基于MOC-CFD耦合方法的泵送系統(tǒng)瞬態(tài)特性研究.pdf

1、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(jī)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(dú)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 Charac

2、teristics，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(diǎn)，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，

3、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(yùn)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。
　

4、　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

5、過程中管路水錘與泵之間存在強(qiáng)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

6、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(yáng)程降低并在低揚(yáng)程運(yùn)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，

7、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