一种基于三维CFD的滞留气团热力学特性模拟方法与流程

本发明涉及输水过流系统中，水流冲击滞留气团时气团热力学特性的三维模拟方法，属于水电站(泵站)水力学数值模拟技术领域。

背景技术：

在实际水电站、泵站等输水管道系统中，其沿线的凸起段、封闭端及放空检修段等部位常可能滞留气团，在系统启停及工况转换过程中，滞留气团的移动、压缩和膨胀变形、裂变及溃灭时所引起的水力瞬变，将引起管道系统压力波动和管路振动，甚至造成管道系统的破坏。实际输水系统所出现的破坏事故，很多与这种含滞留气团瞬变流有关。然而，至今为止，实际管道系统的设计标准只考虑管道载满水的情况，并不考虑滞留气团的存在及其危害；对于含滞留气团的情况，管道设计中尚无相应的计算标准，且已有成果尚不完善。因此，为保证输水管道系统的安全运行，针对滞留气团所引起的瞬变流现象进行深入细致的研究，具有重大的现实意义。

很对学者对上述复杂瞬变流进行了研究，并提出了相应的模拟方法。现有的数学模型基本上为一维模型，主要包括基于特征性法的弹性水体模型和基于刚性理论的刚性水体模型。在这类模型中，“气团占据整个管道截面”和“管道内的水气交界面与管中心线垂直”的假定表示，气团始终集中管道末端，且水流不会冲击管道末端面。而实际上，水流冲击滞留气团过程中，气团可能被水流冲击分成若干部分，并最终集中在管道末端的上方。因此现有的一维数学模型无法准确的模拟气团形态变化，及水流冲击管道末端面的情况。此外，针对气团的压缩压缩与膨胀，为了数值计算的简单，一般根据瞬变过程的快慢，令气团的压缩及膨胀过程遵循等温或绝热变化，即气体多变指数分别为1或1.4。甚至有些学者直接将多变指数取为平均值1.2。至今，对于气体多变指数的取值没有一个标准，且上述取值也不能准确充水过程中能量衰减。

为准确研究水流冲击滞留气团过程中气团的热力学特性，必须准确测量该过程中气团的压力、体积以及温度。气团压力可通过压力传感器测得。而对于任意时刻的气团体积，因水气交界面是自由变化的，气水高度混掺使得气团位置及体积很难准确测定。此外，已有的滞留气团实验研究中，因温度传感器的响应时间远大于气团的第一次压缩过程，故尚没有准确的温度记录。

因此，对水流冲击滞留气团过程采用高维数值模拟，并尽可能地考虑所有可能的传热效应，即热传导、热对流及热辐射，以更准确地模拟、研究水流冲击滞留气团过程中气团动态特性以及热力学特性是十分必要的。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术在模拟输水过流系统中水流冲击滞留气团事件时存在的不足，本发明基于计算流体动力学(CFD)理论，提出了一种模拟水流冲击滞留气团过程的三维(3D,three dimension)模拟方法，以探索输水过流系统中水流冲击滞留气团过程中，气团的动态特性以及热力学特性。

技术方案：一种基于三维CFD的滞留气团热力学特性模拟方法，具体实现步骤如下：

步骤1：构建水流冲击滞留气团瞬变流动的三维数学模型。

步骤2：根据工程实例，建立三维流道模型，并进行网格划分。

步骤3：根据工程实例，设置初始条件及边界条件。

步骤4：求解控制方程系统，对监控点进行压力、温度监控，并对气液界面进行追踪；

步骤5：计算结果分析。将三维CFD方法计算的压力结果与实验数据做对比，以验证本发明提出方案的可行性。并利用后处理软件Tecplot 360实现滞留气团压缩及膨胀过程中气团位置、形态以及对应温度场的可视化。

作为优选，所述步骤1中，可压缩气水两相瞬变流动采用VOF模型描述，在求解水相体积分数方程、混合相的动量方程以及能量方程基础上，耦合湍流方程使得整个求解系统封闭。

作为进一步地优选，引入表征水体密度随压力变化而变化的水体可压状态方程，以及压力波在水中的传播速度(即水锤波速)，来描述水体压缩性。引入的水体可压状态方程为：

其中，为液体绝对参考压力下的密度；ρ_w和K为分别绝对压力p_w^*下的液体密度及体积模量。

作为进一步地优选，为考虑管壁弹性，将管壁弹性折合到水体弹性模量中，对应的水锤波速为：

其中，K_set为根据实际波速折合了管壁弹性后的虚拟水体弹性模量。根据实际测量波速，由公式(2)求得虚拟水体弹性模后，将该值反代入公式(1)、(2)即可实时根据计算的压力更新水体密度及波速。

作为进一步地优选，气体压缩性采用理想气体定律描述。

作为进一步地优选，考虑到热辐射仅对于过热物体以及温度差很高的物体作用明显，本发明中忽略热辐射效应。

作为进一步地优选，为减小计算时间并简化模型，热量在固体壁面内部的传导，仅考虑其在管壁法向的传导，忽略热量管壁轴向的传导。这一简化可在仅设置管壁厚度的基础上考虑流体与固体壁面之间、固体内部的热传导，而不需建立管壁模型并划分其网格。

作为进一步地优选，考虑热传导及热对流的能量方程为：

其中t为时间，ρ为气水混合物密度，E为能量，为Nabla算子，为速度，p为压力，T为温度，k_eff为有效热导率，为温度梯度，为剪切应力。

作为进一步地优选，湍流模型采用RNG k-ε湍流模型。

作为优选，所述步骤2中，划分网格时，在球阀、水气交界面处、有机玻璃管内气团部分进行细化。

作为优选，所述步骤3中，管道壁面光滑且无滑移，其热力边界选定为对流条件，并设置管壁厚度。

作为优选，所述步骤4中，气水界面追踪采用几何重构技术(Geometric Reconstruction Scheme)。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于三维CFD的滞留气团热动力学特性的模拟方法，具有如下优点：

(1)通过定义水体可压缩性在CFD计算软件中引入水锤波速，同时考虑了管壁的压缩性，更接近实际；(2)考虑了流体与流体之间(水-水、水-气、气-气)的热对流及热传导、流体(气、水)与管壁以及管壁内部的热传导效应，更符合实际；(3)可以动态观测气团压缩-膨胀，以及气团的分裂及合并过程，以及其位置分布；(4)可以准确再现水流冲击滞留气团过程中气团热力特性变化。

附图说明

图1为本发明具体实施例的简化实验装置示意图；

图2为本发明基于三维CFD的滞留气团热力学特性模拟方法的流程图；

图3为本发明具体实施例的三维计算模型；

图4为本发明具体实施例中压力传感器PT-1#处的计算结果与实验数据的对比图；

图5为本发明具体实施例中温度传感器TT-1#处的计算结果与实验数据的对比图；

图6为本发明具体实施例中气团第一次压缩至最大时，水气分布图；

图7为本发明具体实施例中气团第一次压缩至最大时，温度分布图；

图8为本发明具体实施例中气团第一次膨胀至最大时，水气分布图；

图9为本发明具体实施例中气团第一次膨胀至最大时，温度分布图。

图1中：1-压力罐；2-压力罐内空气；3-压力罐内水；4-潜水泵；5-回水箱；6-钢管；7-法兰；8-有机玻璃管；9-封闭末端；PT-压力传感器；PG-压力表；AV-空气阀；FL-流量计；WV-泄水阀；AIO-进气孔；BV-球阀；TT-温度传感器。

图3中：1-压力罐；2-空气；3-水；4-封闭末端；BV-球阀。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例:为了验证并分析本发明提供的基于CFD的滞留气团热力学特性的模拟方法的模拟效果，选取本课题组于2011年设计搭建的水两相流实验装置系统用于验证本发明方法的有效性，其简化的实验装置示意图见图1。系统主要由压力罐，钢管，球阀，有机玻璃管组成。管道内径0.04m，其中钢管管长1.087m，管壁厚度5mm；有机玻璃管管长7.775m，管壁厚度0.01m。水锤波速为400m/s。水流冲击滞留气团水力瞬变由突然开启球阀引起。实验工况参数为上游入口压力0.08MPa，初始气团长度1.058m，阀门开启时间0.1s。

本实施例基于CFD的滞留气团的热力学特性模拟方法的流程图如图2所示，具体步骤如下：

步骤1：构建水流冲击滞留气团瞬变流动的三维数学模型。

编写可压缩水体的物性UDF(User Define Functions)，水体密度和水锤波速的计算公式分别见公式(1)、(2)。

水体密度为：

其中，为液体绝对参考压力下的密度；ρ_w和K为分别绝对压力p_w^*下的液体密度及体积模量。

水锤波速为：

其中，K_set为根据实际波速折合了管壁弹性后的虚拟水体弹性模量。

根据实施例中水锤波速400m/s，根据公式(2)可求得虚拟水体弹性模量K_set＝0.16Gpa。将该值代入公式(1)、(2)即可实时根据计算的压力更新水体密度及波速。

步骤2：根据工程实例，建立三维流道模型，并进行网格划分。

根据实验工况，ANSYS软件DesignModeler模块创建所有实验元件的简化流道模型，初始状态时球阀BV-3#、BV-2#全开，球阀BV-1#全关，并示意初始状态时气水分布，见图3。

将模型导入ANSYS软件ICEM模块，定义各边界面，并划分网格。整个计算域采用六面体结构化网格，在球阀、气水分界面、有机玻璃管内气团部分进行细化。

步骤3：根据工程实例，设置初始条件及边界条件。

将划分好的网格文件导入ANSYS软件FLUENT模块，根据实施例设置：

(3)初始条件：

A.将计算域划分为空气、水区域(见图3)；

B.球阀BV-3#、BV-2#全开，球阀BV-1#全关；

C.设置管道内气团初始压力为0Pa，水平管道内水体初始压力为0.08MPa，压力罐及其与管道连接内水体初始压力根据水体静压分布规律计算，压力罐内气体初始压力等于压力罐内气水交界面处压力。

(4)边界条件：

A.固定壁面：运动边界：静止、光滑且无滑移；热力边界：对流，并根据实际设置管壁厚度。

B.阀门开启：

根据阀门开启规律编写UDF，并设定运动区域。假定阀门线性开启，其旋转角速度与关闭时间t_c之间的关系为：

步骤4：求解控制方程系统，对监控点进行压力、温度监控，并对气液界面进行追踪。

(1)在步骤3的基础上，选择瞬态求解器；

(2)选择VOF两相模型，选择RNG k-ε湍流模型；

(3)设定空气相密度按理想气体定律变化；

(4)加载水体物性UDF；

(5)连续方程及动量方程求解采用PISO(The Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法，设定各变量松弛因子，对各压力传感器位置进行压力监控、温度传感器位置进行温度监控，设定时间步长进行迭代求解。

步骤5：计算结果分析。

(1)计算结束后，将3D压力计算结果与实验数据做对比，验证3D模拟的准确度，PT-1#传感器处的压力对比情况见图4。可以看出，3D CFD方法可以很好地预测压力的时间响应及幅值衰减，其计算结果与实验结果几乎重合。对比结果表明，本发明提出的技术方案可有效模拟输水管道系统中的水流冲击滞留气团现象。

(2)将3D温度计算结果与实验数据做对比。TT-1#温度传感器处的对比情况见图5。可以看出，实际的压力传感器存在严重的滞后。

(3)利用后处理软件Tecplot 360观察分析内部流场，动态观察水流冲击滞留气团过程中气团的压缩及膨胀过程，分析对应的温度变化。图6及图7分别给出了该工况下气团第一次压缩至最大(t＝0.5s)时，气团的分布云图及对应的温度分布图。图8及图9分别给出了该工况下气团第一次膨胀至最大(t＝0.95s)时，气团的分布云图及对应的温度分布图。