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CFDPro | 管道中水锤现象仿真模拟

积鼎科技

1年前浏览4212

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。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：

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，产生水锤效果。

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

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，引发水锤效应。

图3 冷凝相变引起的水锤示意图

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。

以下采用行业专用流体仿真软件CFDPro对单相水锤及两相水锤进行仿真。

行业专用流体仿真软件CFDPro具有水锤及空化模拟功能，可基于可压缩两相流模型、耦合相变模型（空化相变和热致相变），对管路、阀门中的复杂可压缩流动相变问题进行模拟研究，以获取设备中的临界流动和压力波动等结果。

单相水锤

单相水锤数值模拟比较简单，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

图5 单相水锤网格设置

图6 最小开度处，阀门前后速度云图

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7 单相水锤压力脉动

（上:解析结果；下:CFDPro模拟结果）

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8，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8 管道中冷凝诱发的水锤的发展过程

图8给出了水锤现象的不同阶段流动情况。通常，液压冲击发生在气液两相管道中，在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。上游气相的进一步流动将水锤波推向管道底盖。随着被水锤波封堵的气相被加压，加压的气相最终将凝结于附近的水锤波界面或管壁上。

因此，水锤波的运动不会受到任何阻力作用，并最终与底盖碰撞，导致液压冲击。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。

产生液压冲击时会发生以下一些现象，即：液相的深度和气相流速之间的相互作用导致的气相压缩和产生沿管道传播的压力波，气液界面的剪切作用导致的水锤波形成和传播，管道几何形状的影响，冷凝（非平衡相变）和水锤波上游气相的增压，水锤波下游截留的蒸汽冷凝，各种凝结机制，例如界面凝结，混合凝结和壁面凝结的相继发生，最后气泡破裂引起的在底盖或流体内发生的压力冲击。

采用CFDPro模拟两相冷凝相变水锤，这里选用Marin（2007）开展的实验研究，管道示意及压力传感器布置如图9。