一种基于三维cfd的液柱分离-弥合水锤的模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及输水过流系统中，发生液柱分离-弥合水锤气液两相瞬变流时的三维 模拟方法，属于水电站（栗站）水力学数值模拟技术领域。
【背景技术】
[0002] 在输水过流系统中，水电站机组突然甩负荷、水栗机组启停、事故工况停机以及调 节阀门突然动作，均可引起流量和压力的急剧变化。当压力降低到汽化压力以下时，液体汽 化形成空化泡。空化泡随着液体流动，甚至可能发育、聚集长大到占据整个过流截面，拉断 液柱，出现液柱分离现象。当管中的压力升高时，空穴溃灭，分离的液柱再弥合，其产生的高 压可能达到足以爆管程度，对过流系统的潜在威胁极为严重。
[0003] 目前，针对"水库-管道-阀门-水库"简单输水管道系统中的液柱分离-弥合 水锤现象，其模拟方法主要采用一维特征线法（M0C，Method of Characteristics)。Wylie and Streeter基于此提出的离散蒸汽一空穴模型（DVCM, discrete vapor-cavity model)， 因其计算简单，且可以较好地预测空穴第一次溃灭后压力的波动，而在工程计算中得到了 广泛应用。但该模型需要诸多假定：（1)管道内不存在自由气体，且不考虑气体释放；（2) 在连续流体区域内，波传播速度为常数；（3)只要管道内压力达到汽化压力，空穴即产生， 并固定在计算截面上，其压力保持汽化压力不变直至空穴溃灭；(4)采用恒定流阻力系数 用于非恒定流计算。这些假定均在一定程度上限制了模拟结果的准确性，且该模型并未区 分局部空腔（localized(discrete)vapor cavity)以及扩张型分布空泡区（distributed vaporous cavitation region)，而相应的改进模型又极其复杂，求解困难，而计算精度并 未提升很多。此外，该类模型在管道分段数增加时，多空穴的溃灭会引发很多不真实的压力 脉冲。
[0004] 然而，输水过流系统中液柱分离-弥合水锤现象，是一种涉及热传输、压缩性与湍 流效应的复杂气液两相瞬变流动。已存在的一维模型并不能有效地模拟液柱分离过程中空 穴的形态及位置变化。特别地，发生于水电站、抽水蓄能电站尾水管中的液柱分离现象，其 水力过渡过程将更为复杂，且其入口水流存在圆周速度分量，由于离心力的作用，尾水管中 必然存在旋转涡带，而涡带中心压力最低，此时一维模型已很难模拟。因此，对输水过流系 统中的液柱分离-弥合水锤现象进行高维数值模拟，进而更准确地揭示其复杂瞬变现象的 本质及内在规律是十分必要的。
【发明内容】
[0005] 发明目的：针对现有技术在模拟输水过流系统中液柱分离-弥合水锤现象时存在 的不足，本发明基于计算流体动力学（CFD)理论，提出了一种液柱分离-弥合水锤现象的三 维（3D, three dimension)模拟方法，以探索输水过流系统中发生液柱分离气液两相瞬变现 象时，空穴的动态特性以及内在规律。
[0006] 技术方案：一种基于三维CFD的液柱分离-弥合水锤的模拟方法，具体实现步骤如 下：
[0007] 步骤I :对正常运行的输水过流系统，建立三维流道模型，并进行网格划分；
[0008] 步骤2 :构建水体单相可压稳态流动的数学模型，根据物理问题设置边界条件，求 解控制方程得到系统正常输水时恒定流态解；
[0009] 步骤3 :构建液柱分离气液两相瞬变流动的数学模型，设定瞬变条件，求解控制方 程系统，对监控点进行压力监控，并对气液界面进行追踪；
[0010] 步骤4:计算结果分析。
[0011] 作为优选，所述步骤2中，水体单相可压稳态流动的数学模型为时均形式的连续 性方程与基于雷诺时均的动量方程。为描述水体压缩性，需引入表征水体密度随压力变化 而变化的水体可压状态方程，以及压力波在水中的传播速度（即水锤波速）。此外，为使方 程组封闭，需引入湍流模型以计算雷诺应力。
[0012] 作为进一步地优选，水体可压状态方程为：
[0014] 其中，分别为液体绝对参考压力Δ，下的密度及体积模量；
[0015] A p*= p p*为绝对压力；
[0016] 作为进一步地优选，忽略管壁弹性，水锤波速为：
[0018] 作为进一步地优选，端流模型采用SST k-ω。
[0019] 作为优选，所述步骤2中，管道进、出口设置恒压边界，管道壁面无滑移。
[0020] 作为优选，所述步骤3中，气液两相瞬变流动采用适用于小体积率的Mixture模型 描述，在求解混合相的连续方程、动量方程、能量方程以及湍流方程的基础上，耦合第二相 的体积分数方程使整个系统封闭，该方程用于计算气液两相间的质量传输，并实现气液界 面追踪。此外，构建的气液两相瞬变流动的数学模型中忽略了两相之间的滑移速率。
[0021] 作为进一步地优选，液柱分离过程中，液相与气相之间的质量传输采用Schnerr and Sauer空化模型描述。
[0022] 作为进一步地优选，蒸汽密度按理想气体规律变化。
[0023] 作为进一步地优选，湍流模型采用SST k_ ω，并考虑考虑可压缩修正。
[0024] 作为进一步地优选，连续方程及动量方程求解采用基于压力的耦合算法 (Pressure-Based Coupled Solver)，首先同时求解气液混合相的压力及速率，接着求解能 量方程、湍流方程。然后根据算得的压力判定是否发生相变，计算相间质量传输源项：a.若 压力达到或低于设定的汽化压力，则发生空化，水体空化转变为蒸汽，蒸汽空泡体积增大； b.若压力高于设定的汽化压力，则蒸汽空泡的体积减小，蒸汽冷凝为水体。最后求解气相的 体积分数方程，得到气相在该时刻的体积分数，实现气液界面的追踪。
[0025] 作为优选，所述步骤3中，在气液两相瞬变流动的数学模型求解过程中采用动态 网格自适应技术，根据计算的压力梯度自动调整网格疏密度，以更加精确地捕捉流场结构， 也在保证计算高效率的同时得到高精度解。
[0026] 作为优选，所述步骤4中，首先，将三维CFD方法计算的压力结果与实验数据、一维 离散蒸汽一空穴模型（DVCM, discrete vapor-cavity model)计算结果做对比，以验证本发 明提出方案的可行性。然后，利用后处理软件Tecplot 360观察分析内部流场，动态观察液 柱分离过程中蒸汽空穴的发育一生长一溃灭过程，实现其可视化模拟。
[0027] 有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于三维CFD的液柱分离-弥合水锤的 模拟方法，具有如下优点：
[0028] (1)通过定义水体可压缩性在CFD计算软件中引入水锤波速，同时考虑了蒸汽空 穴的压缩性，更接近实际；（2)考虑了水体与蒸汽空穴之间的质量传输；（3)不需要对液柱 分离类型进行区分，从而在一定程度上简化了数学模型及其求解方法；(4)动态网格自适 应技术的使用在保证计算高效率的同时得到高精度解；（5)计算结果中没有出现不真实的 压力脉冲；(6)可以观测到液柱分离过程中空穴的形成一发育一溃灭过程，以及其位置分 布。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明具体实施例的简化实验装置示意图；
[0030] 图2为本发明基于三维CFD的液柱分离-弥合水锤的模拟方法的流程图；
[0031] 图3为本发明具体实施例的三维计算模型；
[0032] 图4为本发明具体实施例中阀门处压力曲线与实验数据的对比图；
[0033] 图5为本发明具体实施例中蒸汽体积最大（t = 1366ms)时，阀门附近的蒸汽体积 分数分布云图；
[0034] 图1中：1-上游压力水箱；2-上游压力水箱水位线；3-管道入水口高程；4-输水 管；5-球阀；6-管道出水口高程；7-下游压力水箱水位线；8-下游压力水箱。
[0035] 图3中：1-入水口；2-阀门上游侧管道；3-阀门；4-阀门下游侧管道；5-出水口。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价 形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0037] 实施例：为了验证并分析本发明提供的基于CFD的液柱分离-弥合水锤的模拟方 法的模拟效果，选取Simpson于1986年设计搭建的液柱分离-弥合水锤实验装置系统用于 验证本发明方法的有效性，其简化的实验装置示意图见图1。系统由上游压力水箱，铜管，下 游球阀，下游压力水箱组成。铜管总长36m，内径19. 05mm。水锤波速为1280m/s。液柱分 离-弥合水锤水力瞬变由突然关闭下游球阀引起。实验工况参数见表1。
[0038] 表1 Simpson (1986)实验工况参数
[0041] 本实施例基于CFD的液柱分离-弥合水锤的模拟方