基于Flow-3D的有压管道水锤数值模拟研究

摘要

在实际输水系统中，水泵或者阀门的突然关闭，都会引起流量和压力的剧烈变化，对管道造成危害。事先对有压管道进行水锤分析，预测水锤的种类及压力变化规律，确定可能出现的压强值，进而采取一定的保护措施减小由于水锤造成的管道破坏是必要的。由于特征线法具备边界条件处理容易，计算准确的优点，所以传统的水锤计算分析方法常采用该法，但该方法采用一维模型描述管道，无法获得管内的流动特性；本文采用Flow-3D软件进行水锤模拟，该方法在具有自由液面的瞬变流中有广泛的应用，采用真实体积法建立模型，能够准确追踪自由液面的变化情况，并且可以观测到管道内二维压力和蒸汽穴的变化，论文主要做了以下研究：
　　结合Flow-3D软件在具有自由液面瞬变流的研究和有压管道中水锤的理论基础，对有压管道瞬变流进行建模并设置边界条件，同时应用特征线法对管道瞬变流进行建模；分别应用特征线法和Flow-3D软件对有压管道水锤进行数值计算，在理想情况下（管道内不存在摩擦阻力），研究网格数量的多少，时间步长的大小，湍流模型的种类对模拟结果的影响，选取最优的模型对管道末端阀门瞬时关闭时管道阀门处和管道中点处的压力变化进行求解，结果显示两种方法模拟的压力值完全一致，说明Flow-3D软件可以进行有压管道水锤模拟研究；参照文献中的数据，将两种方法的模拟结果与实验结果对比分析， Flow-3D模拟得到的压力值与实验压力值最大相对误差小于6%，特征线法计算的压力值与实验压力值最大相对误差大于10%，计算结果表明：Flow-3D在有压管道水锤模拟中更接近实验结果。
　　描述断流弥合水锤水力瞬变过程中蒸汽穴的形成原因及其流态特征，分别用特征线法与Flow-3D软件建立断流弥合水锤的模型，用两种方法模拟计算三种不同流速工况下的压力变化和蒸汽穴体积分数的变化，对比实验结果发现Flow-3D软件模拟结果更接近实验结果，模拟中没有出现虚拟波峰，可以很好的模拟蒸汽穴溃灭后的压力衰减并可以观看到断流弥合水锤中蒸汽穴的发展过程及位置分布。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2国内外研究的现状

1.3本课题研究的内容

第2章 瞬变流基本理论及计算方法

2.1 管道瞬变流基本方程式

2.2特征线法

2.3 边界条件

2.4 Flow-3D软件

2.5本章小结

第3章 基于Flow-3D的有压管道水锤数值模拟

3.1 Flow-3D建模及参数设置

3.2有压管道水锤数值模拟研究

3.3 数值模拟与实验结果对比分析

3.4本章小结

第4章 基于Flow-3D的断流弥合水锤数值模拟

4.1 断流弥合水锤简介

4.2 基于特征线法的断流弥合水锤数学模型

4.3 Flow-3D中的断流弥合水锤模型

4.4模拟结果对比分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢