㊀第49卷㊀第3期
㊀Vol.49㊀No.3
㊀
㊀㊀㊀㊀
山㊀东㊀大㊀学㊀学㊀报㊀(理㊀学㊀版)
Journal of Shandong University (Natural Science )
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2014年3月㊀Mar.2014㊀
收稿日期:2014-01-06；网络出版时间:2014-03-0711ʒ31
网络出版地址:http ://wwwki /kcms /doi /106040/j.issn.1671935202014010.html
基金项目：国家自然科学基金资助项目(11372166)；山东科技大学春蕾计划资助项目(2010azz 017)作者简介：郭兰兰(1979-)，女，博士研究生，讲师，研究方向为工业流体力学.E-mail :gllgo @
∗通讯作者：杜广生(1955-)，男，博士，教授，研究方向为工业流体力学㊁汽车空气动力学等.E-mail :du @sdu.edu
㊀文章编号:1671-9352(2014)03-0027-04㊀㊀㊀DOI :10．6040/j.issn.1671-9352．0．2014．010
基于UDF 方法的阀门变速关闭过程中的
水击压强计算研究
郭兰兰1,2，耿介1，石硕1,3，苑飞1，雷丽1，杜广生1∗
(1.山东大学能源与动力工程学院，山东济南250061;2.山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590;
3.可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室，山东济南250101)
摘要：采用Fluent 中的滑移网格技术模拟了球阀的转动过程，对管道中阀门突然关闭引起的水击压强进行了数值计算㊂计算采用标准k -ε模型并考虑了水的压缩性㊂通过UDF 定义球阀的转动速度，分析了关阀时间和关阀方式对水击压强的影响㊂结果表明阀门匀速关闭时增大关阀时间对减小水击压强的作用效果在0．3s 之前较为明显；阀门关闭时间一定时，减速关阀方式能有效降低最大水击压强㊂关键词：水击；变速关闭；滑移网格；数值模拟中图分类号:TV 137㊀㊀㊀文献标志码:A
Computing rearch of the water hammer pressure in the process of
the variable speed closure of valve bad on UDF method
按门铃
GUO Lan-lan 1,2,GENG Jie 1,SHI Shuo 1,3,YUAN Fei 1,LEI Li 1,DU Guang-sheng 1∗
(1.School of Energy and Power Engineering ,Shandong University ,Jinan 250061,Shandong ,China ;
2.College of Mechanical and Electronic Engineering ,Shandong University of Science and Technology ,
Qingdao 266590,Shandong ,China ;3.Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technology in Building of
National Education Ministry ,Jinan 250101,Shandong ,China )
Abstract :The rotation process of ball valve was simulated by using the sliding grid technology of Fluent software ,and the water hammer pressure caud by the suddenly clod of the ball valve in the pipeline was calculated.In the calcula-tion ,the standard turbulent model was ud with considering the compressibility of water.The rotational speed of ball valve was controlled by UDF.Th
e influence of valve s closure way and time on water hammer pressure were analyzed.Results show that when the valve is clod at a constant speed ,the increa of closing time can reduce the water hammer pressure ,and the effect is evident before 0.3s ;when the valve closing time is fixed ,the deceleration way can effective-ly reduce the water hammer pressure.
Key words :water hammer ;variable speed closure ;sliding mesh ;numerical simulation
0㊀引言
有压管道中当阀门突然关闭或打开时，流体的流速会发生迅速变化，在流体惯性的作用下，管内压
强产生剧烈波动，并在整个管长范围内传播，这种现象称为水击㊂水击发生时流量的冲击与振荡使流动损失加剧，给流量标准装置的检测带来误差㊂水击的最大压强可达正常工作压强的几十倍，严重时引起管道超压破裂，损坏设备，威胁安全[1]㊂因此，对
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㊀山㊀东㊀大㊀学㊀学㊀报㊀(理㊀学㊀版)第49卷㊀
水击进行分析计算十分必要㊂
水击的计算方法经过100多年的发展，数值计算方法逐步取代了传统的解析法和图解法㊂目前常用的数值计算方法有特征线法㊁有限元法㊁有限差分法等[2-10]㊂特征线法是数值计算法中最为成熟的一种，计算效率高，结果也比较精确，发展了许多种差分格式，但特征线法是一维计算方法，无法实现流动的可视化，也不能很好地解决多特征插值问题与非积分项的误差问题
[3-7]
㊂Fluent 是基于三维㊁可压㊁
非定常N-S 方程的有限体积法流场计算软件，它的动网格和滑移网格技术可以模拟瞬态流动，能够应用于管道阀门系统的计算[8-9]㊂且能实现流场的可视化，便于进一步分析问题㊂因此本文利用Fluen
的滑移网格方法模拟球阀在关闭过程中的管道水击过程，并对关阀时间和关阀方式对水击压强的影响进行计算和分析㊂
1㊀研究对象和基本参数
本文针对文献[10]中的实验管路在阀门突然关闭时所产生的水击过程进行数值研究㊂文献中没有说明阀门的具体形式，在此选择比较常见的球阀㊂如图1所示取球阀阀芯及前后直管段中全部流体为计算区域㊂管道直径0．1m ，阀芯前后直管段长度分别为24．47m 和0．5m ㊂管道进口截面压力保持恒
定，定义为压力入口，总压19600Pa ㊂出口截面定义为压力出口，静压101325Pa ㊂靠近管壁处的网格用边界层网格加密，如图2所示㊂网格总数约为217800个
㊂
图1㊀计算区域
Fig.1㊀Calculation
domain
图2㊀管道截面网格
Fig.2㊀Pipe ction mesh
2㊀数值模拟计算
2．1㊀流动控制方程[11]
球阀由全开到完全闭合是一个动态过程，管道中流体为非稳态湍流流动，控制方程如下:
连续性方程
∂ρ∂t +ρ∂(u i )∂x i
=0㊂(1)
动量方程
∂(ρu i )∂t +∂(ρʏu i ʏu j )∂x j =-∂ʏp ∂x i +∂∂x j μ∂ʏu i ∂x j -ρuᶄi uᶄj æèöø㊂
(2)
采用标准k -ε湍流模型来使上述方程封闭:k 方程
㊀㊀㊀㊀∂(ρk )∂t +ρu j ∂u i ∂x i =∂∂x j μ+μt
σk æ
èöø∂k ∂x j
[]
+G k +G b -ρε-Y M +S k ,(3)
ε方程㊀㊀
∂(ρε)∂t +∂∂x i (ρεu i )=∂∂x j μ+μt
σεæèöø∂ε∂x j
[]
+㊀㊀㊀㊀C 1εεk (G k +C 3εG b )-C 2ερε2
k
+S ε㊂
(4)
式中,ρ是密度;k 是湍动能;ε是湍流耗散率;μt 是湍动黏度;σk 和σε分别为与k 和ε对应的紊流普朗特数,σk =1．0,σε=1．3;G k 和G b 分别是由平均速度梯度和浮力引起的k 的产生项，其中G k =μt
∂u i ∂x j +
∂u j ∂x i æèöø∂u i
∂x j
;Y M 代表引起可压缩紊流中过度扩散率的脉动作用;C 1ε,C 2ε,C 3ε为经验常数，其中C 1ε=1．44,C 2ε=1．92㊂S ε和S k 为用户自定义的源项，在本文中S ε=S k =0㊂G b ,Y M 和C 3ε与流体的压缩性有关，当流体不可压缩时,G b =Y M =C 3ε=0㊂水击过程当中必须考虑流体的可压缩性㊂对于
可压缩流体,G b =βg i μt Pr t ∂T
∂x i
,β是热膨胀系数,β=-1ρ∂ρ
∂T
;
Y M =2ρεM 2t ,M t 是湍动Mach 数,M t =k /c 2,
c 是声速;C 3ε取决于主流方向与重力方向之间的关系，当两者平行时,C 3ε=1，当两者垂直时,C 3ε=0㊂
2．2㊀数值计算方法
球阀的转动过程采用Fluent 中的滑移网格技术实现，将阀芯与左右管道的接触球面定义为两对交
界面(interface )㊂在阀芯的转动过程中，交界面互相接触的部分为内部面(interior )，允许流体通过,
㊀第3期郭兰兰，等：基于UDF方法的阀门变速关闭过程中的水击压强计算研究29㊀㊀
不接触的部分为固体壁面(wall)，没有流体通过㊂当阀芯转到一定角度时，阀芯与管道完全脱离，交界面成为壁面，用来模拟阀门完全关闭时的情况㊂图3所示为球阀不同开度下的速度云图㊂
图3㊀球阀不同开度下的速度云图Fig.3㊀Velocity cloud under variation
㊀㊀为了提高计算的速度和稳定性，先进行阀门全开时的稳态计算，待流动稳定后将其收敛解作为非稳态计算的初始值㊂在计算中忽略管壁弹性，水的密度随压强的变化关系由UDF定义,ρ=998．28+ 0
．452p㊂阀门的转动速度亦由UDF控制㊂取阀门前某截面为监测面，计算出此截面上的平均压强即为水击压强㊂计算结果的可靠性见文献[12]㊂2．3㊀计算结果及分析
(1)阀门关闭时间对水击压强的影响
图4是阀门关闭时间T s分别为0．5s和0．77s 时Fluent计算的压强变化曲线，从图中可以看出，当阀门关闭速度加快后，产生的最大水击压强也随之增大，阀门完全关闭后压强振荡幅度和次数都有所增加㊂这是因为阀门的关闭不是一个瞬时过程，最早产生于阀门端的增压水击波在到达水池后，经反射又成为减压波逆向传播，到达阀门端时，如果阀门尚未完全关闭(间接水击)，返回水击波的负水击压强会抵消一部分阀门继续关闭产生的正水击压强㊂阀门关闭速度越快，单位时间内阀门开度变化越大，产生的正水击压强越大，反射回来的能够起到抵消作用的负水击压强所占分额越小㊂因此阀门关闭时间越短，产生的水击压强越大，当最早产生的水击波反射回阀端时，若阀门已经完全关闭(直接水击)，则反射波起不到任何抵消作用，此时的水击压强最大值就等于阀门瞬时关闭所产生的水击压强值㊂图5是水击压强最大值p max与阀门关闭时间T s 之间的关系曲线㊂可以看出，随着阀门关闭时间的缩短,p max急剧增大，当T s>0．3s时，曲线斜率的绝对值近似小于1，可以认为关阀时间对于水击压强影响可以忽略不计，即0．3s之后继续增大阀门关闭时间对减小水击压强意义不大㊂
图4㊀不同关阀时间下水击压强变化曲线
Fig.4㊀Water hammer pressure at different valve closure
time
图5㊀不同关阀时间下的水击压强最大值Fig.5㊀The maximum pressure vs.valve closure time
㊀㊀(2)阀门关闭方式对水击压强的影响
以上计算是在球阀匀速转动的基础上进行的㊂
第四十一个
现在固定阀门关闭时间，通过UDF 改变阀芯旋转速度使其变速转动㊂如图6所示，在0．5s 的时间内，曲线1加速关闭，曲线2匀速关闭，曲线3减速关闭㊂不同关阀方式对应的水击压强变化曲线见图
7㊂
图6㊀阀门开度变化曲线
Fig.6㊀Variation of the valve
opening
图7㊀不同关阀方式下水击压强变化曲线
Fig.7㊀Water hammer pressure at different valve closure way
㊀㊀从图7中可以看出，阀门的关闭方式会对水击压强产生影响㊂曲线1中阀门的关闭速度前慢后快，对应水击压强的的变化也是前慢后快，且最终产生的水击压强最大，振荡最剧烈㊂曲线3开始时压强上升较快，但最大水击压强值却是三种情况中最小的㊂原因如前所述，曲线3开始时阀门开度变化较大，因此压强很快增加，随着时间推移，开度变化量减小，产生的水击正压强减小，且部分被反射水击波抵消，因此水击压强最终不会很高㊂曲线1的情况正好相反，开始时压强增加缓慢，当阀门关闭越来越快的时候，正压强量也随之很快增加，反射水击波又来不及将其抵消掉，因此后半程曲线1的压强急剧升高㊂三种阀门关闭方式的具体数据对比见表1㊂
表1㊀三种关阀方式数据对比
Table 1㊀Data comparison of three valve s closure ways 编号角加速度ε/(rad ㊃s -2)最大压强时间点比值最大水击压强比值压强梯度比值1㊀8．371．433
5．7420
1．341．241．263
-8．371
11
㊀㊀由表1可知，在文中给定的条件下，减速关阀与匀速关阀相比，除达到最大压强所需时间明显缩短外，其他方面差别不大，水击程度略有降低㊂而加速关阀所产生的最大水击压强是匀速关阀的2．4倍，压强梯度则为4．6倍，水击程度显著增强㊂因此在阀门关阀速度可控的情况下，不能选择前慢后快的加速关阀方式，而应尽量选择匀速或减速关闭阀门，以最大程度上降低水击压强㊂
3㊀结论
本文采用Fluent 中的滑移网格技术对管道中球阀突然关闭引起的水击现象进行了数值模拟㊂通过UDF 改变阀门转动速度，计算得出了不同关阀时间和关阀方式下的水击压强随时间的变化关系㊂结果表明，在阀门关闭方式一定的情况下，水击压强随关阀时间的增大而减小，在阀门匀速关闭时,p max 的衰减速度以T s =0．3s 为界先快后慢；在阀门关闭时间一定的情况下，水击压强受阀门关闭方式的影响，与阀门匀速关闭相比，加速关阀导致p max 成倍增加，而减速关阀则能够降低p max ㊂
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二次函数教案(编辑：许力琴)
