有压弯管阀门不同关闭方式下水击压强传播规律数值模拟研究

摘要

水击问题是管路工程中一种危害性较高的物理现象。水击所造成的压力通常可以达到管道正常运行的几倍，甚至更大。对这种现象的预料不及或不正确的处理将会导致管道严重的振动、变形甚至爆裂。对水击问题的研究对管道工程设计具有重要意义。
　　目前，国内外学者对水击现象进行了大量的理论、实验和数值研究。然而，对水击现象中涉及的一些具体问题仍需进行进一步的深入研究。如在数值计算中不同计算方法间的差异及其缺点分析，不同结构形式的弯管与直管压强传播规律差异，相同阀门关闭时间下不同关阀方式对水击压强传播规律影响等都尚无确切结论。
　　鉴于此，本文采用计算流体动力学软件Fluent对输水管道中的水击现象进行了数值模拟。首先，根据水击现象发生的内因和外因，将水击压强的计算分为了3种数值算法，并建立了求解水击的计算模型，利用实验数据对建立的数学模型进行了率定和验证，得出了最适合的水击计算数学模型。
　　其次，在关阀时间恒定，不同关阀方式下，将两种不同结构形式的管道直管和弯管（水平弯管、竖直弯管）与管轴线垂直的横截面压强变化过程进行了对比，发现弯管中发生水击的几率及严重性都要高于直管。同时对关阀过程中管路中心线的压强沿程改变量进行了比较，发现在匀加速关阀方式下，管道的结构类型对水击的影响较大，与直管相比，弯管内水击的压强传播更为复杂，并以水平弯管的影响最大。
　　最后，设定了两种关阀时间，每种关阀时间下设定了四种关阀方式，系统研究了两种不同放置形式的弯管（水平弯管、竖直弯管）在不同关阀方式下水击传播规律，得出以下结论：当关阀时间为0.77s时，匀速和匀减速的关阀方式对降低弯头局部水击压力作用相同；当关阀时间为0.5s时，匀减速关阀方式对于降低弯头局部水击压力较其他关阀方式具有明显优势。通过水击压强改变量在四种关阀方式下进行对比可知，当关阀时间为0.77s时，采用匀速关阀方式水击压强改变量最小。当关阀时间为0.50s时，匀减速或匀速的关阀方式产生的水击压强改变量基本相同，且比其它关闭方式小。
　　本文为研究水击现象提供了一种思路和方法，借助于 FLUENT软件，工程师们可以很容易地解决管道设计、强度较核以及水击事故分析等问题。

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选题的依据与意义

国内外文献资料综述

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.3 国内外研究现状

1.4 紊流数学模型

1.5 流固耦合理论概述

1.6 本文的研究工作

2 基于不同数值算法的计算结果分析

2.1 水击理论概述

2.2 模型概况

2.3 初始条件及阀门动边界的设定

2.4 水击计算的基本方程

2.5不同数值算法基本假定

2.6 计算结果分析

2.7 本章小结

3 不同结构类型管道内部水击规律研究

3.1 数值计算模型及参数设置

3.2 不同结构类型管道的水击压强对比

3.3 本章小结

4 弯管阀门关闭方式的优选

4.1 不同关阀方式下弯头截面处水击压强对比分析

4.2 不同关阀方式下沿管中心线的沿程压强改变量对比分析

4.3 本章小结

5 总结

5.1 主要结论

5.2 展望

参考文献

附录：攻读工程硕士学位期间发表的部分科研成果

致谢