学位论文 - 东林管道瞬变流课题组

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序号4 粘弹性管道气液两相瞬变流压力波动影响规律研究

时间：2024-09-12 作者：王复香

对于城市管道系统，常因事故停泵和快关阀门导致管道压力发生急剧变化，管内流动易形成气液两相瞬变流，对管道系统的安全运行具有较大威胁。近年来塑料管道的应用广泛，因其表现出粘性和弹性力学特性，使得按照经典弹性管道瞬变流模型计算的结果与实际偏差较大，且其计算结果受水温和流速等影响，为此准确计算粘弹性管道气液两相瞬变压力波动是工程中亟待解决的关键问题。因此本文基于粘弹性管道本构模型和离散蒸汽腔模型，并结合一维拟稳态摩阻模型和准二维模型，建立粘弹性管道气液两相瞬变流模型，并对其进行参数校核和准确性分析，搭建粘弹性管道气液两相瞬变流实验台，研究不同水温和流速对粘弹性管道气液两相瞬变流压力波动的影响规律。首先，本文基于粘弹性管道本构模型和离散蒸汽腔（Discrete Vapor Cavity Model，DVCM）模型，结合一维（one dimensional, 1D）拟稳态摩阻模型和准二维（two dimensional, 2D）摩阻模型，建立了粘弹性管道气液两相瞬变流模型（即1D-DVCM和2D-DVCM），采用特征线法求解模型。其次，基于所建立的模型，研究了网格数、计算空腔体积的权重系数及管壁摩阻模型对计算结果的影响，并采用整体能量分析方法，研究不同水温下空腔对于粘弹性管道瞬变流能量转换和耗散的影响。结果表明，网格数和权重系数的选择对计算结果影响很小，1D-DVCM和2D-DVCM的空腔形成时间的计算结果相差小于3%，因此1D-DVCM可以代替2D-DVCM模型进行粘弹性管道气液两相瞬变流数值计算；提出了动能向弹性能的转化比例，该比例随着水温的升高而降低，空腔的产生使得管道整体能量急剧衰减，动能向弹性能的转化比例快速降低，且空腔体积越大，转化比例越小，能量衰减越大。再次，本文搭建HDPE（High Density Polyethylene）管道气液两相瞬变流实验台，研究水温和流速对气液两相瞬变流压力波动的影响规律。实验结果表明，随着流速增大，HDPE管道最大压力峰值不断增加，空腔持续时间不断增大，初速流速从1.68m/s增加至2.83m/s时，第一个空腔的持续时间增加了60%左右；随着水温升高，从20℃增加至40℃时，最大压力峰值逐渐降低，空腔持续时间减少15%左右，空腔发育变慢。最后，基于1D-DVCM模型，对粘弹性管道气液两相瞬变流进行数值研究，提出粘弹性管道气液两相瞬变流准确性评价方法，并对不同水温和流速下空腔的最大计算体积的变化进行研究。结果表明，在气液两相瞬变流数值计算过程中，应优先考虑空腔持续时间计算结果的准确性，再考虑最大峰值的计算结果与实验结果的误差，最后考虑整体的压力衰减和相位；对于1D-DVCM模型，初始流速从1.68m/s增加至2.83m/s时，空腔的最大计算体积增加了120%左右，水温从20℃增加至40℃时，空腔的最大计算体积减小了10%左右。综上所述，本文的研究阐明水温和流速对于气液两相瞬变流压力波动的影响规律，丰富了粘弹性管道气液两相瞬变流理论，并对粘弹性管道气液两相瞬变流数值计算提供了参考依据。

关键词：
粘弹性管道；气液两相瞬变流；水温；数值计算；能量分析
序号3 粘弹性管道水力瞬变动力学行为及能量转换规律研究

时间：2024-09-12 作者：张智霖

在供水管道系统中，阀门突然关闭或水泵事故断电，管内液体流速急剧变化，在管道中会产生急骤的压力波动，造成严重的工程事故，也即工程中的水锤危害，这对管道系统安全运行产生严重威胁。随着高分子材料技术的迅猛发展，具有粘弹特性的高聚物管材，越来越广泛的应用于供水管道系统，而模拟粘弹性管道水力特性，准确预测瞬态条件下的压力波动，在模型计算中需要先确定粘弹性管道本构参数。因此，本文建立了粘弹性管道瞬变流本构参数辨识模型，讨论了不同水温情况下不同摩阻模型的数值计算的准确性以及管道粘弹性和管壁摩阻对管道瞬变流压力波动衰减的影响规律，并从管内流体和管道之间能量转换及耗散的角度，阐明不同水温下一维和二维管道瞬变流能量方程中各能量项的变化规律。首先，结合Kelvin-Voigt本构模型，建立粘弹性管道瞬变流模型，该模型的摩阻模型分别采用一维拟稳态摩阻模型、基于历史加速度权重函数的非稳态摩阻模型、基于瞬时加速度的非稳态摩阻模型以及准二维模型。基于文献实验数据，对比了不同水温下拟稳态摩阻模型和非稳态摩阻模型模拟压力波动峰值衰减的准确性。结果表明，在水温为13.8 ℃、25 ℃和31 ℃情况下，非稳态摩阻模型模拟结果好于拟稳态摩阻模型，但38.5 ℃情况下，两种摩阻模型的模拟结果相近。通过局部瞬态分析表明，在水温为38.5 ℃情况下，管道粘弹性对峰值压力衰减的影响大于管壁摩阻的影响。其次，建立了粘弹性管道本构参数辨识模型，采用序列二次规划算法对不同水温情况下不同摩阻模型的蠕变柔量和延迟时间进行了辨识，同时研究了网格数、波速对辨识结果的准确性。结果表明，利用辨识所得结果计算的压力波动与实验结果吻合度较高，两者的相对误差值在±10%范围内。粘弹性管道本构参数辨识结果的准确性不受摩阻模型的影响。最后，从能量转移与耗散的角度，研究了管道粘弹性、管壁摩阻、流体动能及弹性能对压力衰减的影响，并讨论了不同水温情况下，非稳态摩阻模型和准二维模型的计算的各能量项变化。结果表明，温度升高导致粘弹性做功随时间延迟更明显。粘弹性做功的正负变化趋势与压力的增减趋势一致。同时，瞬变流压力波动的最大波峰值主要受摩阻项影响。在随后的压力波动中，粘弹性项所作的功大于摩阻项所作的功。压力衰减的过程，就是能量转移与耗散最终趋于零的过程。综上，本文阐明了粘弹性管道瞬变流动过程中管壁摩阻和管道粘弹性对压力波动峰值及衰减的作用规律，为工程中粘弹性管道瞬变流数值计算提供理论依据。

关键词：
粘弹性管道；瞬变流；管壁摩阻；参数辨识；能量分析
序号2 粘弹性管道瞬变流参数对压力波动影响机制研究

时间：2024-09-12 作者：王祉皓

由于阀门突然关闭或泵突然停止和启动，压力波沿着管道传播导致管壁压力周期性上升和下降，这种水力瞬变流动现象在工程中被称之为水锤。近年来，随着具有粘弹力学特性的塑料管道应用广泛，因其具有的粘弹特性，粘弹性管道产生的瞬变流压力波动与传统弹性管道差距较大，传统的弹性瞬变流基本理论已不适用于粘弹性管道。直至如今，对粘弹性管道瞬变流压力波动响应机制的理论研究仍不完善，粘弹性管道瞬变流压力波动的影响规律值得深入探究。另外，现今的粘弹性管道瞬变流模型因其参数无法直接确定等问题导致模型的应用受限。因此本文采用数值试验和物理实验研究方法，分析粘弹性管道压力波动的主要影响规律，并提出粘弹性管道瞬变流模型参数的确定方法，为粘弹性管道瞬变流的数值计算提供依据。首先，本文介绍了粘弹性管道瞬变流模型。采用两元件KV（Kelvin-Voigt）模型，基于所建立的瞬变流模型进行数值试验，研究模型中主要参数对模拟结果的影响规律。结果表明：模型中波速值的大小主要影响压力波动的峰值和周期；关阀曲线参数主要影响压力波峰值的大小、首个峰值的波形及出现时间；蠕变参数中J1值主要影响压力波的周期和相位，而压力波的峰值衰减对J2值的变化更加敏感。其次，本文设计并搭建瞬变流实验台，在不同水温和流态下分别进行了铜管、HDPE管道和PPR管道的瞬变流实验，探究水温、管材和雷诺数对瞬变流压力波动的影响规律。实验结果分析表明：铜管的瞬变流压力波动受水温影响较小，PPR管次之，HDPE管受水温影响较大。当水温从24℃升高至40℃时，铜管的压力波峰值下降幅度小于3%，而对PPR管道来说压力波下降幅度约为5%，HDPE管道的下降幅度约为10%；同时，水温还会导致PPR和HDPE管道瞬变流压力波动的周期产生延迟；同水温下HDPE管道的波速值整体上要低于PPR管道，随着水温的升高波速值也随之下降。最后，提出弹性管道和粘弹性管道瞬变流模型的参数确定方法，基于实验数据对波速、蠕变参数和关阀曲线等参数进行校核确定。利用统计标准指数基于实验数据针对模拟结果进行准确性验证。结果表明：模拟结果与实验数据相比具有良好的相关性、精密性和准确性，应用该参数确定方法得到的主要参数值可以准确的模拟出不同工况的波峰峰值、衰减、周期和相位情况。

关键词：
有压管道；粘弹性管道；瞬变流；实验分析；参数影响规律
序号1 粘弹性管道气液两相瞬变流数值计算研究

时间：2024-09-12 作者：郝瑛琪

输水管道系统中由阀门突然关闭或水泵突然启停引起的瞬变流及其诱发气液两相流动会造成管道系统内出现急剧的压升和压降，反复振荡的压力波动会造成管道破裂，严重威胁着输水管道系统的安全运行。随着具有粘弹性力学特性的高分子聚合物管道越来越多地应用于城市供水系统和各种长距离输水工程中，传统的基于经典弹性管道瞬变流理论建立的数学模型已不能满足工程上对粘弹性管道气液两相瞬变流模拟准确性的要求。为了提高计算精度，模型中需要考虑粘弹性管道的本构特性，并且在模拟过程中需要正确选择模型中的参数。因此，本文建立了粘弹性管道气液两相瞬变流模型，并对所建立模型的摩阻模型及参数选择进行了研究，为准确计算粘弹性管道气液两相瞬变流提供了理论依据。本文首先基于粘弹性管道本构方程和气液两相瞬变流基本假设，结合准二维模型，建立了准二维粘弹性管道气液两相瞬变流模型，其中粘弹性管道本构特性采用Kelvin-Voigt模型描述，气液两相瞬变流模型采用离散蒸汽腔模型。其次，采用了一维拟稳态摩阻模型和非稳态摩阻模型的粘弹性管道气液两相瞬变流模型，对比分析了不同摩阻模型的弹性管道气液两相瞬变流模型的模拟结果，阐明了摩阻对弹性管道气液两相瞬变流压力波动的影响规律。结果表明，摩阻模型对弹性管道瞬变流计算准确性的影响随着流体气液两相空化严重程度的增加而增加。当气液两相空化较严重时，引入准二维摩阻模型显著提高了数值结果的准确性，离散蒸汽腔模型与实验数据压力峰值的相对误差由19%~23%降至2%~9.8%。除了消除虚拟波峰之外，还提高了空腔形成和溃灭时间的预测准确性。然后，分析了管壁摩阻和管壁粘弹性对粘弹性管道气液两相瞬变流压力波动的影响规律，对比分析了仅考虑管壁影响、仅考虑管壁粘弹性影响和考虑两者共同作用对粘弹性管道气液两相瞬变流压力波动计算结果的影响。结果表明，仅考虑管壁粘弹性的结果比仅考虑管壁摩阻的计算结果更准确，与空腔溃灭后第一个压力波峰的相对误差分别为11.5%和22.2%；一维摩阻模型的计算结果比准二维摩阻模型的计算结果更准确，与实验结果的最大相对误差仅为10.4%。最后，分别对弹性管道和粘弹性管道气液两相瞬变流模型进行参数敏感性分析。结果表明，对于准二维弹性管道气液两相瞬变流模型，径向网格数对压力峰值计算的影响较小，轴向网格数的选择不受所采用的准二维摩阻模型的影响，只与模型本身的假设有关；对于粘弹性管道气液两相瞬变流模型，采用一维摩阻模型的气液两相模型对网格数和权重系数的选择均不敏感，选择不同参数得到的计算结果均能与实验数据整体上吻合较好。采用准二维模型的气液两相瞬变流模型对参数的选择十分敏感，特别是网格数，既影响压力波峰值的计算，还会影响空腔持续时间的预测，网格数增加使得相对误差由8.3%降至1.9%。综上所述，本文建立的数学模型能够涵盖粘弹性管道气液两相瞬态流动的基本特征。根据不同的初始条件选择摩阻模型和模型参数，可以得到准确的模拟结果，为工程中的管道系统设计和水锤防护提供了理论依据。

关键词：
粘弹性管道；瞬变流；气液两相；准二维摩阻；参数分析

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