长输管线含截留气团瞬变流气液耦合动力学行为及破坏机理研究

The transient flow with the trapped air is the major factor for the pipe burst of long-distance pipelines. Based on the theroies of aerodynamics and unsteady hydrodynamics, the mathmatic model of transient flow with trapped air in two directions is established. This research adopts the modified VOF(Volume of Fluid) method to simulate the local flow field, then details of the interface between gas and water are obtained in the process of the flow impacting the trapped air, and also the boundaries and initial conditions of the model are determined. Through solving the model, the pressure dynamic response of the pipelines and the dynamic behavior are expounded in the transient flow. Moreover, through the numerical simulation of the local flow field, the maximum pressure is studied when the trapped air collapses and the predictive model of maximum pressure is established, then the dynamics characteristics and destroy mechanics of transient flow with the trapped air are revealed. In addition, the experimental system of transient with trapped air is constructed to realise the physical process of the flow impacting the trapped air. By the means of physical experiments, the mathematic model of the transient flow is verified and improved. The results will complete the theroy of transient flow in pressure pipes and provide the basis of protection for the gas-liquid water hammer in the long-distance pipelines.

含截留气团瞬变流是引发长距离输水管道爆裂的主要因素之一。本项目以空气动力学和非稳态水动力学理论为基础，构建含截留气团气液两相瞬变流沿管道轴向及径向的二维数学模型。采用改进的VOF(Volume of Fluid)方法进行局部三维流场数值模拟，研究水流冲击截留气团的瞬变过程中气液两相交界面的变化规律，确定求解瞬变流数学模型的边界条件和初始条件。数值求解瞬变流模型，描述水流冲击截留气团过程中瞬变压力的动态响应及瞬变流气液耦合动力学行为及特征。通过流场模拟及瞬变模型求解，分析气团溃灭的最大冲击力，建立水流冲击气团的最大压力预测模型，揭示含截留气团瞬变流的破坏特征与机理。研究建构"截留气团"试验段和设计实现"水流冲击气团"的物理过程，通过模型实验，验证数值模拟结果，并校核和完善所建立的气液两相瞬变流数学模型。研究成果将进一步完善有压管道的瞬变流理论，为有效地建立水锤防护措施提供理论依据。

近年来为了改善饮用水水质、提高人民的生活水平，国家进行了巨大的跨流域、跨区域的长距离输水工程。在实际工程中，长距离输水管道系统的爆管事故仍时有发生，通过调查发现发生爆管事故的管线沿程大多具有局部驼峰区，而爆管的部位通常集中在驼峰区或其相关地段，爆管发生的时间主要集中在水压试验阶段和试运行阶段或正式投产初期以及管路检修后再投产阶段。这些爆管现象的发生显然与含截留气团瞬变流所形成的特殊水锤压力波动具有直接的关系。由于这种瞬变流动过程涉及大体积气团的变形及运动规律，使得管道中的瞬变压力响应及流动过程具有特殊性，因此进行该方面的研究对于完善有压管道的瞬变流理论以及避免由此引发的长距离输水管道爆裂事故具有重要意义。.首先，围绕长距离输水管道中水流冲击气团现象，以局部流场的模拟与分析为核心，建立了水流冲击气团的物理模型，采用数值模拟方法对局部流场进行研究，得到了以下研究成果：（1）当管道中气体含量为总体积的1%时，有压水流冲气团产生的瞬时压力峰值最大。（2）当气团初始体积保持恒定，管道横截面含气率为60%~80%时，压力峰值最大。其次，耦合空气动力学和非稳态水动力学控制方程，构建了有压管道中含截留气团瞬变流沿管道轴向和径向的二维数学模型，并开发了新的准二维模型求解方法，从而描述水流冲击截留气团瞬变过程中管道系统的压力动态响应及气液耦合动力学行为。本项目所提出的准二维模型优点在于：（1）由于可以选择不同的权重系数，当时间步长不相同时，模型仍旧可以求解；（2）本模型中有两个是显式方程，降低了求解速度，提高了求解的效率；（3）虽然本模型是准二维模型，但是如果忽略径向速度瞬变流问题变为一维问题，模型仍旧适用，而且求解速度比常规的一维模型更快。最后，项目组设计并搭建了含截留气团试验段和物理仿真“水流冲击气团”过程。通过实验，校核及验证数值模拟结果及所建立的瞬变流数学模型和最大压力预测模型。.此外，该项目还拓展了计划研究内容，在以下几个方面取得了一些进展：（1）长输管线中局部水力急变过程引起的有压管道与无压管道共存的瞬变流现象；（2）结合实际工程进行的空气阀参数优化研究。上述拓展研究内容深化了该项目提出的气液两相瞬变流理论和非稳态流动的二维方程，并为将其应用于实际工程和其他类型的水力管网系统奠定了基础。