CFD技术在管道阀门水击计算中的应用

CFD技术在管道阀门水击计算中的应用
华 晔，廖伟丽
（西安理工大学 水利水电学院，西安 710048）
Application of CFD Method in Calculation of Water Hammer for Pipe Valve
HUA Ye，LIAO Wei-li
（Water Resources and Hydraulic Power，Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China）
图 11 是 球 阀 不 同 时 刻 的 流 态 图 ， 随 着 阀 门 的 逐 渐关闭，从阀门流出的水流速度明显增大，并且随 着阀门的逐渐关闭， 特别是在阀门将要关闭的时 候，速度达到最大，而且在阀门后面有着明显的涡， 这和理论是相符的。 关阀造成压力不断上涨，在阀 门处形成高速射流，导致射流与周围流体的强烈剪 切作用，从而产生剧烈的漩涡运动。
流体分子动力粘性系数； f軆为质量力。 1.3 动网格技术
在管道阀门的计算中， 通常的CFD计算方法只 能画好在不同开度下阀门的网格， 然后分别导入不 同开度下阀门的网格对其进行定常和非定常的计 算， 这样无法描述出管道阀门的开度在运动的过程 中随着时间的变化，这就是一个动边界的问题，要用 动网格技术来解决。同样在实际的工程问题中，也存 在许多运动边界问题。 由于流场的参数和计算域的
图2 球阀初始位置
图1 x-t坐标系中水锤特征线
1.2 CFD计算三维湍流模型 流体力学中， 管子内部流动可按三维湍流流动
进行分析， 按雷诺时均的N-S方程描述 [6]。 基本方 程为：
连续方程
Δ Δ
v=0 动量方程
d(ρv) dt
=-
p+μΔv+ f軆
式 中,v 为 瞬 时 绝 对 速 度 ；p 为 瞬 时 压 强 ；ρ 为 密 度 ；μ 为
2） 相对静态仿真，动态仿真更能准确地模拟出 流场结构与阀门各种特性在关闭过程中的变化。
3） 阀门开度减小时流场变得复杂，出现复杂涡 系，损失也会增加，同时阀门受力发生较大变化，这 对控制调节精度和结构强度都非常不利。
参考文献 [1] 李建中.水力学[M].西安：陕西科学技术出版社，2002. [2] 怀利 E B，斯特里特V L.瞬变流[M].清华大学流体传动与
图4 试验设备
图5为管道末点压力变化的曲线，图6为管道末 点压力曲线变化的放大图。 从图5、 图6可以看出， CFD的计算结果与特征线法计算和实测数据还是有 一定差距的，相差了2.7%。
由于CFD软件无法计算零流量时的工况， 在阀 门关闭后也就是在0.009 s以后CFX无法计算水击压 力的变化，所以将前0.009 s内三种结果放大，如图6 所示，这样就可以清楚的看出水击压力的变化。
图7 阀门末端处压力的变化情况
图8 管道中点处的压力变化情况
图5 管道末点压力变化曲线
图6 管道末点压力变化曲线放大图（0.009 s内）
2.2 算例2 2.2.1 管道压力分析
有 一 管 道 长20 m，上 游 为 恒 水 位 罐 ，下 游 为 阀 门 ，管 道 起 点 压 头 为7.2 m，管 道 直 径0.1 m，初 始 流 量0.045 m3/s，流体介质为水，下游阀门分别在1 s和 4 s内线性关闭。关阀时间为1 s时阀门末端与管道中
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0.022 m，初始流量0.114 L/s，流体介质为水，下游阀 门在0.009 s内线性关闭。 试验设备如图4所示。
点的压力变化分别如图7、图8所示；关阀时间为4 s 时 阀 门 末 端 与 管 道 中 点 的 压 力 变 化 分 别 如 图 9、 图 10所示。
为此， 国内外的科研工作者利用各种试验方法
和数值方法对管道中的阀门启闭进行了试验研究和 模拟计算[2-5]。 Wylie E B和Streeter V L提出了运用特 征线法对水击进行分析，开创了水击分析的新时代， 到目前对水击的数值计算仍以特征线法为主要工 具。 斯洛文尼亚的A Bergant和澳大利亚的R Simpson 对关阀水击进行了试验研究， 论述了在不同摩阻的 情况下对于关阀水击的影响， 研究表明非恒定摩阻 能更好的模拟管道中的瞬变流。 哈尔滨工业大学的 刘华坪、 陈浮采用动网格技术对管路系统常见的四 种阀门流动进行了动态数值模拟。 该数值模拟方法 打破了以往静态研究的局限， 更真实的模拟了阀门 的动态开关过程中的流动状态和阀体受力情况。 沙 海飞、周辉等采用非结构动网格技术，采用网格变形 与局部重构相结合的方式实现动网格， 网格的变形 采用弹簧模型， 对阀门开启过程非恒定流特性进行 了数值模拟，得到了不同开启速度时的流量、压力分 布以及不同流态的特征的发生、发展过程。 研究表明 了动网格技术能够很好的应用于管道阀门系统中。
关键词： 水击；动网格技术；特征线法；数值模拟
0 引言
在有压管路中,由于某些外界原因(如阀门突然 关 闭、水泵机组 突 然 停 车 等),使 得 水 的 流 速 发 生 突 然变化,从而引起压强急剧升高和降低的交替变化, 这种水力现象称为水击或水锤[1]。 水击引起 的压强 升高,可达管道正常工作压强的几十倍,这种大幅度 的压强波动,往往引起管道强烈振动,阀门破坏,管道 接头断开,甚至管道爆裂等重大事故。
图3 球阀即将关闭位置
表1 计算域网格数量
项目
节点数
单元数
管道
553 200
百度文库
537 890
阀门
147 520
142 595
2 算例计算
2.1 算例1 在 这 里 采 用1994年Bergant和Simpson所 作 试 验
来 比 较 特 征 线 解 法 和 CFD 解 法 所 得 的 关 阀 水 击 的 结 果[3]。 试验的基本 参 数 ：管 道 长37.2 m，上 游 为 恒 水 位罐，下游为阀门，管道起点压头为32 m，管道直径
是管道中的流速和v压力水头H。 由于水击的基本控
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制方程和边界条件比较复杂，很难采用解析法求解，
所以针对水击特点从微分方程角度，水击的控制方
程组可转化为双曲型方程，可用特征线原理，在特征
方向上将其转化为常微分方程， 特征线法如图1
管 道 过 水 断 面 面 积 ，m2；Δx 为 位 置 坐 标 ， 即 水 锤 波 传
播 的 距 离 ，m；g为 重 力 加 速 度 ，m/s2； 下 标 P、A、B 代 表
各特征点的位置。
几何形状随着时间而变化， 所以对上述包含动边界 的非定常复杂流场的数值模拟是比较困难的。 在计 算的过程中，为了与计算域几何形状的变化相吻合， 网格必须被修正，这就是动网格方法。本文在这里先 用 ICEM 软 件 对 管 道 和 阀 门 进 行 了 网 格 划 分 ， 采 用 的 是 六 面 体 结 构 化 网 格 ， 对 阀 门 进 行 了 加 密 ， 如 图 2、3 所示； 然后运用CFX软件提供的动网格技术对阀门 关闭进行了动态模拟。 计算域网格数见表1。
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第 25 卷 第 3 期 2009 年 3 月
文章编号：1674- 3814（ 2009） 03- 0072- 04
电网与清洁能源 Power System and Clean Energy
中 图 分 类 号 ：TV134
Vol.25 No.3 Mar.2008
文 献 标 志 码 ：A
因此，在有压引水系统的设计中，必须进行水 击计算，确定可能出现的最大和最小水击压强。 本 文以有压引水管道中的水击为例，运用了特征线法 和 计 算 流 体 力 动 力 学 （CFD）的 动 网 格 方 法 分 别 对 水 击进行了计算。
1 计算方法
1.1 水击的特征线法 水击模拟的流动过程是非恒定流，基本物理量
3 结论
本 文 应 用 了 CFD 和 特 征 线 对 关 阀 水 锤 压 力 进 行 了计算，得出了一些结论：
1） 由计算得到了由于关阀而造成的管道各个 断面处的压力随时间变化曲线图。 把计算结果与实 测 数 据 进 行 比 较 ， 结 果 表 明 ：CFD 技 术 也 可 以 应 用 于 水锤的计算中，计算与实测数据相差了2.7%。 但是 与成熟的特征线解法比较起来，优势就是可以看到 整个流场内部流速、压力的变化；劣势就是无法计 算阀门关闭以后水击压力的变化趋势。 我们今后可 以 将CFD作 为 求 解 水 击 压 力 的 一 种 方 法 来 使 用 。
ABSTRACT： By using the dynamic mesh model in CFD software to calculate the pipe valve closing, use the characteristic method and the experiment to compare with the same model. The results indicate that the CFD method can describe the max pressure of closing the valve, and illuminate the CFD method can calculate the water hammer. The Dynamic simulation results also show that with the opening valve decreasing the flow filed becomes more complex, meanwhile large force changes will happen in the valve, analysis the results can offer the data for the valve design. KEY WORDS: water hammer; dynamic mesh; characteristic method; numerical simulation 摘要： 运用计算流体动力学（CFD）的 动 网 格 技 术 对 管 道 中 的 阀门关闭进行了动态模拟，针对同一模型，并与特征线法及 试验进行了比较。 结果表明CFD解法能够反映出阀门关闭水 击 上 升 的 最 大 压 力 ，说 明 CFD方 法 可 以 应 用 于 水 击 的 计 算 中 。 动态模拟还能观察到随着阀门的关闭，阀门处所呈现的复杂 涡系，以及阀门受力情况，分析结果为阀门的设计提供数据。
图9 阀门末端处压力的变化情况 图10 管道中点处的压力变化情况
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从图7、8、9、10可以看出，CFD计算和特征线法计 算在最大压力上升前是基本相同的，都能够反映出由 于关闭阀门而造成的最大水击压力。 由于CFD计算中 无 法 计 算 零 流 量 ， 所 以 在 CFD 的 计 算 模 拟 中 ， 阀 门 是 无法全部关闭的， 依然会有一定的流量通过， 并且 CFD是三维流动， 而特征线法是按一维流动计算的， 因而会造成压力计算的差距。 但是CFD也有其优越 性，对于流场内部的流速、压力的变化，我们都可以了 解到，在复杂的管路中，对于我们有很大帮助。 2.2.2 阀门处不同时刻的流态
所 示[2]：
c+:HP-HA+
a gA
(QP-QA)+
fΔx 2gDA2
QA
QA
=0
c-:HP-HB-
a gA
(QP-QB)-
fΔx 2gDA2
QB
QB
=0
式 中 ，H为 水 头 ，m；Q为 流 量 ，m3/s；α 为 水 锤 波 的 传 播
速 度 ，m/s；f为 管 道 摩 阻 系 数 ；D为 管 道 直 径 ，m；A为
控制教研室，译. 北京：水利电力出版社，1983. [3] Bergant A, Simpson A R. Estimating Unsteady Friction in
Transient Cavitating Pipe Flow[C]//Proc 2nd Int. Conf. On Water Pipeline Systems, Edinburgh, UK, 24-26 May 1994, BHRA Group Conf. Series Publ.No.110.1994:3-15. [4] 刘华坪,陈浮,马波.基于动网格与UDF技术的阀门流场数 值 模 拟 [J].汽 轮 机 技 术 ，2008,50(2):106-108. [5] 沙海飞,周辉.用动网格模拟闸门开启过程非恒定水流特 性 [C]//中 国 水 利 学 会 第 二 届 青 年 科 技 论 坛 论 文 集 . [6] 章 梓 雄 ，董 曾 南.粘 性 流 体 力 学[M].北 京 ：清 华 大 学 出 版 社 ，2004. — —— —— —— —— —— —— —— —— —— 收 稿 日 期 ：2008-12-25 。