含滞留气团管道瞬变流特性数值模拟研究

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滞留气团的存在使得管道内的流动变得更为复杂,这会影响管道的输运能力并对管道安全带来隐患。本文依托于国家自然科学基金项目(52079107),采用数值模拟的方法,应用FLUENT进行计算探索含滞留气团的竖直-水平弯管中的瞬变流特性,探究了驱动压力、气团体积、气团释放对瞬变流的影响,并且分析了三种情形下的瞬变流过程以及其与系统压力的响应特性。主要成果如下:将瞬变流分为无气团释放和有气团释放两种情况并分别对其瞬变流过程进行阐述。在无气团释放情况下管道内的流动由于气团的膨胀压缩,水体正向逆向交替运动。有气团释放的情况下其水流运动状态由于排气量的不同被分为三种情况,一种是气团释放量很少时与无气团释放的瞬变流过程相似;一种是排出大量气体管道系统内含有少量气体进行压缩与膨胀;另一种是气体被全部排出,很快恢复稳定流动。无气团释放的情况下,分析了驱动压力以及气团体积变化对瞬变流特性的影响。即驱动压力越大,系统压力越大,波动周期越小,且系统压力最大峰值达到驱动压力的1.4-2.3倍。气团体积变化的有含气末端长度以及管径变化两种形式,两种形式对瞬变流特性的影响分别为:管道含气末端长度越长系统压力越小其压力波动周期越大,压力减小幅度并不大,平均每增加100mm含气长度压力衰减不超过5%;管道的管径对系统压力的波动几乎是没有影响的。经过对气团释放的情况分析计算后得到:在驱动压力为7m水头时,含气末端长度为300mm时,其压力波动曲线被分为A、B、C三种类型:A型曲线是排气量很少时(s/S≤0.0031)其系统压力主要是压缩滞留气团的压力;B型曲线一种是排出大量气体(0.0044<s/S≤0.0278)管道系统压力由水锤压力与压缩气团的压力组成;C型曲线另一种是气体被全部排出(0.0316<s/S<0.1264),系统压力中水锤压力占主导。在排气阀设计时若需要微量排气则可选择A型曲线对应排气孔面积,较大量则可选择B型曲线对应排气孔面积,全部排出则可选择C型曲线对应排气孔面积。
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