[发明专利]一种考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流的模拟方法

说明书

本发明公开了一种考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流的模拟方法，包括如下步骤：提出关键性假设；将管道系统内瞬变流划分为水体、水‑气交界面、滞留气团三大部分，并分别建立相应的控制方程；分别添加三种动态摩阻模型至控制方程形成的数学模型中，分别为原始的基于卷积的动态摩阻模型、优化的基于卷积的动态摩阻模型和基于瞬时加速度的动态摩阻模型；设置初始条件和边界条件；求解控制方程进行数值模拟。本发明在已有的一维模拟方法的基础上，首次考虑了动态摩阻对模拟结果的影响，并分析了不同动态摩阻模型在数值模拟中表现出的差异，从而为更准确的模拟水气耦合瞬变流现象提供了理论依据。

技术领域

本发明属于城市给排水系统数值计算领域，具体涉及一种考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流的模拟方法。

背景技术

在城市供水和污水处理系统中，由于管道系统长时间处于满负荷工作状态，随着水体流动，经常会有大量空气滞留在管道中。在管道中流动的水体由于各种调节阀的启闭会使水体发生瞬变现象，在水体产生瞬变的过程中，水体和滞留气团相互作用会引发异常的高压，这种异常高压可能导致“间歇泉”现象,即有压水体冲击竖井之中的气体，掀翻井盖并猛烈喷发，严重的情况甚至会产生异常水锤从而导致输水管道的破坏。

在迄今为止的研究中，各种输水管道系统的设计标准只考虑了水体完全充满管道的情况，并未考虑“间歇泉”现象的存在及其产生的危害；同时对于“间歇泉”现象发生的情况，管道设计准则中没有相应的规范，并且现有的研究成果尚处在学术研究的阶段，所以没有完善的成果投入到工程实际中。因此对“间歇泉”现象的所引起的气液两相瞬变流以及其产生机理的细致研究具有非常重要的研究价值和实际工程意义。

目前，针对水气耦合瞬变流的研究的实验系统为“水库-水平管道-竖直管道”，其模拟方法主要为一维特征线法(MOC，Method of Characteristics)。在之前采用的数学模型中，管道摩擦阻力项为一个恒定值，这在一定程度上降低了数值模拟的精度。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流的模拟方法，将动态摩阻模型加入到数学模型中，同时分析不同的动态摩阻模型对模拟结果的影响，从而优化数学模型并提高模拟的精度，为进一步探索水气耦合瞬变流现象及其产生机理奠定基础。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流的模拟方法，包括如下步骤：

S1：将管道系统内瞬变流划分为水体、水-气交界面、滞留气团三大部分，并分别建立相应的控制方程；

S2：分别添加三种动态摩阻模型至步骤S1中的控制方程形成的数学模型中，分别为原始的基于卷积的动态摩阻模型、优化的基于卷积的动态摩阻模型和基于瞬时加速度的动态摩阻模型；

S3：设置初始条件和边界条件；

S4：求解控制方程进行数值模拟。

所述步骤S1在实时之前提出关键性假设以简化数学模型并突出实验现象，主要包括以下三个方面：1、有一个明确的气液交界面；2、波速恒定；3、代表气相的理想气体多变指数。另外，可压缩瞬变流动采用引入可压缩源项的液体模型来描述，在求解连续性方程、动量方程和能量方程的基础上耦合湍流模型，使整个求解系统封闭。

所述步骤S1中，划分网格时，在活动导叶和转轮叶片部分进行细化。对于气体状态方程，瞬态过程可以看作绝热过程，此时m＝1.4；而缓慢的压缩过程可以看作等温过程，此时m＝1.0。

进一步的，所述步骤S1中水体、水-气交界面、滞留气团三大部分的控制方程如下：

水体部分控制方程：