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泵站管道出口喷水原因分析及数值模拟

作　者: 冯磊
导　师: 姚青云
学　校: 宁夏大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 气液两相流 VOF模型数值模拟
分类号: TV675
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在高扬程、多台机组并联运行的泵站中,输水管道系统在不进行输水时长期处于停机状态,管内聚集了大量的空气,形成截留气团。当机组再次启动进行输水时,管内的空气不断被压缩,进而产生了巨大的压力,推动水流由出水管口喷水造成事故。同时管道系统内部的压力骤然增大,极易导致管道局部爆裂,对于整个系统而言将会造成重大的隐患。本文综述了气液两相流的基本理论以及研究现状,运用机理建模的方法,基于欧拉-欧拉多相流模型,将气液两相流看作是连续介质,在固定欧拉网格下采用VOF模型这一表面追踪方法,以计算流体动力学软件FLUENT6.3为平台,忽略流动过程中气、液两相之间的互相溶解,在二维条件下建立了红寺堡二泵站管道系统内气液两相流的数学模型,并给定了相应的初始条件和边界条件,创新性地将气液两相流理论应用于工程实例。通过对管道系统内部的气液两相流动进行精细的数值模拟计算,分析其内部流场变化情况及压力分布,掌握管内气液两相流动的真实流态及其变化过程,找到了该泵站空管开机时出水管口发生喷水现象的主要原因;提出了在主机组开机前利用设置在泵房内的变频控制水泵机组向压力管道补充一定量的水来解决这一技术难题,从而为管道系统的设计与防护提供了理论依据。通过对长距离有压输水管道系统内气液两相瞬态流动进行数值模拟计算结果进行分析发现：管道系统内部在充水过程中存在着泡状流、塞状流、分层流、波状流和弹状流这六种流动型式；管内液相体积分数经历了线性增长、无规律增长直至不再增长这三个不同时期；气液两相所造成的能量损失要大于单相流,出水管口发生喷水事故的根本原因在于复杂的气液两相流动所产生的巨大能量；合理地对并联管道进行设计、调控管内水的流量能够有效地避免此类事故的发生。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-14
  1.1 课题背景及研究意义  7-8
  1.2 气液两相流国内外研究现状  8-11
  1.3 课题研究方案  11-12
  1.4 研究方法和技术路线  12-13
  1.5 主要研究成果  13-14
第二章气液两相流基本理论  14-26
  2.1 基本概念  14
  2.2 气液两相流的基本参数  14-19
  2.3 气液两相流的流型和流型图  19-26
第三章计算流体动力学(CFD)基本理论及CFD软件FLUENT简介  26-49
  3.1 计算流体动力学概述  26-29
  3.2 计算流体动力学控制方程  29-32
  3.3 计算流体动力学求解过程  32
  3.4 商用CFD软件结构  32-34
  3.5 常用的CFD商用软件  34-36
  3.6 FLUENT软件基本用法  36-39
  3.7 基于有限体积法的控制方程离散  39-43
  3.8 VOF方法  43-49
第四章数值模拟计算结果与分析  49-65
  4.1 红寺堡二泵站管道系统出水管喷水现象分析  49-57
  4.2 数值模拟计算模型的建立及离散  57-58
  4.3 计算结果及分析  58-60
  4.4 数值模拟计算所得结论  60-61
  4.5 空气阀的研究与应用  61-65
第五章现场实验  65-69
  5.1 实验目的及实验方案  65
  5.2 实验所得数据  65-66
  5.3 实验结果分析  66-67
  5.4 实验结论  67-69
第六章解决出水管出口喷水的具体方案  69-72
  6.1 设置排气阀  69
  6.2 控制开机时间  69
  6.3 开机前补水  69-72
第七章结论与展望  72-74
  7.1 结论  72
  7.2 建议  72
  7.3 本论文的创新点  72
  7.4 课题展望  72-74
参考文献  74-77
致谢  77-78
个人简介  78

泵站管道出口喷水原因分析及数值模拟

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