有压管道瞬变流摩阻的数值模拟

时间:2017-10-21 9:31:00 来源:本网 添加人:admin

  人民长江有压管道瞬变流摩阻的数值模拟李进平1李修树2(1.武汉水利电力大学水电系,湖北武汉430072 2.长江水利委员会设计院,湖北武汉430010)程的分析程序,数值计算中引入了非恒定摩阻项。将这个模型用于非恒定层流计算,得到了比较合理的结果,能反映压力波形的畸变和近壁区的反向流动,证实了模型的可行性。

  1概述任何一个水电站的水道系统,由于水轮发电机组运行工况的改变和负荷变化以及由其引起的水轮机调节,都将产生非恒定流的水力现象,即水力过渡过程,如有压管道非恒定流,明渠非恒定流,调压室的水位波动以及明满流过渡等。从物理本质上看,有压管道非恒定流是由于管道中水流惯性的变化所引起的,伴随着明显的压力升高和降落,并以弹性波的形式沿管线传播。这种非恒定水流现象也称为水锤或水击,它对于管线的布置和管道的结构设计有着重要的影响。另外水轮机调节中,水击压力对水轮机出力的作用总是与调速器的作用相反。例如,为减小水轮机的出力,需要调速器关小导叶开度,减少机组的过流量。而过流量的减少产生的水击压力却引起出力的增加,从而恶化机组出力的调节条件,直接影响着机组和电站的调节品质。

  但是,在工程实际分析中,为了使计算简单,瞬变影响不是被忽略就是在摩阻项中加以近拟,例如当前的水力过渡过程的计算程序和各种管道流体输送瞬变过程的分析软件中的摩阻项都采用拟恒定流摩阻项,这在某些情况下不可避免地会产生很大的误差。在许多的水力系统和工程实际中,非恒定瞬变流现象是很常见的,无论是层流还是紊流,当压力波沿管道传播到某一断面时,并非象经典的水锤理论想象的那样使得断面上每一个空间点的流速均为零。所以即使此刻的断面平均流速为零,但由于径向流速梯度的存在,管壁的摩阻应力不为零,甚至在某些时候,其值远大于初始恒定流时的摩阻应力,这就是为什么以恒定流摩阻项作为近拟计算产生较大误差的原因。对非恒定流摩阻损失的处理适当与否,直接影响到结果的正确与否,由此可见,不论在理论上还是在工程实际中,对非恒定管流摩阻项的研宄具有很大的理论和实际意义。

  本文在前人研宄工作的基础上建立了同心圆柱环模型,该模型描述了考虑管壁切应力瞬时变化的非恒定流的拟二维分析,预测结果能够很好地反映瞬变流的真实物理现象,该分析能用于评价非恒定摩阻项的重要性。同时,因它比真二维分析需要更少的计算机内存,这种分析方法将会非常有用。

  2数学模型圆柱环模型的基础是将管道中的流体剖分为许多同心圆柱环,然后对离散单元建立一维的连续方程和动量方程,然后利用特征线法和有限差分法进行分析。在初步的研宄中,本文运用了牛顿粘性描述的摩擦力。

  典型圆柱环的受力平衡描述了单元长的典型圆柱环假定该圆柱环沿整个管长延伸,局部轴向流速分量为u,一般地,有从相邻圆柱环体流进和流出的横向流速V和V不妨令m=2nrfp,表示单位长度的横向质量流量,a是圆柱的横截面积,H为当地压力水头(假定在整个截面上为常数),c为压力波传播速度,P为流体密度,F=2nrr表示单位长度上的当地剪切力,则有压管道瞬变流的控制方程为:方程(1)和(2)经线性变换可形成一组特征线方程,描述相的特征线法(除了剪切力的表达式不同之外)并且不考虑横向在前面的推导过程中对不同圆柱的尺寸并没有限制,在只对于流体以士c的速度传播的波动。

  士c这些方程仅在各个特征线方向上是成立的。

  以管道直径D为特征长度,恒定流平均流速Um为特征速度,选取如下无量纲量x0u0为书写方便,省略无量纲数的上标,从而得到常微分方程组的无量纲形式。

  士2.定解条件和数值处理沿管线上的任意点X每个圆柱环都有两个特征方程(7a,b)若有N个圆柱环,就有2N个联立线性特征线方程,也正好有2N个未知数Hui,U2,UNm丨,m2,m,v-i,这些方程可转化为标准矩阵方程的求解方法解决。

  边界条件:在水库进口处,压力值己知,假设所有的横向流量m,为零个特征线方程足以决定N个圆柱环中的每一个轴向流速分量,且不必解联立方程组;在封闭阀门端,所有的轴向流速分量均为零,因而N个特征线方程正好联立求解N个未知固定网格:问题的解可在每个固定空间流体段上的固定时间间隔内获得,如所示。

  简单管的固定网格在分析推导的初始阶段,为了简化计算,分析仅限于低马赫数的流体,由于u,c方程(8a,b)可近似为dx/dt//Dd用常规方法解决更普遍的情况在理论上是没有问题的,可用空间和时间插值方法。

  有限差分:方程(7a,b)左边各项能准确地进行积分。右边各项需用有限差分公式近似,以期得到简化。

  2.圆柱划分流速分量。当存在若干个圆柱环时,仍然可以自由的选择各个圆柱环的厚度。本文采用等面积圆柱环划分,这意味着随半径的增大,圆柱环的厚度逐渐减小,即在边壁区的单元分的较细,这一点非常有利,因为径向扰动由光滑边壁条件引起,且耗散过程在低马赫数情况下比波的传播过程慢得多。下面是将圆管横截面的半径作为单位1即对无量纲圆所作的等截面面积圆柱环的划分情况。

  除了要选择各种圆柱环的相对厚度以外,也必须选择它们的总数,与沿管道长度方向的网格数一样,圆柱数量越多,其精确度越好。

  2.有限差分方程以士dt=Ddx//乘方程(7a,b)在固定网格内,沿特征线积经过数值试验,得到以下稳定的有限差分方程:3模型的验证初始状态,假定从水库到阀门的整个管线上存在充分发展的泊萧叶(oiseuille)流这在管线两端,特别是上游端,是一个相当粗糙的简化,但在模拟管线的其它地方的影响可以忽略,对所预测的条件或情形影响甚小。在极短的时间内关闭阀门后,管道中出现瞬变流流体模式。初始状态条件对以后的轴向流动影响很大(除边壁区外),边壁区在平均流速为零时有明显的反向流动,产生很大的管壁切应力。

  是阀门处的预测压力的变化过程。通过观察,预测压力波形在波前处有明显的波形畸变,即波形变得圆滑,而且压力波的波幅有明显的衰减现象,反映了流体粘性和管壁切应力的阻力影响,与l12中的计算和实验测量值完全一致。

  描述了管壁切应力的变化过程,说明管壁切应力也是瞬变的,在相同平均流速的条件下管壁切应力比恒定流状态的情况更为重长江、莱茵河洪水灾害和土地利用冲突研讨会将在德国举行由德国研宄理事会(DFG)中国国家自然科学基金委员会(NSFC)德国马普学会(MPG)和中国科学院(CAS)联合资助,德国吉森大学国际环境与发展研宄中心(ZEl/CIDER)德国吉森大学地理研宄所(GG)和中国科学院南京地理与湖泊研宄所主办的中德双边学术研讨会将于2000年8月28-31日在德国WalbeAerg(德国波恩附近)会议中心举行,会后将对莱茵河流域考察一周。

  研讨会的主题是:中国长江和德国莱茵河流域洪水灾害和土地利用冲突一可持续流域风险管理对策。研讨会将邀请从事长江和莱茵河流域科学研宄和管理的中国和德国学者各20名参加会议,并做专题学术报告。研讨会将专题研宄长江流域国际合作研宄的可能性。研讨会主页为Http//www.uni(姜彤)长江委水文专家赴藏监测水文2000年5月17日,由长江委水文局5名专家组成的水文科技抢险工作组,携带先进的测流仪器多普勒剖面测速仪,赴西藏易贡灾区指导抢险。

  4月9日,西藏雅鲁藏布江二级支流易贡藏布地区发生特大雪崩泥石流,致使易贡河堵塞,形成一个水面宽、水体深的滑坡堰塞湖。灾情发生后,西藏水文水资源勘测局在滑坡堰塞湖上下游设立了水文观测站网,分阶段开展水文监测工作。

  由于使用常规仪器难以准确迅速地提供滑坡段入流量,为此,西藏易贡抢险救灾总指挥部、水利部水文局研宄决定,派长江委水文局协助做好易贡灾区的水文测报工作。接到通知后,长江委水文局两天内就调集了曾在三峡大江截流龙口现场测流的多普勒剖面测速仪和使用该仪器较熟练的三峡水文局的技术专家,组成了水文科技抢险工作组。

  水库移民工程研宄需适应市场在2000年5月19-21日召开的湖北省水利学会水库移民工程专业委员会第4次学术讨论会上,与会代表提出,水库移民工程研宄应适应市场经济的要求,拓宽研宄领域,加强理论研宄。

  会议总结了这些年来我国水库移民工程研宄的发展和工程实践,进行了学术交流。会议交流的学术论文涉及移民安置环境容量、移民监理、文物保护、移民家庭文化、水库淹没消落地等多方面研宄内容,与以往比较,研宄的课题更广、更深。代表们针对目前移民工作的工程实践和理论研宄展开热烈讨论,大家一致认为,随着市场经济的发展,水库移民工程实践中不断遇到的新情况、新问题,要求这项研宄应主动适应市场经济的要求,拓宽研宄领域,加强理论研宄,从而更好地指导移民工程实践。

  (编辑:赵树湘)4结论本文的目的是研宄圆管非恒定流的摩阻特性。理论部分从牛顿定律出发,假定管流是轴对称的,将圆管划分为等截面的圆柱环,建立了圆管非恒定流的基本控制方程,这和纳维埃一司托克斯方程是一致的,只是在对流项的处理中稍微有些不同。数值计算采用适合于水力瞬变流计算的特征线法,最后应用于高粘性流体的层流情况对模型进行了验证,说明该模型的可行性。

  有压管道非恒定流同心圆柱环模型中引入了非恒定流的摩阻项,能正确反映有压管道的水力过渡过程中的压力升高和降落,为管线的布置和管道的结构设计提供更合理的依据。该模型还说明拟恒定摩阻项在瞬变流中可以预测最大压力升高值或降低值,但不能反映压力波的衰减和畸变。另外,该模型为改进瞬变紊流的摩阻项表达式提供了一个很有用的理论基础。

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