為了研究復(fù)雜管系瞬變流的演變機(jī)理,從而有效控制劇烈瞬變流對管系的破壞,利用CFD技術(shù)建立了管網(wǎng)中常見的彎管與閥門連結(jié)結(jié)構(gòu)的三維仿真計(jì)算模型,并基于該模型計(jì)算由閥門動作產(chǎn)生的瞬變流在彎管中的傳播過程,計(jì)算結(jié)果表明:管內(nèi)瞬變流的壓力峰值發(fā)生在瞬變流激發(fā)源閥門前端位置,其壓力波向上游的傳播過程存在明顯的不對稱特征,其壓力面形狀受彎管對流場作用的影響明顯;通過調(diào)整閥門相對彎管的安裝角度可對管內(nèi)壓力峰值進(jìn)行一定程度調(diào)控。 

【文章來源】：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造. 2020,(09)北大核心

【文章頁數(shù)】：4 頁

【部分圖文】：

物理模型

事實(shí)上，在球閥還未動作之前，管內(nèi)處于穩(wěn)定流動狀態(tài)，管道下游的壓力應(yīng)該小于上游，但根據(jù)圖2(a），在各截面出現(xiàn)第一個峰值壓力前后，閥前各處的壓力是下游大于上游的，因而在閥門開始動作后，必定會出現(xiàn)下游壓力逐漸超越上游壓力的過程。通過放大圖2(a）的前半部分得到圖2(b），發(fā)現(xiàn)在閥門開始動作后不久（0.018s附近），閥前各位置確實(shí)出現(xiàn)了下游壓力相繼超越上游的現(xiàn)象，而且下游位置壓力的增速明顯大于上游，這在各位置峰值壓力出現(xiàn)前越來越顯著。當(dāng)各位置峰值壓力出現(xiàn)后，緊接著各位置的壓力出現(xiàn)衰減，衰減速率也是下游顯著大于上游，并出現(xiàn)下游壓力低于上游壓力的情況。上面的分析結(jié)果是從各截面平均壓力的角度得到的，屬于一維信息，然而，由于彎管結(jié)構(gòu)的特殊性，以及球閥動作的不對稱性，為了更好地研究壓力波在管內(nèi)的傳播過程和特點(diǎn)，下面對管內(nèi)壓力的三維情況進(jìn)行深入分析。初步估計(jì)瞬變波速為1484m/s[8]，以當(dāng)前計(jì)算時間步長，管道模型尺寸較小，不便對管內(nèi)瞬變流的傳播過程進(jìn)行研究。因此，調(diào)整基本模型的計(jì)算時步為10-4s，截取閥門開始動作后的前0.001s時間內(nèi)各時步下管內(nèi)的壓力分布云圖，如圖3所示。根據(jù)圖3，球閥在開始動作之前，如圖3(a）所示。管內(nèi)壓力總體上從模型入口至出口逐漸遞減，在此過程中，彎管內(nèi)部由于流場的分化[9]導(dǎo)致壓力場表現(xiàn)出了明顯的壓力分層現(xiàn)象，并對下游壓力場產(chǎn)生影響，該影響隨著工質(zhì)遠(yuǎn)離彎管而逐漸削弱。此后，球閥開始動作，并在其附近產(chǎn)生較為復(fù)雜的壓力擾動，此壓力擾動在往上游傳播過程中形成不斷被削弱的正壓波并疊加在原壓力場上，從而形成了圖3中在0.0103s之后彎管與球閥之間兩側(cè)高壓區(qū)擠壓中間低壓區(qū)的現(xiàn)象，以及彎管后等壓線逐漸向閥門方向移動的現(xiàn)象，此即閥前壓力增速大于其它位置的原因。在此需要特別注意的是，閥門動作所導(dǎo)致的正壓波，在往上游傳播過程中，表現(xiàn)出明顯的三維非對稱特性，而且它與原壓力場疊加后所形成的壓力面，與疊加前的壓力面形狀剛好相反，如圖3(d）所示。這說明閥動產(chǎn)生的正壓波對管邊緣流場的壓力增強(qiáng)作用大于對中央的增強(qiáng)作用。兩個相向的壓力面，它們中間的區(qū)域?yàn)榈蛪簠^(qū)，它們兩側(cè)為高壓區(qū)。隨著閥門的繼續(xù)動作，閥動正壓波對下游的壓力持續(xù)增強(qiáng)，下游高壓區(qū)不斷向上游擠壓，使低壓區(qū)越來越小，直至被兩側(cè)的高壓區(qū)擠壓潰滅，兩側(cè)高壓區(qū)域匯合，形成較大區(qū)域的等壓場（如圖3f-圖3i），從而使管內(nèi)的壓力梯度逐漸減小。

上面的分析結(jié)果是從各截面平均壓力的角度得到的，屬于一維信息，然而，由于彎管結(jié)構(gòu)的特殊性，以及球閥動作的不對稱性，為了更好地研究壓力波在管內(nèi)的傳播過程和特點(diǎn)，下面對管內(nèi)壓力的三維情況進(jìn)行深入分析。初步估計(jì)瞬變波速為1484m/s[8]，以當(dāng)前計(jì)算時間步長，管道模型尺寸較小，不便對管內(nèi)瞬變流的傳播過程進(jìn)行研究。因此，調(diào)整基本模型的計(jì)算時步為10-4s，截取閥門開始動作后的前0.001s時間內(nèi)各時步下管內(nèi)的壓力分布云圖，如圖3所示。根據(jù)圖3，球閥在開始動作之前，如圖3(a）所示。管內(nèi)壓力總體上從模型入口至出口逐漸遞減，在此過程中，彎管內(nèi)部由于流場的分化[9]導(dǎo)致壓力場表現(xiàn)出了明顯的壓力分層現(xiàn)象，并對下游壓力場產(chǎn)生影響，該影響隨著工質(zhì)遠(yuǎn)離彎管而逐漸削弱。此后，球閥開始動作，并在其附近產(chǎn)生較為復(fù)雜的壓力擾動，此壓力擾動在往上游傳播過程中形成不斷被削弱的正壓波并疊加在原壓力場上，從而形成了圖3中在0.0103s之后彎管與球閥之間兩側(cè)高壓區(qū)擠壓中間低壓區(qū)的現(xiàn)象，以及彎管后等壓線逐漸向閥門方向移動的現(xiàn)象，此即閥前壓力增速大于其它位置的原因。在此需要特別注意的是，閥門動作所導(dǎo)致的正壓波，在往上游傳播過程中，表現(xiàn)出明顯的三維非對稱特性，而且它與原壓力場疊加后所形成的壓力面，與疊加前的壓力面形狀剛好相反，如圖3(d）所示。這說明閥動產(chǎn)生的正壓波對管邊緣流場的壓力增強(qiáng)作用大于對中央的增強(qiáng)作用。兩個相向的壓力面，它們中間的區(qū)域?yàn)榈蛪簠^(qū)，它們兩側(cè)為高壓區(qū)。隨著閥門的繼續(xù)動作，閥動正壓波對下游的壓力持續(xù)增強(qiáng)，下游高壓區(qū)不斷向上游擠壓，使低壓區(qū)越來越小，直至被兩側(cè)的高壓區(qū)擠壓潰滅，兩側(cè)高壓區(qū)域匯合，形成較大區(qū)域的等壓場（如圖3f-圖3i），從而使管內(nèi)的壓力梯度逐漸減小。3.2 閥門安裝角度對管內(nèi)瞬變流的影響

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]發(fā)射場加注系統(tǒng)瞬變過程及其影響因素研究[J]. 高陽,馮輔周,張紅星,張曉萍.  裝備學(xué)院學(xué)報. 2015(04)
[2]火箭靶場加注系統(tǒng)瞬變過程及其影響因素試驗(yàn)研究[J]. 高陽,馮輔周,江鵬程,張紅星.  機(jī)械設(shè)計(jì)與制造. 2015(03)
[3]截止閥啟閉時流動特征的動態(tài)數(shù)值模擬[J]. 巴鵬,鄒長星,陳衛(wèi)丹.  振動與沖擊. 2010(10)



本文編號：3264011