產(chǎn)生影響，水擊壓強(qiáng)的最大將隨著閥門關(guān)閉時間的延長而減小，但關(guān)閉時間超過2 s后，閥門關(guān)閉時間對漿體水擊壓強(qiáng)的影響可以忽略不計(jì)。

(2)在閥門關(guān)閉時間一定時，由于水擊現(xiàn)象附加壓力的實(shí)質(zhì)為管道中流體的慣性力，因此初始流速會對漿體水擊壓強(qiáng)產(chǎn)生影響，初始流速越快漿體水擊壓強(qiáng)的最大值越大。

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Application of CFD Method in Computing of Slurry Water Hammer on Liquid-Solid Tow-Phase Flow

ZHOU Yun-long，ZHANG Wei

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：By using spring-base smoothing technology and local remeshing technology of dynamic mesh in CFD method to calculate the pipe valve closing，and the slurry water hammer pressure in pipeline with slurry flows carrying solid particles caused by the suddenly close of the valve was calculated.By changing closing speed of the valve，the influence of valve’s closure time on slurry water hammer pressure were analyzed，and the influence of different initial velocity of the slurry on slurry water hammer were compared.Results shows that the increase of valve’s closure time will reduce the slurry water hammer’s max pressure on liquid-solid two-phase flow systems，the Influence is neglected when valve’s closure time is mors than 2 seconds；when valve closing time is fixed，the increase of velocity of the slurry will increase the slurry water hammer’s max pressure.

Key words：Liquid-solid tow-phase flow；Slurry water hammer；Dynamic mesh；Numerical simulation

中圖分類號：TB126

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-2992(2016)01-0056-04

作者簡介：周云龍(1960-)，男，吉林省扶余市人，東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：液-固兩相流.

收稿日期：2015-12-10