發(fā)布時間：2017-11-02 19:00

  本文關(guān)鍵詞：基于MOC-CFD耦合方法的泵送系統(tǒng)瞬態(tài)特性研究

  更多相關(guān)文章： 泵系統(tǒng) 管路系統(tǒng) 瞬態(tài)過程 一維/三維耦合 動態(tài)特性 水錘

【摘要】：在化工流程、生活供水以及核電循環(huán)等泵送系統(tǒng)中,閥門誤操作、泵機組意外啟停、水池水位突變等事件都會造成管內(nèi)流速劇烈變化,誘發(fā)水錘事件。傳統(tǒng)分析方法對系統(tǒng)瞬變特性分析時,泵常采用簡單一維模型描述,而對于泵瞬態(tài)特性研究時,則去除管路系統(tǒng)而僅對泵進(jìn)行三維獨立分析,通常無法得到系統(tǒng)瞬變過程中的泵瞬態(tài)特性以及泵瞬態(tài)效應(yīng)對系統(tǒng)特性的影響,即難以充分考慮瞬變工況中泵與系統(tǒng)的相互作用。因此,本文提出了一種基于一維特征線法(Method of Characteristics,簡寫MOC)和三維計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,簡寫CFD)耦合分析方法。該方法避免了整個系統(tǒng)三維CFD建模帶來的計算資源和時間過度消耗,以及整個系統(tǒng)一維MOC計算無法獲得復(fù)雜部件內(nèi)流特性和模型不準(zhǔn)確等缺點,同時也可以解決泵瞬態(tài)過程CFD模擬難以確定動態(tài)邊界條件的問題。論文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：1、提出基于一維／三維多尺度耦合的MOC-CFD數(shù)值模擬方法,并對穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程的耦合方法進(jìn)行研究,開發(fā)耦合模擬程序的數(shù)據(jù)交互接口和耦合環(huán)境運行控制平臺程序,同時探索提高耦合模擬穩(wěn)定性與計算效率的方法。2、設(shè)計并搭建了一個管路-閥門實驗系統(tǒng),用于耦合程序MOC和CFD兩個模塊的準(zhǔn)確性驗證�；贛OC的水錘計算中,分析了擬恒定摩阻模型和Brunone非恒定摩阻模型的計算結(jié)果。三維CFD數(shù)值模擬中,通過考慮水可壓縮性和滑移網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)水錘模擬,并對影響模擬結(jié)果的主要因素進(jìn)行研究。3、設(shè)計并搭建了一個泵-管路-閥門實驗系統(tǒng),用于管路水錘與泵動態(tài)交互作用實驗,分別采用MOC-CFD耦合模擬、純一維MOC計算和純?nèi)SCFD’模擬三種方法進(jìn)行計算和比較分析。結(jié)果表明,純一維MOC計算屬于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)計算,得到的泵瞬態(tài)H-Q曲線與實驗穩(wěn)態(tài)H-Q曲線重合,無法體現(xiàn)瞬態(tài)效應(yīng)影響。純?nèi)SCFD和MOC-CFD耦合模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。對比分析結(jié)果既驗證了MOC-CFD耦合仿真程序及其在分析管路系統(tǒng)瞬變中的優(yōu)越性,也說明系統(tǒng)瞬變過程中管路水錘與泵之間存在強耦合作用。4、基于MOC-CFD耦合數(shù)值模擬方法對快速關(guān)閥過程中的泵瞬態(tài)特性進(jìn)行了研究,給出管路系統(tǒng)瞬變特性以及水錘波影響下的泵內(nèi)三維瞬態(tài)流動演化過程,研究了關(guān)閥時間、關(guān)閥規(guī)律和管路長度對泵瞬態(tài)特性的影響。通過泵瞬態(tài)特性和內(nèi)部瞬態(tài)流場演化的分析與總結(jié),指出降低關(guān)閥水錘破壞的措施。5、基于MOC-CFD耦合數(shù)值模擬研究了快速開閥過程管路系統(tǒng)水錘與實驗?zāi)Ｐ捅玫南嗷プ饔?給出開閥過程的系統(tǒng)與泵的瞬態(tài)特性。結(jié)果表明,閥門快速開啟過程產(chǎn)生的一個低壓區(qū)向閥門上游傳遞,使泵的瞬時揚程降低并在低揚程運行工況下波動,直至穩(wěn)定；而流量曲線則呈現(xiàn)波動上升的趨勢。整個過程中,瞬時的泵Q.H曲線位于穩(wěn)態(tài)Q-H曲線下方,并出現(xiàn)小幅度的波動,波動幅度明顯小于關(guān)閥的瞬態(tài)過程。6、基于MOC-CFD耦合數(shù)值模擬研究了停泵過程管路系統(tǒng)水錘與試驗?zāi)Ｐ捅玫南嗷プ饔?給出停泵過程中管路系統(tǒng)瞬態(tài)特性、泵內(nèi)流道間的漩渦轉(zhuǎn)移特性以及瞬態(tài)性能。結(jié)果表明,停泵水錘過程中,泵進(jìn)出口位置首先產(chǎn)生非同步性壓力震蕩,而后在下游的瞬變流作用下產(chǎn)生同步性壓力波動,而瞬態(tài)過程的流量曲線呈現(xiàn)出波動下降趨勢。本文提出一種面向泵送系統(tǒng)瞬態(tài)特性分析的一維／三維流動耦合數(shù)值模擬方法,開發(fā)了MOC-CFD耦合計算程序,并通過泵送系統(tǒng)瞬態(tài)特性實驗對計算結(jié)果進(jìn)行了驗證,并基于MOC-CFD耦合模擬分析了瞬變流事件下的管路系統(tǒng)瞬變與泵的相互作用特性。本文的研究內(nèi)容和結(jié)論對復(fù)雜含泵管路系統(tǒng)的瞬變分析具有指導(dǎo)意義,并對核泵系統(tǒng)的瞬態(tài)特性分析具有參考價值。
【關(guān)鍵詞】：泵系統(tǒng) 管路系統(tǒng) 瞬態(tài)過程 一維/三維耦合 動態(tài)特性 水錘
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ051.21
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-17
• 符號清單17-18
• 第1章 緒論18-28
• 1.1 課題背景和意義18-19
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-24
• 1.2.1 管路系統(tǒng)瞬變流研究現(xiàn)狀19-21
• 1.2.2 水力機械的CFD模擬研究現(xiàn)狀21-22
• 1.2.3 一維/三維流動多尺度耦合模擬研究現(xiàn)狀22-24
• 1.3 論文主要研究目標(biāo)和內(nèi)容24-28
• 1.3.1 主要研究目標(biāo)24-25
• 1.3.2 主要研究內(nèi)容25-28
• 第2章 一維/三維流動耦合模擬方法28-44
• 2.1 引言28
• 2.2 特征線法(MOC)28-32
• 2.2.1 瞬變流方程28-29
• 2.2.2 摩阻模型29-32
• 2.3 計算流體動力學(xué)(CFD)32-35
• 2.3.1 流體控制方程32-33
• 2.3.2 湍流模型33-35
• 2.4 MOC-CFD耦合模擬方法35-43
• 2.4.1 耦合方案35-37
• 2.4.2 耦合程序37-41
• 2.4.3 耦合速率和穩(wěn)定性分析41-43
• 2.5 本章小結(jié)43-44
• 第3章 管路-閥門系統(tǒng)瞬變特性的數(shù)值模擬與試驗驗證44-68
• 3.1 引言44
• 3.2 試驗裝置與測試44-50
• 3.2.1 實驗方案及裝置44-46
• 3.2.2 高頻動態(tài)壓力變送器46-47
• 3.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)47-48
• 3.2.4 實驗過程及結(jié)果48-50
• 3.3 基于MOC的瞬變流一維計算50-55
• 3.3.1 邊界條件50-54
• 3.3.2 MOC計算結(jié)果54-55
• 3.4 基于CFD的瞬變流三維數(shù)值模擬55-67
• 3.4.1 CFD模型與方法55-59
• 3.4.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證59-61
• 3.4.3 湍流模型的影響61-62
• 3.4.4 時間步長的影響62-64
• 3.4.5 模擬結(jié)果分析64-67
• 3.5 本章小結(jié)67-68
• 第4章 泵-管路-閥系統(tǒng)瞬變特性的耦合分析與試驗驗證68-98
• 4.1 引言68
• 4.2 實驗裝置68-72
• 4.3 系統(tǒng)瞬變流的數(shù)值模擬72-97
• 4.3.1 基于MOC-CFD的系統(tǒng)瞬變流耦合分析72-85
• 4.3.2 基于MOC的系統(tǒng)瞬變流分析85-88
• 4.3.3 基于CFD的系統(tǒng)瞬變流分析88-93
• 4.3.4 計算結(jié)果的比較分析93-97
• 4.4 本章小結(jié)97-98
• 第5章 基于MOC-CFD的泵送系統(tǒng)瞬態(tài)特性研究98-122
• 5.1 引言98
• 5.2 關(guān)閥過程中管路瞬變流與泵的相互作用98-110
• 5.2.1 耦合模型與方法99-102
• 5.2.2 穩(wěn)態(tài)過程的耦合模擬102-103
• 5.2.3 關(guān)閥時間對瞬態(tài)特性的影響103-107
• 5.2.4 關(guān)閥規(guī)律對瞬態(tài)特性的影響107-108
• 5.2.5 管路長度對瞬態(tài)特性的影響108-110
• 5.3 開閥過程中管路瞬變流與泵的相互作用110-117
• 5.4 停泵過程中管路瞬變流與泵的相互作用117-120
• 5.5 本章小結(jié)120-122
• 第6章 總結(jié)和展望122-128
• 6.1 總結(jié)122-124
• 6.2 創(chuàng)新點124-125
• 6.3 展望125-128
• 參考文獻(xiàn)128-138
• 致謝138-140
• 作者簡歷140-141

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1132729