白润英;包建伟;宋蕾;李会东;刘宇红
【摘 要】20世纪重大发明The municipal water-feeding pipes mixed with air were numerically simulated by use of the models of Volume of fluid (VOF)multiphase flow and Standard k-εturbulence provided by AN-SYS FLUENT 1 6.0 software.The transient distribution of gas-liquid two phase,flow velocity,as well as flow pressure along the axis line and the gas-liquid interaction were numerically analysed.The re-sults showed that the different flow velocity in gaseous or liquid phase obviously caused the gas-liquid mixing,and thereby led to the increase of head loss,aroused gas liquid interaction and decreased the pressure of downstream section of pipes about 40%~ 80%.Therefore,the pipe explosion could be pre-dicted by qualitative analysis of gas-liquid mixing degree in the upstream with monitoring the decrease of the pressure in downstream section of pipeline.The air retention in pipe elbow area was almost dis-appeared with the changed pipe elbow angle from 90°to 135°in simulating the gas-liquid two phase transient distribution of water-feeding pipe.%利用 ANS
YS FLUENT 16.0提供的欧拉两相流模型和标准 k-ε湍流模型对市政供水管道掺杂气体的过程进行数值模拟,分析管段中气液两相的瞬态分布、管段沿中心线的瞬态流速分布、两相间的相互作用以及管段沿中心线压力的分布情况.结果表明,管段内气液两相的速度差是造成两相掺混的根本原因,并且导致水头损失增加、气液相互作用内能增加,从而使下游管段压力降低了约40%~80%.因此,可以通过监测下游管段压力降低程度,定性的分析监测点上游管段中气液掺混程度,从而预测爆管发生的可能性.管段中弯头部分存在空气滞留区即"死区",弯头角度由90°更改为135°时模拟管段中气液两相瞬态分布,结果表明死区可以基本消除. 【期刊名称】《内蒙古工业大学学报（自然科学版）》猫眼看人论坛
【年(卷),期】2017(036)003
【总页数】9页(P221-229)
【关键词】供水管道;气液两相流;Fluent;VOF模型
【作 者】白润英;包建伟;宋蕾;李会东;刘宇红
【作者单位】内蒙古工业大学土木工程学院,呼和浩特010051;内蒙古工业大学土木工程学院,呼和浩特010051;内蒙古工业大学土木工程学院,呼和浩特010051;内蒙古工业大学土木工程学院,呼和浩特010051;内蒙古工业大学土木工程学院,呼和浩特010051
【正文语种】中 文
【中图分类】dct变换TU991.36
随着城市建设的发展,城市供水管网经常出现的爆管和漏水问题越来越引起人们的关注,根据对管道爆管原因分析,气、水两相非稳定流造成的压力突变是导致爆管发生的主要因素[1]。有研究表明,由于管段内存在空气,当进行通水试验时管段的绝对压力由102kPa猛增至2331kPa,可见管段中的气囊运动所引起管段压力振荡的严重程度。所以在首次通水或因故停水管道排空后重新投入使用时必须对管段进行充水排气,并且需要结合实际在合适位置安装排气阀[2]。在实际工程实践中,由于地下管线种类较多,供水管道作为有压管道或为长直线管道或为躲避地下其他管线、障碍物而呈凹字型布置,而凹字型管线由于使用弯管等各类管件以及坡度的变化,极易造成管道排气不畅从而形成气囊,因此,本文采取凹字型管段为研究对象。
Ghorai[3],Taha[4],Vashisth[5]等人采用计算流体力学(CFD)软件模拟研究了水平、垂直以及螺旋管道中的气液两相界面分布及流动特性,通过与实验比较获得了令人满意的结果。Vasconcelos等[6]试验研究了空管快速充水中水流前沿气囊的变化过程和特性,给出了刚性柱体模型中水气垂直界面假设的有效性及适用条件。严继松等[7]通过对有压管道充水过程水力特性数值模拟,气液两相间相互作用导致流态紊乱,湍流能量较强;陈媛媛等[8]对起伏管道进行充水排气实验研究,模拟气泡破碎的发生、发展和结束过程,实验结果可以帮助评估充水排气过程中的运动特性。袁文麒等[9]采用VOF模型对三维变径水平管道进行气体运动模拟研究,气体通过变径节点时,气液两相截面产生弯曲和波浪,并且截面速度与变径管段管径差有直接关系。
充水过程实质上属于气液两相流问题,气液两相流是非常复杂的物理工程[10]。两相间存在易变性及分布不均的界面,并且受到表面张力、液相管壁附着力等作用力的影响,其物理特性要比单相流复杂的多。以往基于实验结果所得出的描述两相流动的经验关系式,大都存在着一定的局限性,随着计算机技术的发展,复杂的两相流问题可通过数值计算进行模拟。本文将利用基于有限体积法的计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)软件ANSYS Fluent 16.0建立凹型管道三维模型,对其充水排气过程进行瞬态气液两相流数值模拟研究。
充水排气是一种典型的多相流问题,目前模拟多相流流动的模型主要有欧拉模型、混合(Mixture)模型以及VOF(Volume of fraction)模型[11-14]。欧拉模型是CFD中最复杂的多相流模型,它建立了一套包含有N个动量方程和连续方程来求解每一相。压力项和各界面交换系数是耦合在一起的。耦合的方式则依赖于所含相的情况,可以精确的求解各相的运动轨迹,但对于复杂的多相流流动,该模型的收敛性较差。混合模型是一种简化的多相流模型,它用于模拟各相速度不同的多相流,可以建立相之间较强的耦合关系,它主要用于模拟有强烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度运动的多相流。VOF模型是一种采用固定在欧拉网格下的用来计算两种或者多种不相容流体分界面位置轨迹的方法,轨迹是通过解算连续性方程得到的,也就是通过求出体积分量中急剧变化的点来确定分界面的位置。VOF引入了相函数的概念[15],即在每个控制容积内,所有相的体积分数(volume fraction)之和为1,所有变量及其属性的区域被各相共享并且代表了容积平均值,由于相函数的引入,使得VOF模型可以对气液两相的界面进行追踪,从而成为目前模拟两相流界面时最为广泛的方法。综合以上分析,本次研究选用VOF模型模拟管段充水排气过程。
质量守恒方程:
已经发生的未来动量守恒方程:
▽P+▽
k-ε湍流模型方程:
湖图网
式(1)～(4)中:t为时间;为流体密度;为流体速度;P为压力;μ为动力粘性系数;g为重力加速度;FSF为表面张力的等价体积力形式;k为湍动能;ui为时均速度;x为空间坐标;μt为湍动粘度;σk为湍动能k对应的Prandtl数,取值为1.0;Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;Gb是由于浮力引起的湍动能k的产生项;YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献;Sk和Sε是用户定义的源项;ε是耗散能,σε为耗散能对应的Prandtl数,取值为1.3;c1ε、c2ε、c3ε为经验常数,分别取值为1.47、1.92、0.09。
使用直角坐标系,将管段进行数学建模,以凹字型管段进水入口中心作为坐标原点,左边为速度入口,按水流方向,整套系统分别由水平管段L1、倾斜下降管段L2、水平管段L3、倾斜上升管段L4、水平管段L5及垂直上升管段L6构成。管段直径为0.2m(取市政供水管段常用管径DN200mm),管路模型如图1所示。
本次研究选用VOF多相流模型、标准k-ε湍流模型对供水管段充水排气过程进行瞬态模拟计
算,时间步长设置为0.005s,入口为速度入口,流速为2m/s,中间介质为纯水,出口为出流,管段壁面为无滑移壁面边界条件;求解器选用基于PISO(Pressure Implicit Splitting Operators)的压力-速度耦合方式,并采用基于加权体积力的压力插值格式,这样可以有效提高瞬态过程的收敛速度;动量和体积分数的求解采用QUICK离散格式,湍动能和湍流耗散率的求解采用二阶迎风格式。
moto razr v8本文采用三种网格尺寸对几何模型进行模拟计算,网格的具体参数见表1。通过比较计算域中固定直线的速度变化情况,三种不同网格数的模拟结果基本上是一致的,考虑到计算速度,本文选择第一种网格数(Re=30)对管段充水过程进行模拟计算。
整个模拟时间为20s,截取0s～8s之间的不同时刻,分析其气、液两相分布及界面变化,如图2所示(其中红代表气相,蓝代表液相)。
从图2中可以看出,在v=2m/s的进水速度下,管段充水排气工程在8s时候基本完成,为了验证时间是否是影响排气的关键因素,本次模拟继续计算到20s,结果与8s时基本相同,故此处仅列出8s时气液两相瞬态分布。初始状态时管段内充满空气,液相进入管路中,水流在水平管段L1和倾斜下降管段L2中是贴着管段下壁流动,形成分层流(如图3(a)所示),在倾斜上升管段L4
及水平管段L5中,气液相界面变化复杂,两相发生剧烈掺混,形成不规则的段塞流(如图3(b)所示)。随着流动的加速,在剪切力、表面张力、壁面附着力等的共同作用下,气相被切割成小气泡,形成气泡流,沿着水平管段L5顶部流动(如图3(c)所示)。当排气进行到后期时,气团被剪切成为较大气泡,相继流出计算区域(如图3(d)所示)。由计算结果分析可知,在管段L5和L6之间90°转角处有一小部分形成空气滞留的死区,这部分空气无法完全被充水排出,若不及时处理,轻者占据管段通水断面造成通水困难、增大水阻、增加电耗,重者造成管段爆裂、供水中断。在充水过程中,出现的流型有分层流、段塞流、气泡流、气团流,管段中的气体以气团、气泡流的流型向下游管网流动。
分别取管段L1、L2、L3、L4、L5上横截面A-A、B-B、C-C、D-D、E-E,如图4所示,充水过程中其截面上的两相瞬态流速变化如图5、图6所示。其中,横轴是无量纲化的管路横截面位置坐标,纵轴为平均流速,它表示的是不同时刻,沿管段各剖面水平、垂直中心线的轴向速度分布。
可以看出,在气液混掺交界面,水平轴向中心位置处的速度最小,两侧呈对称分布,不同时刻,随着液相截面高度升高,各剖面水平中心线的轴向流速分布接近相同;排空初期,垂直中心线流
速分布不均匀,靠近管底、管顶分别出现两个流速峰值,分别是液相、气相在靠近管底、管顶的速度最大值,并且气相速度峰值大于液相流速峰值;当管路内充满单相液体时,各剖面轴向流速分布接近相同;从垂直中心线的速度分布可以看出,在没有形成单相流时,气液两相是有速度差的,这种速度差和流速度发展不均是发生两相掺混的根本原因。
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