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TransAT | 管道内水锤现象计算模拟

水锤现象多发生在管道系统中,水锤发生时管系内会产生瞬间的压力脉动,对管道造成冲击,甚至破坏。同时,水锤发生时常伴有锤子敲打管道一样的声音,因此被称为“水锤”效应。

根据水锤引发机制的不同,可分为以下两类:

01 单相流动流体骤停引起的水锤

单相流动流体骤停引起的水锤(sudden liquid deceleration)一般由管道中阀门突然关闭,导致本来流动的液体骤停,由于液体的惯性作用,阀门将受到一个瞬间的压力冲击,产生水锤效应。

图1 阀门突然关闭引起的单相水锤
图2 单相水锤中的压力脉动

02 冷凝相变引起的水锤

冷凝相变引起的水锤(condensation induced hydraulic shock):高温高压的蒸汽空泡在管道尽头急剧冷凝,冷凝过程中体积成百上千倍的减小,产生负压,周围液体被加速随后又在管道尽头骤停,引发水锤。

图3 冷凝相变引起的水锤示意图

其中单相水锤多发生在供水厂管路系统中,两相水锤常见于制冷行业中的热气除霜过程以及核电站压力水堆供给管和蒸发器中。

数值模拟

01 单相水锤

对于单相水锤的数值模拟比较简单,只需将阀门的骤停看作墙边界即可模拟。

图4 单相水锤数值模型图

02 冷凝相变引起的水锤

对于两相包含冷凝相变效应时的数值模拟,难点在于冷凝相变过程。以制冷系统中氨气回路为例,如图5,其冷凝方式主要包含:

  • 壁面处冷凝(蓝色区域)

  • 界面处冷凝(绿色区域)

  • 蒸汽-离散相冷凝(红色区域)

图5 管道中冷凝诱发的水锤的发展过程

图5给出了水锤现象的不同阶段流动情况。通常而言,液压冲击发生在气液两相管道中,液相之上的气相以较高速度流动。由于气相于液相的相对运动导致的剪应力作用,两相交界面易形成波浪,并最终演化成覆盖整个管道横截面的水锤波。由于制冷系统处于低温环境下,金属管即使在较小液压冲击强度下也易发生脆性破坏。

冷凝相变引起的水锤模型复杂,目前公开文献尚未报道有商业CFD软件可以精准模拟冷凝相变水锤效果,多相流分析软件TransAT是第一个可以实现冷凝相变引起的水锤准确模拟的软件

壁面冷凝模型:壁面模型根据壁面浸湿度的不同可分为滴状冷凝和膜状冷凝。滴状冷凝模型用来模拟冷凝初期阶段壁面不润湿或部分润湿的工况,膜状冷凝则用来模拟冷凝后期阶段液滴通过聚合形成液膜后的工况。有效冷凝速度取决于两种壁面冷凝模型的混合程度。

界面冷凝模型:界面冷凝通过使用双流体模型来模拟。两组独立的汽相和液相N-S方程将被求解,质量、动量和能量的传递通过源项的方式交换,该模型具有模拟非平衡态多相混合的优势。

离散相冷凝模型:离散相冷凝是指其中一相以气泡或者液滴的形式分散在另一连续相中进行冷凝相变的过程。离散相假定为球形,其实际大小分布应通过统计方法给出。冷凝热通量基于Ranz-Marshall努塞尔数回归函数计算。

TransAT水锤案例

01 单相水锤

单相水锤模拟将阀门骤停看作墙边界,因此只需要进行单相封闭管道的模拟。由速度变化引起的压力脉动也可通过Joukowsky公式推算△p=ρcv,与密度、声速和液体流速有关。

下图展示了初始压力为1bar,流速0.0666m/s的水在阀门骤停情况下的导致的压力脉动的TransAT模拟结果(红色)和解析结果(黑色),可以看出其压力波动从幅值到频率都吻合良好。

图6 单相水锤压力脉动(上:解析结果;下:TransAT模拟结果)

02 两相冷凝相变水锤

两相冷凝相变水锤模拟了Marin(2007)开展的实验研究(详细参考:C. S. Martin, R. Brown, and J. Brown. Condensation-Induced Hydraulic Shock, Final Report, Tech.Rep. ASHRAE 970–RP, 2007.)。

管道示意图及压力传感器布置如图7。

图7 模拟的管道简图及压力传感器布置位置

实验中包含不同过冷度、蒸汽入射速度、管径等多种工况:

算例模型包含了前文描述的三种冷凝模型,分别为壁面冷凝、界面冷凝和离散相冷凝。采用TransAT软件进行计算,仿真结果如图8:

图8 两相冷凝相变水锤TransAT计算结果

由图8可以看到,蒸汽以一定速度从左侧竖直管经过弯管流入充满一定液体的水平管中,液面在剪力与表面张力作用下慢慢从波浪状成长为充满整个管径的段塞状。在段塞流不断接近管道尽头的过程中,冷凝现象也在时刻发生着,最终在尽头全部冷凝结束,段塞流在管道尽头骤停,产生压力冲击波,也就是水锤现象。

下图给出了High3(图左)和Low4(图右)两种工况下管道底盖处的压力探测点PCB4的实验结果和仿真结果,可以看出模拟结果与仿真结果基本吻合。

图9 压力探点历时曲线对比(上:实验结果,下:仿真结果)

图10给出了冷凝引起的压力波形成、传播和衰减的过程对比,可以看出仿真结果如实的还原了实验中观测到的压力波形式,峰值对应的时间节点也基本一致。

图10 Low4工况下压力冲击和衰减曲线对比(左: 实验结果,右: TransAT模拟结果)