高 陽，龍泉吉，夏嘉余，管清文

（1.武警警官學(xué)院部隊(duì)管理系，四川 成都 610213；2.武警西藏總隊(duì)機(jī)動(dòng)第一支隊(duì)，西藏 拉薩 850000）

1 引言

瞬變流又稱為水力過渡過程，是指流體從一種穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)過程中的中間過渡非穩(wěn)定流態(tài)[1]，在有壓管道中當(dāng)上述過渡流態(tài)表現(xiàn)為流量或壓力等流動(dòng)量的劇烈波動(dòng)時(shí)稱之為水錘或水擊，嚴(yán)重威脅管系的完全運(yùn)行[2]。流體管網(wǎng)系統(tǒng)廣泛分布于各類大型軍事裝備，如各作戰(zhàn)平臺(tái)的燃油供給系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)、液壓助力系統(tǒng)以及彈（箭）推進(jìn)劑加注系統(tǒng)[3]等。長期以來，在裝備管系的設(shè)計(jì)制造中，更多的關(guān)注在管系的功能實(shí)現(xiàn)上，而缺乏對(duì)管內(nèi)瞬變流控制與水錘防護(hù)的重視。因此，由于強(qiáng)烈水錘導(dǎo)致管道破裂從而致使裝備發(fā)生故障的現(xiàn)象在國內(nèi)外頻發(fā)[4-7]，嚴(yán)重制約裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。而要實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜管系管內(nèi)瞬變流的有效控制，前提是對(duì)其產(chǎn)生和發(fā)展的機(jī)理進(jìn)行深入研究。在復(fù)雜流體管系中，彎管是最常見的結(jié)構(gòu)，而閥門則是最常見的瞬變流激發(fā)源，將兩者結(jié)合研究彎管對(duì)閥激瞬變流演變的影響，特別是在不同閥門安裝角度下對(duì)閥激瞬變流演變的影響，對(duì)理解復(fù)雜管系瞬變流演變規(guī)律，有效控制強(qiáng)烈瞬變流對(duì)管系的破壞，保證裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮具有重要的意義。

2 基本物理模型

基本物理模型，如圖1（a）所示。圖中，彎管在距出口0.5m處有一氣動(dòng)球閥。最初，球閥處于完全打開狀態(tài)，管內(nèi)充滿工質(zhì)，并穩(wěn)定流動(dòng)。在某一時(shí)刻，突然關(guān)閉球閥，從而產(chǎn)生瞬變流。球閥關(guān)閉時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向已在圖中標(biāo)出。在圖1（a）中，從彎管出口看向彎管，球閥的旋轉(zhuǎn)軸線與豎管軸線的夾角為0，如圖1（b）所示。

圖1 物理模型Fig.1 Physical Model

2.1 控制方程

流體瞬變過程通常僅考慮水力過程，由于局部壓力梯度通常較高，常需考慮流動(dòng)介質(zhì)的壓縮性。因而所研究問題為三維可壓?jiǎn)栴}，其計(jì)算所需的控制方程為：

式中：p0—液體參考?jí)毫?；p—液體實(shí)際壓力；ρ0—液體參考密度；ρ—液體在p 下的密度；K0—液體參考體積彈性模量；K—液體在p 下的體積彈性模量；ri—密度系數(shù)，其值通常由試驗(yàn)獲得?？紤]湍流的影響，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型方程，與上述方程共同組成瞬變流計(jì)算的控制方程。

對(duì)瞬變過程的求解是在球閥開始關(guān)閉前的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行。瞬變過程中，對(duì)控制方程的求解選用非穩(wěn)定求解器，采用SIMPLE 算法，對(duì)流擴(kuò)散項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。用三維流體仿真軟件Fluent 進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)間步長取10-3s，均計(jì)算200 時(shí)間步。計(jì)算暫不考慮重力及汽蝕的影響。

2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)圖1 建立三維幾何模型，采用四面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到球閥附近區(qū)域流動(dòng)狀態(tài)變化劇烈，因而在該區(qū)域取較小的網(wǎng)格尺寸。由于球閥的開閉是通過閥芯繞閥桿軸線旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，球閥通道與管道結(jié)合面在球閥運(yùn)動(dòng)過程中將逐漸轉(zhuǎn)換為壁面，因而球閥通道內(nèi)網(wǎng)格與管道內(nèi)網(wǎng)格用滑移網(wǎng)格進(jìn)行連接。在網(wǎng)格劃分過程中對(duì)壁面網(wǎng)格進(jìn)行加密。球閥統(tǒng)一采用線性方式關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)間為0.1s，球閥的運(yùn)動(dòng)過程利用UDF 編程實(shí)現(xiàn)。

2.3 邊界條件

管道入口采用壓力入口，取入口表壓為89kPa，表總壓為90kPa，并以此推算壁面湍流參數(shù)；管道出口采用壓力出口，出口表壓取80kPa；操作壓力為大氣壓。壁面均采用無滑移邊界條件，粗糙度高度取0.05mm，粗糙度常數(shù)取0.5。為保證計(jì)算的穩(wěn)定性，閥門在瞬態(tài)計(jì)算開始后的0.01s 開始關(guān)閉。

3 計(jì)算結(jié)果分析

為研究閥門的安裝角度對(duì)管內(nèi)瞬變流演化過程的影響，同時(shí)考慮對(duì)稱效應(yīng)，將對(duì) α 分別取0°、45°、90°、180°、225°和270°六種情況進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，選取彎管的6 個(gè)位置作為數(shù)據(jù)觀測(cè)截面，分別為管道入口（OI）、管道入口后位置（AI）、彎管入口（BC）、彎管出口（AC）、閥門入口（BV）及閥門出口（AV），如圖1（a）所示。

3.1 基本模型計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)于基本模型（α=0°），各觀測(cè)截面的平均靜壓，如圖2（a）所示。從圖中可見，各位置靜壓均經(jīng)歷了不同程度的波動(dòng)，且除管道入口處靜壓外，各位置壓力峰值均隨著時(shí)間和離閥門的距離的增加而降低，即閥前壓力峰值最大，這與實(shí)際管網(wǎng)中出現(xiàn)介質(zhì)泄漏事件多發(fā)生在運(yùn)動(dòng)部件結(jié)合處附近的事實(shí)吻合[7]。

事實(shí)上，在球閥還未動(dòng)作之前，管內(nèi)處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，管道下游的壓力應(yīng)該小于上游，但根據(jù)圖2（a），在各截面出現(xiàn)第一個(gè)峰值壓力前后，閥前各處的壓力是下游大于上游的，因而在閥門開始動(dòng)作后，必定會(huì)出現(xiàn)下游壓力逐漸超越上游壓力的過程。通過放大圖2（a）的前半部分得到圖2（b），發(fā)現(xiàn)在閥門開始動(dòng)作后不久（0.018s 附近），閥前各位置確實(shí)出現(xiàn)了下游壓力相繼超越上游的現(xiàn)象，而且下游位置壓力的增速明顯大于上游，這在各位置峰值壓力出現(xiàn)前越來越顯著。當(dāng)各位置峰值壓力出現(xiàn)后，緊接著各位置的壓力出現(xiàn)衰減，衰減速率也是下游顯著大于上游，并出現(xiàn)下游壓力低于上游壓力的情況。

圖2 基本模型各位置壓力變化過程Fig.2 Pressure Evolution at Each View Positon in Fundamental Model

上面的分析結(jié)果是從各截面平均壓力的角度得到的，屬于一維信息，然而，由于彎管結(jié)構(gòu)的特殊性，以及球閥動(dòng)作的不對(duì)稱性，為了更好地研究壓力波在管內(nèi)的傳播過程和特點(diǎn)，下面對(duì)管內(nèi)壓力的三維情況進(jìn)行深入分析。初步估計(jì)瞬變波速為1484m/s[8]，以當(dāng)前計(jì)算時(shí)間步長，管道模型尺寸較小，不便對(duì)管內(nèi)瞬變流的傳播過程進(jìn)行研究。因此，調(diào)整基本模型的計(jì)算時(shí)步為10-4s，截取閥門開始動(dòng)作后的前0.001s 時(shí)間內(nèi)各時(shí)步下管內(nèi)的壓力分布云圖，如圖3 所示。根據(jù)圖3，球閥在開始動(dòng)作之前，如圖3（a）所示。管內(nèi)壓力總體上從模型入口至出口逐漸遞減，在此過程中，彎管內(nèi)部由于流場(chǎng)的分化[9]導(dǎo)致壓力場(chǎng)表現(xiàn)出了明顯的壓力分層現(xiàn)象，并對(duì)下游壓力場(chǎng)產(chǎn)生影響，該影響隨著工質(zhì)遠(yuǎn)離彎管而逐漸削弱。此后，球閥開始動(dòng)作，并在其附近產(chǎn)生較為復(fù)雜的壓力擾動(dòng)，此壓力擾動(dòng)在往上游傳播過程中形成不斷被削弱的正壓波并疊加在原壓力場(chǎng)上，從而形成了圖3 中在0.0103s 之后彎管與球閥之間兩側(cè)高壓區(qū)擠壓中間低壓區(qū)的現(xiàn)象，以及彎管后等壓線逐漸向閥門方向移動(dòng)的現(xiàn)象，此即閥前壓力增速大于其它位置的原因。在此需要特別注意的是，閥門動(dòng)作所導(dǎo)致的正壓波，在往上游傳播過程中，表現(xiàn)出明顯的三維非對(duì)稱特性，而且它與原壓力場(chǎng)疊加后所形成的壓力面，與疊加前的壓力面形狀剛好相反，如圖3（d）所示。這說明閥動(dòng)產(chǎn)生的正壓波對(duì)管邊緣流場(chǎng)的壓力增強(qiáng)作用大于對(duì)中央的增強(qiáng)作用。兩個(gè)相向的壓力面，它們中間的區(qū)域?yàn)榈蛪簠^(qū)，它們兩側(cè)為高壓區(qū)。隨著閥門的繼續(xù)動(dòng)作，閥動(dòng)正壓波對(duì)下游的壓力持續(xù)增強(qiáng)，下游高壓區(qū)不斷向上游擠壓，使低壓區(qū)越來越小，直至被兩側(cè)的高壓區(qū)擠壓潰滅，兩側(cè)高壓區(qū)域匯合，形成較大區(qū)域的等壓場(chǎng)（如圖3f-圖3i），從而使管內(nèi)的壓力梯度逐漸減小。

圖3 側(cè)正面壓力分布云圖Fig.3 Pressure Distribution from Both Front and Side View

3.2 閥門安裝角度對(duì)管內(nèi)瞬變流的影響

從前文可知，閥前是流場(chǎng)中出現(xiàn)最高壓力值的位置，應(yīng)該得到重點(diǎn)關(guān)注。當(dāng)α 取不同角度時(shí)閥前壓力波動(dòng)情況，如圖4 所示。此時(shí)模型的計(jì)算初始條件與基本模型相同，僅閥門的安裝角度不同。由圖4 可知，閥門的不同安裝角度，對(duì)閥前壓力峰值產(chǎn)生了明顯影響：當(dāng) α 取0°時(shí)峰值壓力最高；而 α 取90°、180°和270°時(shí)，峰值壓力得到較大削弱。為進(jìn)一步分析導(dǎo)致這種差異的原因，下面對(duì)閥門安裝角度為0°和90°下的流場(chǎng)變化進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5 所示。在圖5 中，盡管閥門的安裝角度不同，而且由于這種不同使閥門動(dòng)作后在閥門附近產(chǎn)生的壓力分布具有明顯差異，如圖5（b）所示。然而這種差異并未對(duì)閥前壓力面產(chǎn)生太大影響，如圖5（c）所示。兩種安裝角度下產(chǎn)生的高壓在以極為相似的方式擠壓上游低壓區(qū)，這可能是閥門初動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力擾動(dòng)較小，還不足以影響彎管對(duì)流場(chǎng)的控制。但隨著下游壓力逐漸超越上游，管內(nèi)壓力梯度越來越大，且相對(duì)閥門動(dòng)作前出現(xiàn)壓力梯度倒置，管內(nèi)壓力面也被壓縮。從圖5（f）還可以看出，0°安裝角度的閥前壓力此刻增長更快。從圖5 可以看出，在閥門動(dòng)作早期，兩閥門安裝位置除閥門附近的壓力場(chǎng)區(qū)別較大以外，距閥門一定距離后的上游的壓力分布兩者差別較小。對(duì)比兩種安裝位置下閥前平均壓力在整個(gè)計(jì)算過程中的波動(dòng)情況，如圖6（a）所示。由圖可知，兩者在0.09s 之前的閥前平均壓力很接近，之后相繼達(dá)到壓力峰值，然而0°安裝位置的峰值出現(xiàn)時(shí)刻相對(duì)偏后，且其數(shù)值明顯更大。為了分析造成這種現(xiàn)象的原因，對(duì)比兩種閥門安裝位置在0.09s 時(shí)刻閥門附近的流速場(chǎng)，如圖6（b）所示。由圖可見，此刻90°安裝位置的總體流速較0°安裝位置大，而這極有可能導(dǎo)致閥前的壓力更易耗散，從而造成90°安裝位置的閥前壓力峰值相對(duì)更低。然而兩個(gè)計(jì)算模型的計(jì)算條件僅閥門安裝角度不同。因此造成兩種計(jì)算模型的閥前峰值壓力差異的原因應(yīng)該是，由于彎管結(jié)構(gòu)和閥門相對(duì)位置的差異，導(dǎo)致管內(nèi)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)發(fā)展的差異，進(jìn)而對(duì)壓力波速產(chǎn)生影響，并進(jìn)一步對(duì)壓力的耗散或集聚效果產(chǎn)生影響。

圖4 閥門不同安裝角度下閥前壓力波動(dòng)曲線（注：90°線與270°線重合）Fig.4 Pressure Curves at BV Under Different Valve Installment Angle（Curves of 90°and 270°Overlapped）

圖5 0°、90°閥門安裝角度下管內(nèi)壓力場(chǎng)演變對(duì)比Fig.5 Comparison of Pressure Field Evolution of 0°and 90° Valve Installment Angle

圖6 0°、90°閥門安裝角度下的流場(chǎng)對(duì)比Fig.6 Comparison of Flow Field Under 0°and 90° Valve Installment Angle

4 總結(jié)

為了研究復(fù)雜管系瞬變流的演變機(jī)理，從而實(shí)現(xiàn)有效控制管內(nèi)劇烈瞬變流對(duì)管系的破壞，利用CFD 技術(shù)建立了管系常見的彎管結(jié)構(gòu)與閥門相結(jié)合的仿真計(jì)算模型，通過變換模型中閥門安裝角度計(jì)算發(fā)現(xiàn)：（1）管內(nèi)瞬變流的壓力峰值發(fā)生在閥前位置，其壓力波向上游的傳播過程存在明顯的三維不對(duì)稱特征，其壓力面受彎管對(duì)流場(chǎng)作用的影響明顯；（2）通過調(diào)整閥門相對(duì)彎管的安裝角度可以對(duì)閥前壓力峰值進(jìn)行一定程度的調(diào)節(jié)。上述發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步表明，管系的布局以及管道元件的安裝位置和角度等管系三維特征會(huì)通過影響管內(nèi)流場(chǎng)的分布來對(duì)瞬變流的強(qiáng)度和演變過程產(chǎn)生影響，因而在對(duì)管內(nèi)瞬變流的調(diào)控中上述因素應(yīng)得到適當(dāng)?shù)年P(guān)注。