苏文献，郭佳伟，施卿海

(上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093)

摘要:水锤工况下会产生极大的压力波幅值，不仅干扰管路系统的稳定运行，还可能损坏管路，对管路系统的稳定和安全运行产生巨大危害。以某工程实例为研究对象，借助CFD与CSD结合的流固藕合方法研究含气水锤作用下弯管的动态响应。采用单一变量法，研究水中气体体积分数、管道壁厚、水的初始流速、阀门关闭时间对流体压力、管道上应力及管道振幅的影响。研究表明:初始流速的降低、管道壁厚的增加、阀门关闭时间的延长均会缓解管道的应力状况，降低振动幅度。

关键词:含气水锤;弯管;流固藕合;计算流体动力学(CFD);计算结构动力学(CSD)

管网中阀门的快速开启或关闭将引起管道内流场的急剧变化，这种不稳定的状态涉及到管内流体动能和势能之间的相互转换，同时伴随着压强的交替上升和下降;流体压强作用在管道、阀门或其他管道元器件上好像锤击一样，将这种有压非恒定流称为水锤现象，简称“水击”或者“水锤”‘。目前，水中气体对水锤的影响还没有达成统一认识，对部分管道中的气液两相流瞬变流动情况还需要进一步研究。CFD(计算流体动力学)能够对复杂流场进行准确的数值计算，CSD (计算结构动力学)能够轻易求解结构动态响应问题，将两者结合的流固藕合方法，能够有效地求解多相流作用下管道动态响应问题。流固藕合方法研究方面，1977年，Walker和Phillips提出时域内的6方程，将泊松藕合作用、轴向运动和周向运动考虑在内。1990年，Lavoj和TIJSseling3Tijsseling -采用MOC和MOC}'EM方法计算时域内14方程。1999年，Tijsseling和Heinshroek -4对阀门快速关闭系统进行计算，用MOC法计算流体域，用有限单元法计算结构域。同年，Shalahy和Younan使用ABAQUS对阀门快关工况下的弯管模型进行数值计算，他将几何非线性和材料非线性考虑在内。在含气水锤研究方面，1989年，龚时宏分析了水中掺人空气对管道水力特性的影响，并提出防止水中掺人气体的若干方法。1995年，姚朝晖等采用VOF算法对空泡溃灭水锤进行数值计算，得出与试验结果相符的计算结果。2006年，梁兴等A创建变波速条件下的气体均匀流模型，并对其特性进行分析。2000年，张立翔等在MOC方法的基础上，提出一种分析水锤诱发作用下输流管道流固藕合振动的频谱分析法。2004年，曹亮。推导出输流管道系统轴向和横向振动的线性微分方程，用于描述输流管道动态特性的流固藕合现象。2006年，Bergant等尝试用不同数学模型对含气水锤的发生过程进行数值计算。2012年，胡跃华等利用ANSYS-CFX双向流固藕合方法对某厂稀甲醇管道进行受力分析，得到管道的变形及受力情况。弯管作为管道系统的重要组成部分，对其在含气水锤作用下的动态响应的数值计算研究，对了解管路系统瞬态特性，提高系统运行稳定性与可靠性，避免水锤工况下产生超常流体压力、管道结构应力以及振动等具有突出的理论及工程意义。同时，对弯管的水锤防护具有理论和实践性指导。

1 研究内容

以某工程实例为研究对象，借助CFD与CSD结合的流固藕合方法研究含气水锤作用下弯管的动态响应。课题组对基于下面建立的模型进行影响因素研究，研究水中气体体积分数、管道壁厚、水的初始流速及阀门关闭时间对含气水锤作用下弯管的动态响应的影响。弯管上的应力和振幅是造成管道破坏的关键因素，流体中压力对两者有着显著的影响。分析各个影响因素对流体压力、管道应力及管道振幅的影响规律。笔者将下面的计算模型当作参考模型，通过改变该模型中的相应参数建立对照计算模型;再通过对照计算模型与参考模型的对比，研究各个参数对各个响应结果的影响规律。

2 数值计算模型

如图1所示，取实际工程管道系统中包含弯头的一截管道，弯管两端通过简支支撑方式支撑，流体以3.57 m/s的流速从左往右流经弯管;重力方向竖直向下。形成稳流后，弯管右端阀门关闭，形成水锤效应。

管道厚度为19 mm，具体结构尺寸见图1。管道材料为美标ASTM A1018 Grade60，水的密度为1 000 kg/m3m，水中气体体积分数为0. 36%。

图1分析案例示意图

3 含气水锤作用下弯管动态响应因素影响

3.1 水流中气体体积分数对水锤现象动态响应的影响

水中含有气体时，气体会在压力波动时影响流体的压力场，从而影响管道的动态响应。本节在其它物理模型及参数不变的情况下，根据实际情况设置对比组试验模型的气体体积分数分别为:0. 00% ,0. 36% ,0.72%和1 .40 %。

3.1.1 气体体积分数对流体域的影响

流体最大压力出现在弯头处，以弯管处流体域中心处作为研究对象，绘制该点处流体压力一寸间变化图，如图2所示。

图2 弯管中心处流体压力月月间变化图

从图2可以看出，气体体积分数分别为0. 00%和0. 36%时，水中压力的时间变化过程基本相同。气体体积分数为0.36%时，水中气体对流体压力场的影响很小。随着气体体积分数的升高，峰值压力逐步降低，压力变化周期也逐步缩短，峰值压力稳定的时间也逐步缩短。

3.1.2 气体体积分数对管道压力及振幅的影响

各时刻管道系统上最大Von Mises应力主要发生弯头底部，弯管振幅最大点主要在弯头顶部。为了便于弯管动态响应规律的对比，本小节仅对弯头顶部应力、弯头底部振幅进行对比分析，2点位置如图3所示。

图3 管道弯头处顶部和底部2点位置

弯头中心截面底部Von Mises应力一寸间变化图如图4所示。

图4 弯头中心截面底部Von Mises应力-时间变化图

从图4可以看出，随着气体体积分数的增加，水锤压力降低，管道上Von Mires应力也逐步降低，VonMiser应力的波动周期也随着气体体积分数的增加急剧缩短。

弯头中心截面顶部振幅-时间变化图如图5所示。

图5 弯头中心截面顶部振幅-时间变化图

从图5可以看出，随着气体体积分数的增加，管道振动幅度降低。

3.2 管道壁厚对水锤现象动态响应的影响

管道壁厚，对管道的刚度具有影响作用。由于含气水锤作用，流体压力场的巨变，引起管道较大的振动与变形。管道巨大的运动与变形，反过来会对流体流动情况进行影响。本节在其它物理模型及参数不变的情况下，根据实际情况设置对比组试验模型的管道壁厚分别为15,17和19 mm。

3.2.1 不同管道壁厚对流体域的影响

不同管道壁厚的情况下，弯头中心点处流体压力-时间变化图如图6所示。

图6 弯头中心点处流体压力-时间变化图

从图6可以看出，管道壁厚变化基本不影响弯头中心点处压力的变化历程。壁厚的不同，影响压力变化峰值。壁厚越厚，峰值压力越大。这是因为:管道刚度越大，承受水锤压力后变形量更小，管道吸收的能量更少，转换为流体的弹性压缩能能量更多，形成的压力峰值就越大。