李斌+劉明亞+牟靜+郭健+梅越民

摘 要 隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)體系的日益完善。管道輸送體系在社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活中逐漸扮演起重要角色，借助管道體系，諸如石油、天然氣以及水資源等工業(yè)產(chǎn)生生活原料得以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的安全快速傳輸，在很大程度上滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求。流體在輸送過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)力學(xué)方面的變化，因此對(duì)管道的支架以及連接裝置會(huì)帶來(lái)沖擊，造成管道使用壽命與性能的降低。本文旨在從管道流體瞬態(tài)研究的角度發(fā)出，在相關(guān)科學(xué)理論的支持下，進(jìn)行瞬態(tài)仿真模型的科學(xué)構(gòu)建，以期滿(mǎn)足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于管道運(yùn)輸與建設(shè)的要求。

關(guān)鍵詞 管道；流體力學(xué)；瞬態(tài)；仿真模型

中圖分類(lèi)號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）164-0183-01

在流體力學(xué)上，瞬態(tài)與密度、溫度、速度等穩(wěn)態(tài)相對(duì)，其基本狀態(tài)與技術(shù)參數(shù)會(huì)在某一時(shí)刻，在某些因素的作用下發(fā)生極為明顯的變化。以開(kāi)關(guān)自來(lái)水閥門(mén)為例，當(dāng)我們忽然關(guān)閉自來(lái)水閥門(mén)時(shí)，會(huì)明顯感受到管道的振動(dòng)，在力學(xué)上我們將其稱(chēng)之為水錘現(xiàn)象[1]。之所以會(huì)出現(xiàn)這一情況，是因?yàn)楣艿览锏牧黧w狀態(tài)忽然發(fā)生改變，使得內(nèi)部的壓力分布情況發(fā)生改變，壓力分布出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象，壓力在外傳遞的過(guò)程中，會(huì)對(duì)管道本身產(chǎn)生一定的沖擊力，沖擊力在瞬時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出驚人的數(shù)值，進(jìn)而對(duì)管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性與使用性能，造成一定程度的破壞。因此對(duì)于管道流體的瞬態(tài)研究就有著十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 管道流體瞬態(tài)仿真模型構(gòu)建的意義

管道流體瞬態(tài)仿真模式是研究管道內(nèi)流體傳輸與瞬態(tài)變化的有效工具，借助于流體瞬態(tài)仿真模型，我們能夠?qū)艿纼?nèi)部的受力情況與變化規(guī)律進(jìn)行全面科學(xué)把握。并在此基礎(chǔ)上，對(duì)管道進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，在提升管道使用壽命，保證管道正常運(yùn)作的同時(shí)，也能夠在一定的程度上增強(qiáng)我國(guó)流體力學(xué)研究水平，促進(jìn)相關(guān)企業(yè)的健康發(fā)展。

1）管道流體瞬態(tài)仿真模型的構(gòu)建能夠有效提升我國(guó)在管道運(yùn)輸體系設(shè)計(jì)與建設(shè)方面的能力。使得管道設(shè)計(jì)方案與制作技術(shù)能夠滿(mǎn)足越來(lái)越多的工程項(xiàng)目的使用需求，這一方面為進(jìn)行管道設(shè)計(jì)與施工的相關(guān)企業(yè)提供了一個(gè)更為廣闊的發(fā)展空間，提升企業(yè)自身的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；另一方面，管道流體瞬態(tài)仿真模型在管道設(shè)計(jì)領(lǐng)域的廣泛使用，能夠提升我國(guó)管道運(yùn)輸乃至整個(gè)交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展層次。以管道流體瞬態(tài)仿真模型的科學(xué)高效構(gòu)建為起點(diǎn)，更多先進(jìn)的技術(shù)、設(shè)計(jì)理論與流體力學(xué)的原理結(jié)合起來(lái)，被應(yīng)用于管道設(shè)計(jì)與建設(shè)的過(guò)程中，以此全面提升管道工程建設(shè)的質(zhì)量。

2）管道流體瞬態(tài)仿真模型的不斷創(chuàng)新與廣泛使用。能夠有效的提升我國(guó)相關(guān)企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，在經(jīng)濟(jì)全球化的形勢(shì)下，我國(guó)企業(yè)逐漸轉(zhuǎn)變自身的發(fā)展模式，將越來(lái)越多的注意力轉(zhuǎn)移到海外市場(chǎng)，通過(guò)自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，逐漸在跨國(guó)建設(shè)領(lǐng)域取到了一系列的成就。在這一過(guò)程中，不僅需要企業(yè)自身雄厚的資金實(shí)力，國(guó)家政策的扶植，更需要先進(jìn)技術(shù)的支撐，管道流體瞬態(tài)仿真模型作為一種技術(shù)創(chuàng)新能夠有效的提升管道設(shè)計(jì)之中各種技術(shù)參數(shù)，提升技術(shù)指標(biāo)，以管道流體瞬態(tài)仿真模型的構(gòu)建為技術(shù)支撐，增強(qiáng)我國(guó)企業(yè)在相關(guān)開(kāi)發(fā)建設(shè)環(huán)節(jié)的科學(xué)性與高效性，使我國(guó)企業(yè)在面對(duì)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)之中占有更多的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，從而為企業(yè)自身提供更多的發(fā)展機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)企業(yè)自身的健康高速發(fā)展。

2 管道流體瞬態(tài)仿真模型構(gòu)建的原則

1）管道流體瞬態(tài)仿真模型的構(gòu)建必須要遵循科學(xué)性的原則。管道流體瞬態(tài)仿真模型在進(jìn)行構(gòu)建與規(guī)劃的過(guò)程之中，要充分體現(xiàn)科學(xué)性的原則，只有從科學(xué)的角度進(jìn)行管道材料性質(zhì)，流體力學(xué)的生產(chǎn)原理、管道受力情況以及瞬態(tài)峰值監(jiān)測(cè)等多個(gè)方面進(jìn)行細(xì)致而全面的考量。只有這樣才能夠最大限度的保證管道流體瞬態(tài)仿真模型的科學(xué)構(gòu)建，只有在科學(xué)精神、科學(xué)手段、科學(xué)理念的指導(dǎo)下，我們才能夠以現(xiàn)有的技術(shù)條件為基礎(chǔ)，進(jìn)行管道流體瞬態(tài)仿真模型的科學(xué)探索與研究。

2）管道流體瞬態(tài)仿真模型的構(gòu)建必須要遵循實(shí)用性的原則。管道流體瞬態(tài)仿真模型為人類(lèi)改造自然環(huán)境的重要社會(huì)行為，對(duì)自然環(huán)境做出了巨大的改變，經(jīng)歷從無(wú)到有，從小到大的過(guò)程。而這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)就需要雄厚資金的支持，從實(shí)際來(lái)看，資金的穩(wěn)定供應(yīng)與否能夠直接影響到管道流體瞬態(tài)仿真模型的構(gòu)建的質(zhì)量與水平，因而管道流體瞬態(tài)仿真模型在構(gòu)建的過(guò)程中必須要遵循實(shí)用性的原則，最大限度降低管道流體瞬態(tài)仿真模型構(gòu)建的成本投入，從而能夠?qū)⒏嗟馁Y金利用于其他方面，保證企業(yè)的正常運(yùn)作，促進(jìn)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。

3 管道流體瞬態(tài)仿真模型構(gòu)建的途徑

目前，管道流體瞬態(tài)仿真模型建立是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在這一過(guò)程中，我們既要充分認(rèn)識(shí)到流體瞬態(tài)仿真模型科學(xué)高效構(gòu)建所帶來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義，也要在相應(yīng)原則的指導(dǎo)下，借助于科學(xué)手段，進(jìn)行模型的構(gòu)建。我們可以借助于數(shù)學(xué)型流體模型、線(xiàn)性摩擦模型以及頻率摩擦模型3種形式進(jìn)行管道流體瞬時(shí)仿真模型的構(gòu)建。

1）但是從實(shí)際情況來(lái)看，由于數(shù)學(xué)型流體模型與線(xiàn)性摩擦模型在操作困難長(zhǎng)度以及準(zhǔn)確性方面存在不足，因此現(xiàn)階段我們普遍采用頻率摩擦模型進(jìn)行仿真模型的建設(shè)。頻率摩擦模型涉及到貝塞爾函數(shù)，但是由于涉及到較為復(fù)雜的因拉氏轉(zhuǎn)化，因此需要我們?cè)谑褂玫倪^(guò)程中進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理，使其能夠滿(mǎn)足管道通路系統(tǒng)以及邊界計(jì)算的要求[2]。同時(shí)為了保證瞬態(tài)仿真模型能夠全面的反應(yīng)管道內(nèi)流體的瞬態(tài)特性，需要我們使用特征線(xiàn)法、傳輸法以及合圖法對(duì)管道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的力學(xué)瞬態(tài)特征進(jìn)行分析與總結(jié)。通過(guò)這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管道流體瞬態(tài)防治建模的分散化處理，降低建模的難度，提升數(shù)學(xué)計(jì)算與仿真模型建立的準(zhǔn)確性，使其最大程度的滿(mǎn)足實(shí)踐要求。

2）管道仿真模型的構(gòu)建。為了建立一個(gè)科學(xué)的管道流體力學(xué)受力模型，我們需要在相關(guān)理論的支持下進(jìn)行合理的假設(shè)。

我們將管道的設(shè)定為光滑的直線(xiàn)型管道，其流動(dòng)狀態(tài)為一元層流，將管道受力變形以及流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的熱傳導(dǎo)等元素排除在假設(shè)條件之外，根據(jù)相關(guān)方程進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，我們就可以對(duì)圖中3處節(jié)點(diǎn)的受力情況，進(jìn)行有效分析，從而得出相應(yīng)狀態(tài)下，管道內(nèi)流體狀態(tài)變化對(duì)管道產(chǎn)生的力學(xué)影響[3]，在運(yùn)用貝塞爾函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算與分析，進(jìn)而在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行管道仿真模型的建立，如圖1所示。

當(dāng)我們將管道仿真模型與管道邊界條件進(jìn)行結(jié)合，就可以將其作為管道流體瞬態(tài)仿真模型建立的參照。

3）管道邊界條件的使用。為了達(dá)到這一目的就需要我們對(duì)管道網(wǎng)絡(luò)自身與集中元件耦合進(jìn)行關(guān)系進(jìn)行科學(xué)處理，只有實(shí)現(xiàn)二者的有效結(jié)合才能保證管道仿真模型的完整性與合理性，才能夠使得管道流體瞬態(tài)仿真模型能夠最大程度的真實(shí)反映管道內(nèi)部的受力情況、瞬態(tài)發(fā)生與分布規(guī)律，從而降低流體瞬態(tài)變化對(duì)管道產(chǎn)生的破壞，保證管道正常工作的順利進(jìn)行與有效開(kāi)展。

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