基于TFM模型的滞留气团数值模拟方法及PIV试验研究

为了研究有压输水管路局部高点处滞流气团的运动特性,寻求更为有效的数值模拟方法,基于双流体模型(TFM)构建滞流气团的两相瞬时流场,并与VOF模型的预测结果进行对比分析.通过粒子图像测速系统(PIV)对滞流气团局部流场的速度分布进行测量,进一步验证前期构建数值模拟方法的合理性.结果表明:局部高点气团随水流下倾运动中,气团前端水流极大的速度梯度使区域流态紊乱导致气团表面张力无法维持气团形状而发生破碎;VOF模型无法模拟气液两相的相对运动,其预测出的气团运动速度要明显大于实际值;而TFM模型充分考虑了相间动量传递和相对速度的影响,能够更准确地预测滞流气团的流场速度分布和运动特性.

水流冲击管道内滞留气团现象的VOF模型仿真分析

针对复杂管道系统内水流冲击滞留气团现象,采用VOF模型(Volume of Fluid Model)进行了数值模拟计算,并与一维模型进行了比较计算分析,结果表明:系统的最大压力并不总是气团的最大压力,有可能还会叠加水体对管壁的撞击而形成的突然升高压力。与实验实测结果的比较分析表明:采用VOF模型,能够较精细地仿真水流冲击滞留气团现象的气团形态、流场结构以及压力分布等的变化过程,其压力数值计算结果与实验实测基本吻合,其计算误差明显小于现有一维模型的计算误差,是深入研究该复杂瞬变流现象的有效方法。

水流冲击管道内滞留气团的刚性数学模型

通过数学分析证明,在不计局部水头损失时,目前常用的几种简化刚性数学模型的最大气压计算结果相等,并与管道内初始充水段长度无关。但算例表明,对于初始充水段较短或滞留气团体积很小情况,这些简化模型的计算误差将达到不容忽视的程度,甚至导出错误结论。笔者导出的完整刚性数学模型,弥补了简化模型的不足,同时指出了刚性模型的理论缺陷和适用条件。

输水管线启动填充过程含滞留气团瞬变流数值模拟

针对长距离输水管道系统启动填充过程中水流冲击滞留气团的水气耦合瞬变流现象,考虑水体弹性、气体可压缩性、水-气交界面的动态运动以及多气团间的相互作用,推导建立含多段滞留气团的输水管线启动填充过程的数学模型。提出采用局部插值法动态追踪水气交界面,采用特征线法对数学模型进行求解。计算结果与试验结果的对比验证了该模型能够准确地模拟多段滞留气团的瞬变压力。算例分析表明,对于含1段滞留气团情况,随着气团长度增大,气团最大压力先增大后减小;随着阻断水体长度增大,气团最大压力逐渐增大。对于含2段滞留气团的情况,随着气团间阻断水体长度的增大,系统最大压力交替出现于上、下游气团。

管道内水流冲击滞留气团的二阶Godunov数学模型

长距离输水、城市供排水等工程管道系统中常存在水流冲击滞留气团的现象,极可能产生异常压力波动,严重时甚至发生爆管事故。对此,提出将一种准确高效的非恒定摩阻模型引入水流冲击滞留气团的计算中,建立了考虑非恒定摩阻的二阶Godunov模型;并采用"虚拟单元"处理上游入口边界及下游水气交界面,实现了边界通量和内部单元通量的统一计算,避免了以往分别计算两种通量的繁琐,以及追踪水气交界面时数值插值的复杂求解。将该模型计算结果与恒定摩阻模型计算结果及试验数据进行比较分析,结果表明考虑非恒定摩阻的二阶Godunov有限体积模型能准确预测瞬变过程中压力波动和能量衰减情况。

管内水流冲击滞留气团的CFD模拟方法验证

在输/排水管道的快速填充过程中常会出现含滞留气团的复杂气—水两相瞬变流,极有可能引发异常的压力波动,从而导致严重的水力过载甚至爆管事故。目前,对于这种特殊瞬变流现象的研究基本采用一维方法或观测视角,无法准确反映气团的动态特性。为此,基于计算流体力学(CFD)模拟方法,采用5种湍流模型对该瞬变流问题进行了二维(2D)数值模拟,并将其瞬态压力、水气耦合分布模拟与试验结果进行比较。结果表明,CFD模拟方法能有效模拟水气分布及压力动态变化;标准κ-ε和标准κ-ω模型计算的最大压力误差较小,RNG模型的压力波动周期吻合度最好,两种κ-ω模型的气团模拟效果欠佳。

起伏管道内水流冲击滞留气团的三维动态特性模拟

采用三维CFD方法对起伏管道内水-气耦合作用的过程进行建模和模拟,研究气团压缩-膨胀-变形的三维动态特性.在考虑气团压缩性、水体弹性基础上,采用Standard k-ε、RNG k-ε和Realizable k-ε这3种湍流模型进行模拟研究,并将三维计算结果、现有一维模型计算结果与试验结果进行了对比分析.结果表明:与一维模型相比,所采用的三维CFD模型能够较准确地模拟起伏管道内水流冲击滞留气团瞬变过程中气水形态变化和压力波动;Standard k-ε湍流模型能够较好地模拟压力峰值和波动周期,RNG k-ε、Realizable k-ε湍流模型次之;整个过程中,水-气两相互相掺混,水-气交界面自由变化,并不垂直于管道中心线,与管道中心线呈一定的夹角存在;三维CFD计算结果可以很好地模拟较短长度气团的动态特性变化.

水流冲击多段滞留气团的三维数值模拟

针对水气两相瞬变现象,充分考虑了水体弹性、气体可压缩性、水-气交界面的动态运动以及多段气团间相互作用,采用三维CFD方法对起伏管道内含多段滞留气团的水气两相作用进行建模和模拟,选择Standard k-ε湍流模型进行模拟研究,将三维计算结果、现有一维模型计算结果与试验结果进行对比分析,并通过水气两相分布图展现动态变化过程.结果表明:与一维模型相比,三维CFD模型能够更为准确地模拟起伏管道内瞬变压力波动,并且能够清楚描述水气掺混、耦合的动态变化.水流冲击初始两段滞留气团压力波动曲线显示,多气团间的瞬变压力并非同步变化,可能呈现多气团峰值压力交替出现的情况,这与初始气团长度密切相关.水气交界面自由变化,阻断水体长度时刻发生变化,当水体运动到管道弯曲处时会产生新的阻断水体,将气团分成若干部分.

管道中滞留气团排放过程的二维数值模拟研究

在极端暴雨条件下,城市雨洪排水管道中常会发生含滞留气团的瞬变流动。针对有压水流作用下滞留气团运动、排放的动态过程,本文采用VOF (Volume of Fluid Model)模型和k-ε湍流模型进行了二维数值建模和计算,并将模拟结果与已有实验观测结果进行对比分析。结果表明:VOF模型模拟出的滞留气团的运动过程、瞬态压力变化结果均与实验结果吻合。同时,对二维模拟时,主支管连接中可能存在的“等截面比例”和“等管径比例”两种简化方法进行了比较分析,比较结果表明,“等截面比例”方法计算的压力结果更接近实验值。

水平-竖直管道内水流冲击滞留气团的三维数值模拟研究

水平-竖直管道内水流冲击滞留气团现象复杂且可能产生异常压力波动,本文采用三维CFD方法对其水气耦合作用过程进行建模和模拟。在考虑气团压缩性基础上,考虑了水体弹性,采用两种湍流模型(Standard k-ε、RNG k-ε)进行模拟研究,并将三维计算结果与实验结果进行了对比分析,研究气团长度、管壁粗糙度等参数的动态变化过程。结果表明:所采用的三维CFD模型能够较准确地模拟起伏管道内水流冲击滞留气团瞬变过程中水气形态变化和压力波动;系统最大压力随气团长度减小而增大,随入口压力增大而增大,且增值远大于系统入口压力增值;RNG k-ε湍流模型适用于长气团以及短气团、高压力入口条件,Standard k-ε湍流模型适用于短气团、低压力入口条件;管壁粗糙度对瞬态压力的影响与气团长度有关,不同压力峰值对管壁粗糙度的敏感性不同。

深隧系统多工况入流冲击滞留气团分析

深隧系统作为一种有效的城市内涝防治措施,在多竖井入流时存在气团滞留,可能引发压力振荡等问题,从而威胁系统的运行安全.依托苏州河段深隧工程,建立双竖井单隧洞深隧系统模型,采用计算流体力学方法进行数值计算,并通过模型充水试验进行验证,分析多工况入流冲击所导致的气团滞留对压力波动的影响,并总结其规律.结果表明:在设计入流工况下,3.5%的气团滞留可导致最大压力达到35.36 m,相当于控制水位竖井静压的1.77倍;当竖井总入流量恒定时,流量分配对压力的影响较小,而对称入流时极值压力最大,比单侧入流分别偏高3%和6%;在对称入流情况下,随着总入流量的增加,气团的最大压力会先增加后趋于稳定,在总入流量为116 m^(3)/s时,相较于29 m^(3)/s时增大约30%.

管道滞留气团运动特性PIV实验与数值模拟

为研究有压输水管道水流速度和局部高点的管道角度等因素对局部高点滞留气团运动特性的影响,搭建有压管道局部高点滞流气团实验平台,通过激光粒子测速系统(PIV)对局部高点处的流速进行测量;结合RSM湍流模型结合VOF多相流模型,构建局部高点气-液两相流体动力学模型进行数值模拟,分析管内流速、局部高点角度和气团体积对有压管道排气性能的影响。研究结果表明,随着水流速度增大,局部高点滞留气团呈现三种状态,即无气泡产生、气团产生气泡且部分被排出、气团一次性被排出;在其他条件相同时,若气体大于一定体积,一次性将气体携带出局部高点所需的水流速度增幅将减缓;局部高点角度越大,一次性将气体携带出局部高点所需的水流速度越大。

变特性长管道内水流冲击气团的刚性数学模型

导出了可模拟分析变特性长输水管道系统内有压水流冲击管道内滞留气团的瞬变流现象的实用刚性数学模型,并通过算例对比分析了该数学模型与现有针对单特性管道的几种简化刚性数学模型的差异,验证了该数学模型的有效性和合理性。

考虑动态摩阻的管道内水气耦合瞬变流的数值模拟

输水管道系统中经常会发生水气耦合瞬变流,可能会引起异常压力波动,甚至造成爆管事故。目前针对水气耦合瞬变流的研究很少考虑动态摩阻的影响,往往会低估瞬变过程能量衰减。对此,引入一种高效准确的简化加权类动态摩阻模型,建立考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流模型。同时,采用虚拟塞法避免了特征线法在水气交界面的动态追踪时数值插值和求解的复杂。对比分析该模型计算结果与不考虑动态摩阻模型计算结果、试验数据,发现考虑动态摩阻的模型能更好地预测气团压力衰减和耗散,与试验压力峰值更为接近;入口压力越大,初始气团越小,动态摩阻对压力波动衰减的影响越大。

某回流管道与阀体出现砂眼的理论分析与对策

中海石油(中国)有限公司某平台生产水前滤水罐通过自动调节阀开关控制回流污水流量,以稳定罐内液位。而由于管线布局设计缺陷,调节阀门频繁动作导致污水冲击管道内截留气团,造成阀门及管道多次出现砂眼刺漏,存在安全环保生产隐患。通过建立水流冲击管道内滞留气团模型并进行水击压力计算,分析频繁出现砂眼刺漏的原因,并通过针对性的自主改造设计成功解除了此处隐患。

地下调蓄隧道系统气团释放诱发的井喷特性研究

地下调蓄隧道系统是解决城市调蓄能力不足和防止内涝的重要工程,井喷现象是系统内发生的一种严重水力事故,气团释放诱发的井喷特性研究对调蓄隧道系统的安全运行有着重要意义。该文采用实验和数值模拟相结合的方法,对气团运移及释放过程中的水气两相运动进行了深入研究,结果表明,气团释放诱发的井喷气泡形态类似于经典的泰勒气泡,但其上升速度显著大于泰勒气泡速度,且有加速上升的趋势;调蓄隧道系统中,气泡压力与水柱重力之间存在一个动态平衡过程,气泡压力水头与水柱高度差决定了井喷的强度,其大小随着井隧直径比的增大而快速减小,当井隧直径比等于0.8时,气泡压力水头与水柱高度差已接近于0,此时气团释放不会引发井喷。

地下调蓄隧道系统井喷水力特性研究进展

地下调蓄隧道系统是解决城市调蓄能力不足和防止内涝的重要防洪工程。当调蓄隧道充水尤其是快速充水时,系统内极易产生滞留气团并诱使井喷现象的发生,从而对城市管网系统、人身或财产安全和公共秩序等方面造成严重影响。井喷现象的发生与滞留气团释放过程的水气运动密切相关,该文对调蓄隧道明满流特性、滞留气团运动特性和井喷水力特性等方面的研究进展依次进行了概述,探讨了井喷流动不同研究方法的优缺点,总结了井喷的流动特征、产生机理及控制措施,指明了地下调蓄隧道系统井喷研究的前沿与发展方向。

供水管路中驼峰气阻的临界平衡实验研究(英文)

目的:输水管道的驼峰气阻是指由于管路高峰位置的滞气作用使气体不断聚积在峰顶附近、产生的气体阻碍水流的局部水力现象。它能够导致管路过水断面减小、输水能耗增加、输送效率降低和管路压力振荡等后果,严重威胁海底管道输水的稳定性和安全性。本文旨在分析滞留气团在供水管道中的力学平衡、能量损失、移动和溢出机理,研究水流流速对气团的推移特性,提出预测和消除驼峰气阻的方法,使输水管道免受驼峰气阻的危害,提高输水管道的供水效率。创新点:1.设计了具有连续坡角变化的圆弧形驼峰管道实验,该实验可以定量模拟气团体积和平衡角度;2.建立了驼峰气阻的水头损失经验公式和恒定流情况下驼峰气阻的管道坡角和流速的对应关系式,可用于预测和消除驼峰气阻的危害。方法:1.通过驼峰气团的受力特性分析,获得满足量纲和谐的力学平衡方程;2.采用试验观察和测试获得有无气泡情况下的水头损失和平衡状态下的坡角,通过等价球体方法对测试数据进行无量纲拟合,获得气阻的水头损失方程系数,并通过流速和平衡坡角建立恒定流情况下的临界平衡方程;3.基于试验拟合获得临界平衡方程,建立预测和评估气阻的准则系数,并提出消除气阻的水流临界流速。结论:1.当管路流速较小时,供水管路的驼峰顶端可能滞留和聚集气体,形成驼峰气阻;气体体积越大对水流阻碍越明显,可能造成的水头损失也越大;2.利用等价球体法可以极大地简化驼峰气阻的形状,并良好地模拟气阻的平衡特性和阻力特性;3.管道流速是影响驼峰气阻临界平衡位置的最重要因素,通过减小管道起伏的坡角或增加水流流速可以防止和消除驼峰气阻的危害。