泵气并联运行管内气液流数值模拟

泵气并联运行管内气液流数值模拟

在高、宽通道和多台机组的泵站中，由于各种原因，管道中积聚了大量气体，且无法在短时间内顺利释放。管道内的空气被压缩，产生较大的压力，导致管道出口处的溢流事故。本文通过某泵站空管开机中存在的实际问题,应用气液两相流理论,采用计算流体动力学软件FLUENT中的VOF模型对管道中的气液两相流动进行精细的数值模拟计算,分析了其内部流场及压力分布,找出了该泵站空管开机出水管喷水的主要原因。1数值模拟理论和方法1.1vof模型求解在FLUENT中,共有三种欧拉-欧拉多相流模型,即VOF(VolumeofFluid)模型、混合物(Mixture)模型和欧拉(Eulerian)模型。其中VOF模型是一种在固定欧拉网格下的表面跟踪方法,适用于计算空气和水这样不能互相掺混的流体流动。根据长输管道系统内气、液两相流动的情况,忽略流动过程中气、液两相之间的溶解,选择VOF模型进行求解。VOF模型是根据各个时刻流体在网格单元中所占的体积分数F来构造和追踪自由面。若某一时刻网格单元中F=1,则表明该单元全部为某一相流体所占据;若F=0,则该单元全部为另一相流体所占据;当0<F<1,则该单元包含为两相流体的交界面单元。1.2u3000标准k-模型本文的VOF模型采用标准k-ε湍流模型的方程,其基本控制方程由以下各式组成。体积分数连续方程:连续性方程:动量守恒方程:式中:ρ为密度,kg/m3;μ为动力黏性系数;t为时间,s;u为速度,m/s;为数学算子符号;P为压强,Pa;g为重力加速度,m/s2;F为表面张力的等价体积力形式,N。若下标1表示气相,2表示液相(水),表示第i相的体积百分比。则有:气液两相流中由于表面张力的作用而产生动量守恒方程源项,Brackbill提出了连续表面力模型(CSF),表达式为:标准k-ε模型的湍动能k和耗散率ε方程如下:k方程:ε方程:式中:σk和σε分别是湍动能k和耗散率ε对应的紊流普朗特数;μ为动力黏性系数;Gk表示由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;Gb表示由于浮力影响引起的湍动能k的产生项;YM表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响;C1ε、C2ε和C3ε为经验常数;Sk和Sε是用户定义的源项。湍流黏性系数μt可以写成k和ε的函数,Cμ为经验常数,取0.09,如下式:在FLUENT中,作为默认值常数,C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09,湍动能k与耗散率ε的湍流普朗特数分别为σk=1.0,σε=1.3。1.3压力管道设计某泵站设计流量25m3/s,净扬程51.16m,总扬程56m。安装水泵机组11台,其中1200S56型水泵机组8台,32SA-10C型水泵机组1台,24SA-10B开型水泵机组1台。压力管道采用预应力钢筋混凝土管,管径1.4m(8排),1.6m(1排),管道长度620m。压力管道末端采用竖管与出水塔连接,竖管高20.47m。泵站9排管道在出水塔附近合并为5排,中间的1排没有并联,其余8排管道并为4排。管道布置剖面图如图1所示。每次空管开机时,当水沿管道流动到并联点处时,就会在并联点处回流到并联的另一台水泵出水管。由于最初进行设计时主管道上并没有安装排气阀等装置,管道内的空气难以排出,空气不断被压缩而产生巨大的能量。当能量达到峰值时就会突然释放,从而推动大量的水从出水管口喷出,最大喷水高度达14m。1.4网格单元压力方程的建立本文以气-液(水)两相瞬态流动为研究对象,选用有限体积法对泵站并联系统空管开机过程进行模拟求解。对二维模型计算区域进行离散,以四边形单元作为网格单元,共生成131260个网格单元,137844个网格节点。时间差分采用全隐式方案,时间步长取为1s。流动入口边界条件为速度进口,进口流速:空气0m/s,水2.1m/s;流动出口为出流边界条件,认为出口处的流动是完全发展的湍流;其他均为固体壁面。以时间0点开始计时,此时水流开始从并联点向另一管流入。压力方程差分格式加权体积力;压力和速度耦合采用PISO算法;体积分数方程和动量方程采用了一阶迎风格式作为离散格式。2计算结果和分析2.1液相弹状流产生的原因f管道充水是液相体积分数随着时间变化而变化的过程。不同时刻管内液相体积分布(流型)如图2所示,其中深色区域为气相,浅色区域为液相。t=0s,管内充满气体,水由管道并联处流入,管内出现气-液两相流。t=20s,一部分水在压力作用下沿L6管段流向出水塔,另一部分水由于重力影响沿L5流向下游管道,液相体积分数不断增大,且呈线性增长。由于重力作用使水趋向于管道底部流动,气体则由于浮力趋向于管道上部流动,最终会碰到管道顶部的壁面而形成气相连续的弹状流,如图2(a)所示。t=100s,水流向下游管段L4,气体不断被压缩,造成管内压力升高,气体表面张力减小,弹状流开始过渡到塞状气泡较长的塞状流;此时水的流速减小,管内局部同时会出现一些泡状流,这些泡状流位于大气塞的后面,如图2(b)所示。t=1000s,在阻力等因素的影响下液相和气相的速度均有减小,由于重力分离效应,更明显地出现气相位于管道上部,液相位于管道底部,两者之间有一个比较光滑的交界面,此时产生分层流,如图2(c)所示。t=1400s,随着流动的发展,水的体积分数进一步增大,表面张力也不断增大,一些小气泡开始聚结,气泡之间的碰撞与聚结引起气泡的长大,并最终由泡状流过渡到弹状流;此时流动发展并不充分,管内仍存在着分层流,位于其中的气体流速不断增大,在液相和气相的交界面处产生了一个扰动波,形成波状流,如图2(d)所示。t=1760s,水由平直管段L2流向倾斜向下的管段L1,流速增大,流动得到充分发展,气体被压缩程度更高,气相速度增大,在分层流的交界面出现波浪和撕碎现象,速度再高则过渡到弹状流动,如图2(e)所示。t=1800s,液相流动已经充分发展的后期,气体不断沿着管道上部流动,直至聚集在L2、L3等管段上部,与水形成分层流,管道其他部分大都被水所占据,成为单相流动,如图2(f)所示。在管道充水过程中,出现的流型有:泡状流、气塞流、分层流、波状流以及弹状流,不同流型之间的过渡比较频繁。2.2其他管口处压能流动着的流体内任意位置都有一定的压能。不同时刻整个管道长度(620m)不同位置的流体压能分布如图3所示。水沿着管段L5和L4流动并压缩气团的过程中,流通面积增大,流速减小,动能减小,压能增大;当水流经L3管段,由于管线铺设有一定坡度,压能减小,逐渐转化为位能,管道压力下降;L2管段比较平直,在沿程阻力的作用下,压能略有下降;当水流经倾斜下降的管段L1时,位能转化为压能、动能,并伴有能量损失;管内气体含量不同,位能转化为动能以及压能的比例也不同,此处气体不断聚集,水的流通面积不断减小,造成水的流速增大;气体越集中,管道单位体积内的气体含量越高,水由位能转化为动能的比例越高,水流速的增大造成了较大的摩擦和能量损失。可见,气液两相流的能量损失要明显大于水或空气单相流的能量损失,气体含量越高,造成的能量损失越大。本文所涉及的泵站压力管道,在不进行输水活动时管内充满气体。当空管开机进行供水时,管内空气不断被压缩,能量不断增大。气液两相流产生的巨大能量足以推动大量的水由出水管口喷出,造成危害。理论分析和数值模拟的计算结果基本吻合。3不同流型的出现,发生了充水过程一个过程本文基于计算流体动力学软件FLUENT中的VOF模型,通过对长输管道内的气液两相瞬态流动进行数值模拟计算,得出以下几点结论。(下转第130页)(上接第126页)(1)管道充水过程中存在着多种气液两相流动形式,包括泡状流、塞状流、分层流、波状流以及弹状流。不同流型之间存在着相互过渡的现象。(2)通过对管道系统建立数学模型,经数值模拟计算发现管道充水过程可以分为三个阶段:充水初期,管内液相体积分数不断增大,且呈线性增长趋势;充水中期,液相体积分数继续增大,但无明显的规律性;充水后期,管内气液两相达到平衡状态,液相体积分数为一定值,不再变化。(3)分析可知,空管开机时水流至并联点处,倒流到并联的另一排