[发明专利]一种基于三维水锤CFD的阀门瞬态特性模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于三维水锤CFD的阀门瞬态特性模拟方法，包括：构建包含球阀的管道的三维数学模型控制方程；根据工况实例，创建包含球阀的管道的三维仿真模型；将三维仿真模型进行网格划分，并对边界层部分和球阀部分进行网格加密确定三维数学模型计算域；引入水体可压缩状态方程、水锤波速方程和球阀动态开关控制函数；根据工况实例确定初始条件和边界条件，求解三维数学模型的控制方程，监测球阀瞬态特性。本申请的方法在三维模拟的基础上，充分考虑了水体可压缩性以及粘性底层对模拟结果的影响，利用三维仿真模型准确、直观地再现了管道中球阀动态关闭的瞬态过程，提高了模拟的精确性，为管道瞬变工况实例提供参考。

技术领域

本发明涉及水电站(泵站)水力学数值计算，具体涉及一种基于三维水锤CFD的阀门瞬态特性模拟方法。

背景技术

水力过渡过程常发生在各种承压管道系统中，包括跨流域长距离输水工程、水电站和泵站、城市供水系统和农业灌溉系统。正常或者意外的泵或者水轮机关闭或快速的阀门启闭通常会引起异常压力波动甚至是水锤现象，从而导致管道破裂并损坏其他过流装置。因此，对于水锤现象的精确数值模拟对于管道系统的合理设计和安全运行至关重要。

传统的数值模拟方法为采用特征线法的一维数值模拟，这种模拟方法虽然计算速度快，但是由于传统的一维数值模拟方法对实际情况过于简化，使用稳态耗散公式来近似管道的剪切应力，往往低估了管道的能量耗散，导致模拟精度欠缺。在上述基础上，为了提高水击压力的数值精度，添加了动态摩阻模型，但是仍采用一维模拟的方式，模拟结果与实验数据之间仍存在较大误差。

对于瞬态管道流动，已有相关论文在实验的基础上对其进行了三维数值模拟，但是这些论文没有充分考虑粘性底层的影响，对球阀的瞬态变化也没有深入研究。由于涡体具有三维特性，所以难以用一维方法精确模拟管壁涡量，描述动态涡量与能量耗散的关系。此外，传统的一维方法在处理非正常管道流体流动中阀门关闭所引起的动态水力损失时，是假设流态稳定，在相同的速度下能量损失一致，但在工程实例中，关闭球阀的瞬态动态特性以及阀门关闭过程中局部涡流和回流的不稳定流动特性是复杂的三维流动问题，很难用一维方法或实验措施来确定。

发明内容

发明目的：本申请的目的在于提供一种基于三维水锤CFD的阀门瞬态特性模拟方法，用于解决现有方法中模拟误差大的缺陷。

技术方案：本发明提供了一种基于三维水锤CFD的阀门瞬态特性模拟方法，包括：

(1)构建包含球阀的管道的三维数学模型的控制方程；

(2)根据工况实例，创建包含球阀的管道的三维仿真模型；

(3)将三维仿真模型进行网格划分，并对边界层部分和球阀部分进行网格加密确定三维数学模型计算域；

(4)引入水体可压缩状态方程、水锤波速方程用于描述水体压缩性；

(5)引入球阀动态开关控制函数以供进行球阀动态关闭操作；

(6)根据工况实例确定初始条件和边界条件，求解三维数学模型的控制方程，监测球阀瞬态特性。

进一步地，步骤(1)中构建的三维数学模型通过下述控制方程进行表示：

其中，ρ是水体密度，t是时间，是速度矢量，和分别是i、j方向流速矢量，p水体压力，是剪切力，是重力加速度，是体积力。

进一步地，步骤(2)中，三维仿真模型采用“第一水库-第一管道-球阀-第二管道-第二水库”的结构，其中球阀被切割为独立的单元。

进一步地，水体可压缩状态方程具体表示为：

水锤波速方程具体表示为：