FLUENT汽锤模拟之三——关阀特性与汽锤关系

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1 前言

水锤和汽锤都是管路系统中常见的现象，他们均会对管路的长久安全运行造成威胁。所谓汽锤，指的是管道内的气体在温度流动的过程中突然受阻，流体的运动状态发生突变，瞬态压力变化产生的压力波由稳定状态压力改变点开始向管道内传递的现象[1]。本案例将针对一段介质为水蒸汽的直管开展汽锤计算。

2 模型描述

建立一段二维平面管道，管长600mm，高30mm。管道入口总压为74.92atm(g)，总温290℃，出口总压为74.8 atm(g)，管壁为绝热壁面。

3 求解设置

之前我们采用动网格的event工具以及质量流量出口两种方式模拟了汽锤现象，今天，我们针对质量流量出口的模拟方式进行深入探讨。

我们知道，阀门的关闭特性对汽锤压力波的峰值以及峰值时刻有着显著的影响。当阀门的关闭特性已知时，可以定义一个无量纲的关阀时间τv来表征（如下式）。

式中，tc为阀门关闭时刻，t为物理时间，m为表征阀门关闭特性的调节常数。注意上式默认是从t=0s开始计时，若计时时刻为t0，则上式要修改为下式，此时tc-t0表征的是阀门从打开（初始开度）到全关的耗时。

无量纲关阀时间τv和m的关系如下图，m=0时，表示阀门瞬间关闭（零耗时），此时会造成最大的压力峰值，如前面的案例；0<m<1时，曲线为凹函数，阀门关闭速度先快后慢，其中m趋于0时为瞬间关闭，m趋于1时为线性关闭；m=1时，表示阀门按线性速度关闭；1<m<∞时，曲线为凸函数，阀门关闭速度先慢后快，其中m趋于1时为线性关闭，更大的m值表征阀门关闭速度增加。

我们假定阀门的关闭时间为0.01s，为了减小瞬态初始值对结果的影响，关阀计时时刻t0=0.01s，即前面0.01s为稳定流动，0.01s至0.02s为阀门关闭时间。分别区m=1、50和0.02三组关阀特性调节系数，计算管道的压力波动情况。按照如下的UDF定义出口流量边界，瞬态求解时间步长取1e-5s，注意时间步长不一样，可能求得的压力波形也有区别，本文不做讨论。

#include "udf.h"#define m 1#define flow 24.897372#define tc 0.02#define t0 0.01DEFINE_PROFILE(out_mass,t,i){real mass;real the_current_time;face_t f;the_current_time=CURRENT_TIME;if(the_current_time>=0&&the_current_time<t0){mass=flow;}else if(the_current_time>=t0&&the_current_time<tc){mass=flow*(1-pow((the_current_time-t0)/(tc-t0),m));}else{mass=0;}begin_f_loop(f,t){F_PROFILE(f,t,i)=mass;}end_f_loop(f,t)}