積鼎CFD VirtualFlow：長(zhǎng)距離管道輸水工程中的有壓充水仿真模擬

0. 簡(jiǎn)介

長(zhǎng)距離輸水工程由于其管線較長(zhǎng)，對(duì)整條管線進(jìn)行充放水往往需要十幾天甚至幾十天才能完成，充放水快慢將對(duì)整個(gè)工程的進(jìn)度產(chǎn)生直接影響。長(zhǎng)距離管道充放水過(guò)程是有壓的，而有壓充放水是一個(gè)復(fù)雜的水氣兩相瞬變流動(dòng)過(guò)程，內(nèi)部流態(tài)流型多變，管道內(nèi)壓力、流量波動(dòng)大，直接關(guān)系到輸水系統(tǒng)運(yùn)行安全，因此，為了實(shí)現(xiàn)安全快速充水，通常會(huì)在管道適宜位置設(shè)置排氣孔，使空氣快速排出，盡量減少氣對(duì)管道充水的影響。

VirtualFlow管道兩相流流動(dòng)

對(duì)于有壓管道水氣兩相流可進(jìn)行的研究方法有數(shù)值模擬以及物理模型試驗(yàn)，數(shù)值模擬方法因具有簡(jiǎn)潔的操作方法和較小的經(jīng)濟(jì)與時(shí)間成本等優(yōu)點(diǎn)被廣大研究者接受，成為目前的主流研究手段之一。VirtualFlow在管道多相流方面應(yīng)用較多，積累了豐富的管道仿真經(jīng)驗(yàn)。

1. 幾何模型建立

假設(shè)上游水庫(kù)向下游水庫(kù)充水，上游水庫(kù)水面高程為7m，下游水庫(kù)水面高程為0.35m，上下游坡度最大高度差不超過(guò)1m。管線長(zhǎng)度為100m，管道內(nèi)徑為0.34m，距離上游水庫(kù)85m處設(shè)置一排氣孔，排氣口內(nèi)徑為0.1m。具體的幾何模型的大小及布置如圖所示。

幾何模型示意圖（紅色為水，藍(lán)色為空氣）

2. 仿真方法

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，和某商軟進(jìn)行了對(duì)比分析，其主要設(shè)置方法如下：

3. 仿真結(jié)果

兩個(gè)軟件在不同時(shí)刻的整體流動(dòng)過(guò)程對(duì)比如下：

重點(diǎn)觀察排氣孔附近的流動(dòng)情況，兩個(gè)軟件對(duì)比如下：

圖1 VirtualFlow結(jié)果

圖2 商軟計(jì)算結(jié)果

在計(jì)算過(guò)程中，為了觀察排氣孔處的壓力變化，在排氣孔對(duì)應(yīng)的管道底部創(chuàng)建了一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用來(lái)監(jiān)測(cè)管道底部的壓力隨時(shí)間的變化，如下圖所示。

圖3 排氣孔處管道底部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間的變化

總體上，兩個(gè)曲線吻合度較高，驗(yàn)證了VirtualFlow計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

需要注意的是，由于排氣孔的影響，在10s左右出現(xiàn)壓力的突變，并且商軟峰值壓力的持續(xù)時(shí)間比VirtualFlow長(zhǎng)，主要原因是商軟對(duì)自由液面模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，它忽略了氣體的流動(dòng)，氣體僅有一個(gè)正向壓力作用在液體表面，氣體中的壓力梯度和剪應(yīng)力是忽略的。VirtualFlow仿真時(shí)完全考慮了空氣對(duì)自由液面的影響，和水在管道形成了不同的流型，如氣泡流、塞狀流，分層流。

4. 總結(jié)

1)VirtualFlow的計(jì)算效率更高。VirtualFlow的網(wǎng)格數(shù)是74784，單線程計(jì)算時(shí)間為200s。而商軟的網(wǎng)格數(shù)為143350，單線程計(jì)算時(shí)間為550s。VirtualFlow用較少的網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)了更快速計(jì)算。

2)兩個(gè)軟件都采用的是笛卡爾網(wǎng)格，從網(wǎng)格劃分的角度來(lái)說(shuō)，VirtualFlow更便捷。（鏈接之前的文章）

3)商軟對(duì)自由液面的描述是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的VOF方法實(shí)現(xiàn)的，此方法只計(jì)算含有液體的單元而不考慮含氣體的單元，一定程度上減少了模型收斂所需的時(shí)間，但這種方法似乎不適用于有壓管道充水場(chǎng)景。

審核編輯 黃宇