长输水管道充水的气液两相流数值模拟

基于缓慢充水过程中管道内气液两相流的流态及其特性,在一系列合理假定的基础上,推导建立了描述充水过程的气液两相流控制方程,给出模型的求解方法和计算流程。采用南水北调工程北京西四环暗涵充水试验数据对模型进行验证,结果表明,数值模型可用于模拟"V"形复杂管道系统缓慢充水过程中管内水流和通气孔气流的两相变化过程。研究成果对长距离输水工程中通气孔、排气阀等调压设施的设计、选型,及后期管道的安全运行、维护管理等具有重要意义。     

管道充水水力瞬变模型相似律

管道充水过程是一种非常复杂的水力瞬变过程,水流将经历从无压流变成有压流的流态转换。本文通过分析管道水击与无压非恒定流的模型相似律,证明只要满足管道水击模型相似律,则管道无压非恒定流模型相似律自然满足。在此基础上,对于依靠重力自流充水的管道系统,给出了管道充水模型的相似律、设计方法和实例。实例表明,当管道沿线合理地设置了通气孔时,管道充水的自由液面流动水面气体压力、密度变化非常小,可以视为无压流动,并且当通气孔内风速小于100m/s时,通气孔内气体压强、密度变化微小,可按不可压缩气体考虑。     

大型管道输水系统充水过程滞留气泡对输水能力的影响

通常认为长距离大型管道输水系统充水过程中,滞留气泡对系统的高效输水和安全运行有重要影响。为了评估滞留气泡对输水能力的影响,首先对影响管道输水能力的因素进行敏感性分析,并基于气体热力学原理,建立原型、模型之间气泡的几何比尺关系,为评估滞留气泡对输水能力的影响提供理论依据。针对南水北调中线北京段西四环暗涵的现有通气孔设计,结合模型试验结果,分析了原型中滞留气泡对输水能力的影响,认为在现有通气孔布置的情况下,原型中滞留气泡对管道流量或输水能力的影响小于模型中测量所得的1.07%,在实际工程运行中可忽略。     

南水北调西四环暗涵安全输水关键问题

南水北调西四环暗涵是南水北调中线北京段总干渠末端控制性工程,其充水及闸门启闭过渡过程对工程安全运行具有重要的现实意义。通过对西四环暗涵运行中的关键问题进行分析,依据水工模型试验结果和数值模拟结果,对过渡过程中沿线压力变化、通气孔通气性能、管道内气团的变化、运动规律,及其对输水效率的影响等问题进行分析,给出了工程安全运行的方案和运行中需注意的问题,为工程的运行和管理提供了科学依据。     

有压管道充水过程水力特性三维数值模拟

运用Fluent软件建立三维模型,对某调水工程中的一段有压管道充水过程的水力特性进行三维数值模拟计算,采用PISO算法分析了管道充水过程中气体压力、水力要素及两相流流态变化情况。结果表明:充水流量的大小会导致管内气体压力的强烈变化;气体压力变化又会影响进口流速。在水体流到管道后部管壁之前,流线均匀,流态较好;之后气液两相彼此相间,流线错综复杂,流态紊乱,湍流能量较强。建议以"小流量充水原则"对类似输水管道进行试充水操作。     

长距离输配水工程充水方案研究

充水水力控制是长距离压力输水隧洞及管道安全运行关键工况之一,针对大伙房水库输水(二期)工程输配水系统复杂的结构和组成,文章对充水过程物理机理及模型、充水分段、充水流量、排气问题、气液两相流态等进行了研究,通过对充水过程管道特征点气团压力变化、管道内水深变化、管道内水深变化与气团体积的关系比较,制定了分十一段小流量充水控制方案和操作方法。文章的研究成果为长距离输水工程制定首次运行充水和事故或检修后再充水方案提供借鉴及参考。     

输水管道水锤防护方案对比分析

输水管道中经常出现独立气囊,管道排气不通畅会诱发一系列安全问题,如管道过水断面减小、水流阻力增大、水流压力振荡、爆管等等。为了提出合理的水锤防护方案,首先对输水管道水锤特点进行研究,讨论水平气液两相流流型变化过程,建立环状流的几何模型,采用Matlab软件,对3种水锤防护方案进行对比分析。结果表明,3s快闭95%+35s缓闭5%的防护效果最好。     

输水暗涵水气两相流数值模拟

本文建立了耦合VOF法的三维非稳态水气两相流k-ε模型,同时考虑了沿程壁面粗糙度的影响。结合南水北调东线一期工程济南段进行了输水暗涵水气两相流数值模拟。首先与水工模型水深和流速分布的试验结果进行了对比分析,吻合较好;其后重点分析了实际工程中输水暗涵下卧段的流场情况,结果表明:下卧段入口和出口处水流过渡较好,与下卧段水工模型试验观察到的现象一致;在过流断面上,流速是非均匀的。此外还模拟得到了输水暗涵沿程水深分布情况,总体上水深呈下降趋势。     

输水暗涵水气两相流数值模拟

本文建立了耦合VOF法的三维非稳态水气两相流k-ε模型，同时考虑了沿程壁面粗糙度的影响。结合南水北调东线一期工程济南段进行了输水暗涵水气两相流数值模拟。首先与水工模型水深和流速分布的试验结果进行了对比分析，吻合较好；其后重点分析了实际工程中输水暗涵下卧段的流场情况，结果表明：下卧段入口和出口处水流过渡较好，与下卧段水工模型试验观察到的现象一致；在过流断面上，流速是非均匀的。此外还模拟得到了输水暗涵沿程水深分布情况，总体上水深呈下降趋势。     

竖井式水平旋流洞含气水流模型相似律

针对竖井水平式旋流洞通气孔模型试验中通气量和掺气水流的含气率在进行原型数据换算中存在的问题,考虑到空气可压缩性,通过对气液两相流基本方程的相似理论研究,导出原模型的力学相似律.在进一步研究竖井水平旋流洞模型相似律的基础上,推导出竖井式水平旋流洞原、模型通气管截面积的换算关系和原、模型含气率分布的换算关系.将所得理论公式应用于公伯峡水电站竖井式水平旋流式泄洪洞模型试验,并为原型观测结果所证实.     

气水两相流模型试验条件与掺气浓度相似律

从气体运动状态方程出发,研究了竖井有压流动模型中气水两相流的运动规律,分析了气泡几何相似、运动相似以及动力相似的条件,指出掺气浓度相似律是研究气水两相流相似问题的又一必要条件,即原、模型的掺气浓度必须相等,前提为大气压强或密度相似。对照公伯峡水电站竖井水平旋流洞原型与常压模型水流中掺气浓度测值的差异,给出了该竖井流态、压强、流量等不相似现象的合理性解释。依据掺气浓度相似律准则进行气水两相流模拟研究,对于发展传统水力学研究理论、创新研究方法、完善工程应用技术等,可以起到有效的推动作用。     

曝气池中气液两相流粒子图像测速技术

在粒子图像测速原理的基础上研究了基于快速傅立叶变换的粒子图像测速算法,并编制算法程序进行验证。通过试验研究了气液两相流在曝气池试验装置中的流动情况,应用粒子图像测速技术对装置中3种状态下气液两相流的运动参量进行测量,获得了各种流体运动参数,并应用粒子图像测速程序进行计算分析。试验结果表明当气液两相流处于状态3时,气泡在装置中具有最长的停留时间和较大的速度紊动强度,氧转移速率和效率大大提高,这为曝气池选型提供了依据。     

空气阀排气性能分析

空气阀已成为长距离输水系统中必不可少的设备,担负着管道充水排气,事故、正常停机进气及排气,水锤防护等多项任务.其选型合理与否对工程安全运行影响较大.为此,分析了空气阀排气性能实测资料与公式计算结果的差异,由于空气阀的排气面积与流量系数的乘积不是常量,因此提出在进行压力输水系统水力过渡过程分析时应采用空气阀的实测资料.     

空气阀排气性能分析

空气阀是长距离输水系统中必不可少的设备,担负着管道充水排气,事故、正常停机进气及排气,水锤防护等多项任务,其选型合理与否对工程安全运行影响较大。分析了空气阀排气性能实测资料与公式计算结果的差异,提出应根据实测资料选择空气阀。     

输水管道水流对截留气团的冲击

从试验、数值计算、理论分析三方面对输水管道系统水流冲击截留气团(囊)进行了研究.试验结果表明,水流冲击截留气团的最大压力与截团在一个大气压下的初始体积占管道总体积的比例多少有关.试验与数值计算结论相符.同时指出,在无法确定输水管道系统截留气团大小时,可采用忽略摩阻的刚性水锤模型进行计算,所得结果与输水管道系统截留气团大小无关,且偏安全.     

万家寨引水工程北干线有压倒虹吸管道充水过程研究

为了充分发挥万家寨引水工程北干线在长距离输水管路的潜在效益,基于北干线有压的1#、2#倒虹吸PCCP管道工程,以1#倒虹吸朔州在线调流阀前管道充水过程为例,分析研究了考虑空气阀作用工况下可能产生的水击压力以及不同的充水流量下1#倒虹吸沿程控制点的充水时间。研究成果为万家寨引水工程北干线充水过程研究提供了理论基础。