شبیه سازی سه بعدی CFD و تحلیل جریان گذرا در خط لوله آب

یون کائو، لینگ ژو، چوانچی او، هائویو نیش، دیو لیو؛شبیه سازی سه بعدی CFD و تحلیل جریان گذرا در خط لوله آبمجله تامین آب: پژوهش و فناوری-آکوا 1 ژوئن 2022; 71 (6): 751-767. doi: https://doi. org/10. 2166/aqua. 2022. 023

دانلود فایل استنادی:

چکیده

یک رویکرد دینامیک سیالات محاسباتی سه‌بعدی (CFD) برای تشریح جریان لوله چکش آب و ویژگی‌های دینامیکی دقیق سه‌بعدی یک شیر توپی بسته‌کننده ایجاد شده است. رویکرد CFD پیشنهادی، تراکم‌پذیری آب و زیرلایه چسبناک را در نظر می‌گیرد که گاهی در مطالعات قبلی نادیده گرفته می‌شوند. مقایسه نتایج CFD، فشارهای اندازه‌گیری‌شده و نتایج یک‌بعدی، نشان می‌دهد که رویکرد 3 بعدی CFD فعلی، نوسانات فشار تجربی را بهتر بازتولید می‌کند و در عین حال به تجسم فرآیندهای فیزیکی مرتبط و کشف بیشتر ویژگی‌های گذرا سه‌بعدی کمک می‌کند. توزیع سرعت متوسط در جهت شعاعی به طور قابل توجهی با پیشرفت گذرای لوله تغییر می کند، که ارتباط نزدیکی با تنش برشی گذرا دارد. تغییرات سرعت متوسط در شیر در طول فرآیند بسته شدن تحت سه مرحله متمایز است: تغییر جزئی، سپس کاهش شدید و در نهایت کاهش سرعت. ضریب افت هد و ضریب تخلیه شیر با کوتاه شدن زمان بسته شدن شیر تغییر می کند.

نکات برجسته

ویژگی‌های جریان دینامیکی سه بعدی در گذرگاه‌های لوله به طور سیستماتیک مورد مطالعه قرار می‌گیرند.

تجزیه و تحلیل بیشتر ویژگی‌های دریچه توپی تحت شرایط استاتیکی و دینامیکی که توسط شبیه‌سازی‌های سه بعدی CFD انجام شد.

اثرات زمان بسته شدن بر ضریب افت سر و ضریب تخلیه بررسی شده است.

چکیده گرافیکی

یادداشت ها

در این مقاله از علائم زیر استفاده شده است:

ضریب تخلیه در MOC

قطر داخلی لوله (متر)

مدول جوان لوله الاستیک (Pa)

ضخامت دیواره لوله (متر)

نیروهای خارجی بدن (N)

تولید انرژی جنبشی آشفتگی (kg/(m·s3))

نسل ω (kg/(m·s 3 ))

شتاب گرانشی (m/s 2)

مدول حجمی کشش سیال (Pa)

مدول حجیم لوله (Pa)

ضریب افت سر

انرژی جنبشی آشفته (m 2 /s 2 )

زمان بسته شدن شیر توپی (ها)

سرعت متوسط (m/s)

ویسکوزیته سینماتیک آشفته (m2/s)

مولفه های سرعت (m/s)

اعداد مختصات دکارتی

نفوذ موثر k

نفوذ موثر ω

حداکثر زاویه بسته شدن (درجه)

Sweep/D، نسبت اندازه مش در جهت محوری به قطر لوله

MMS/πD، نسبت اندازه مش در جهت محیطی

نسبت ضخامت لایه اول (FLT) به ضخامت زیر لایه چسبناک جریان آشفته در جهت شعاعی

چگالی سیال (kg/m3)

نرخ اتلاف خاص (1/s)

سرعت زاویه ای (rad/s)

اختصارات

دینامیک سیالات محاسباتی

روش ویژگی ها

حداکثر اندازه مش

روش نیمه ضمنی برای معادلات مرتبط با فشار

مقدمه

گذراهای هیدرولیکی اغلب در انواع سیستم‌های لوله تحت فشار، از جمله پروژه‌های انتقال آب از راه دور، ایستگاه‌های پمپاژ و برق آبی، سیستم‌های تامین آب شهری و سیستم‌های آبیاری کشاورزی رخ می‌دهند. رویدادهای چکش آب ناشی از خاموش شدن تصادفی پمپ یا توربین یا عملکرد سریع سوپاپ، احتمالاً فشارهای غیرعادی بالایی ایجاد می کند که ممکن است باعث پارگی لوله و آسیب رساندن به سایر دستگاه های هیدرولیک شود (Ghidaoui & Kolyshkin 2001; Saemi et al. 2019). بنابراین، شبیه‌سازی عددی دقیق رویدادهای چکش آب برای طراحی مناسب و عملکرد ایمن سیستم‌های لوله بسیار مهم است.

مدل های سنتی یک بعدی چکش آب ، که در آن تنش برشی در طول خط لوله با استفاده از فرمولهای اتلاف حالت پایدار ، تقریب می یابد ، تمایل به دست کم گرفتن از بین بردن انرژی دارند. برای بهبود دقت عددی فشار چکش آب ، فرمولهای مختلف استرس برشی لوله ای ناپایدار 1D تولید شده است. با توجه به بررسی Ghidaoui و همکاران.(2005) ، مدل های استرس برشی دیواری را می توان به سه نوع طبقه بندی کرد: (i) مدل های برشی شبه پایدار دیواری. بیان استرس برشی دیواری (مانند فرمول های دارسی ویزباخ و هاز ن-ویلیامز) فرض بر این است که در شرایط ناپایدار معتبر هستند.(ب) اصلاحات مبتنی بر تجربی به مدلهای برشی شبه پایدار. این نوع مدل اصطکاک ناپایدار 1D بر اساس شتاب فوری مایعات است (برونون و همکاران 1991). دیلی و همکاران.(1956) مدلی را تهیه کرد که در آن اصطکاک ناپایدار به سرعت جریان فوری و شتاب محلی فوری بستگی دارد. Carstens & Roller (1959) تأثیر میانگین سرعت جریان فوری و شتاب محلی فوری را بر شرایط اصطکاک ارائه داد. مدل اصطکاک ناپایدار آنی ، برای اجرای ساده و محاسباتی کارآمد است اما تعیین پارامتر تجربی دشوار است.(iii) مدل های برشی دیواری مبتنی بر جسمی. این نوع از مدل اصطکاک ناپایدار 1D ، رویکرد مبتنی بر حل و فصل مبتنی بر مدل Zielke (1968) است ، که یک رویکرد جسمی مبتنی بر مشتق برشی دیواره ناپایدار در جریان لامینار گذرا با تعیین حلول شتاب های مایع قبلی و یک پیشنهاد دادعملکرد وزنه برداری. Vardy & Brown (1995 ، 2003 ، 2004b) رویکرد Zielke را به جریان های آشفته آب چکش گسترش داد. مدل های مبتنی بر حلقوی اصلی ، مدل Zielke و مدل Vardy-Brown ناکارآمد هستند اما نشان داده شده است که می توانند با دقت محاسبه شده با نتایج اندازه گیری شده مطابقت داشته باشند. بر اساس روش تقریب Trikha (1975) ، Vardy & Brown (2004a) ، ویتکوفسکی و همکاران.(2004) ، و Urbanowiez & Zarzycki (2012) به طور پی در پی محاسبات مختلف کارآمد و دقیق از اصطکاک ناپایدار Zielke و Vard y-Brown را در گذرگاه های لوله توسعه دادند. اخیراً ، Urbanowiez و همکاران.(2016) فرمول هایی را ایجاد کرد تا بتواند تنش های برشی را بر روی دیواره های لوله به همراه فرمول برای ضرایب تلفات اصطکاک غیر ثابت فراهم کند.

Urbanowiez (2017) فرمول های تحلیلی خاصی را برای تعیین ضرایب توابع وزنه برداری مؤثر ساده به روشی ساده ارائه داد. Urbanowiez (2018) تصحیح فرمول بازگشتی نامنظم را ارائه داد ، که برای محاسبه تنش های برشی دیواری ناپایدار استفاده شد.

برای جریان لوله گذرا ، تولید گرداب در دیواره لوله و انتشار متعاقب آن به صورت تجربی توسط Das & Arakeri (1998) و Brunone و همکاران مشاهده شده است.(2000) و به صورت عددی توسط Vardy & Hwang (1991) ، Silva-Araya & Chaudhry (1997) ، Pezzinga (1999) و Ghidaoui & Mansour (2002) یافت. با این حال ، برای روش 1D تقریباً غیرممکن است که به طور دقیق گرداب در دیواره لوله شبیه سازی شود و روابط بین گرداب پویا و اتلاف انرژی را توصیف کند.

علاوه بر این ، رویکرد استاندارد 1D در برخورد با تلفات هیدرولیک پویا ناشی از بسته شدن شیر در جریان مایع لوله ای ناپایدار ، فرض تلفات انرژی به همان اندازه است که اگر جریان ها در همان سرعت پایدار باشند. مهمتر از همه ، خصوصیات پویا گذرا از شیر توپ بسته ، و خصوصیات جریان ناپایدار گرداب محلی و جریان برگشتی در طی فرآیند بسته شدن شیر ، مشکل جریان سه بعدی (3D) پیچیده است ، که تعیین آن توسط روش های 1D دشوار استیا اقدامات تجربی

مارتینز و همکاران.(2014) معادلات به طور متوسط رینولدز Navier-Stokes (RANS) و یک مدل تلاطم K-ε قابل تحقق برای تحقق شبیه سازی های جریان لوله ای ناپایدار سه بعدی را معرفی کرد. پس از آن ، مارتینز و همکاران.(2016) با استفاده از مدل دینامیک سیال محاسباتی سه بعدی (CFD) توزیع سرعت و تنش دیواره را بررسی کرد. مارتینز و همکاران.(2017 ، 2018) ماهیت پیچیده اتلاف انرژی گذرا را در جریان آشفتگی تعداد کم رینولدز بررسی کرد. نویسندگان (وانگ و همکاران 2016 ؛ ژو و همکاران 2018) مدلهای CFD را برای بررسی جداسازی ستون مایع و جریان گذرا با یک جیب هوای گرفتار شده در یک خط لوله تهیه کرده اند. فریرا و همکاران.(2018) از مدل CFD سه بعدی برای تجزیه و تحلیل رفتار دریچه توپ در شرایط پایدار و ناپایدار استفاده کرد ، که با نتایج اندازه گیری مقایسه شد. نتایج نشان می دهد که روشهای CFD سه بعدی برای پیش بینی دقیق فشارهای گذرا امکان پذیر است و مزیت قابل توجه آن آشکار کردن فرایند فیزیکی است.

با توجه به مقالات قبلی (مارتینز و همکاران 2014 ؛ فریرا و همکاران 2018) ، تازه های اصلی این مقاله به شرح زیر است: (1) یک مدل جایگزین 3D CFD برای کشف سیستماتیک ویژگی های جریان پویا سه بعدی در انتقال لوله ها ارائه شده است.؛(2) تجزیه و تحلیل دقیق ویژگی های سوپاپ توپ در شرایط استاتیک و پویا با رویکرد CFD سه بعدی پیشنهادی انجام می شود. و (3) اثرات زمان بسته شدن بر ضریب از دست دادن سر و ضریب تخلیه با دقت مورد بررسی قرار می گیرد. رویکرد 3D CFD Water-Hammer برای بررسی جریان لوله گذرا و ویژگی های پویا دقیق سه بعدی شیر توپ بسته شده توسعه یافته است. همانطور که در بالا مورد بحث قرار گرفت ، مطالعات موجود در درجه اول مربوط به شبیه سازی های گذرا 1D لوله یا مشخصات جریان دریچه بر اساس شبیه سازی های غیر قابل فشار با آب پایدار سه بعدی است. در اینجا ، رویکرد CFD سه بعدی پیشنهادی برای تراکم آب و زیرزمینی چسبناک ، که گاهی در مطالعات قبلی مورد غفلت قرار می گیرند ، تشکیل می دهد. نتایج فشار CFD سه بعدی با داده های اندازه گیری شده و نتایج 1D (که کدگذاری شده و در ویژوال استودیو 2010 اجرا شده اند) مقایسه می شوند. ویژگی های جریان گذرا سه بعدی شیر توپ در طی فرآیند بسته شدن با استفاده از مدل CFD سه بعدی معتبر بیشتر مورد بررسی قرار می گیرد. علاوه بر این ، اثرات زمان بسته شدن شیر بر خصوصیات دریچه با دقت مورد بحث قرار می گیرد.

مدل فیزیکی و آزمایشی

دستگاه آزمایشی در کار برگانت و همکاران.(2001) در اینجا برای اعتبارسنجی مدل سه بعدی پیشنهادی و بررسی بیشتر وقایع چکش آب در خط لوله استفاده می شود.₀همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است ، سیستم آزمایشی شامل یک مخزن فشار بالادست با فشار ثابت 32 متر ، یک لوله مس 37. 23 متر با قطر داخلی 22. 1 میلی متر ، یک دریچه توپ یک چهارم به نوبه خود و یکمخزن فشار پایین دست. سرعت موج در 1،319 متر بر ثانیه اندازه گیری شد. سه مورد آزمایشی در اینجا در نظر گرفته شده است. در این سه آزمایش ، در ابتدا ، دریچه توپ کاملاً باز است و جریان های پایدار مختلف با سرعت های مختلف V₀با تنظیم فشار مخزن فشار پایین دست تشکیل می شوند. حوادث چکش آب با بستن ناگهانی شیر توپ (زمان بسته شدن 0. 009 ثانیه) القا شد. در اینجا ، مورد 1: جریان لامینار ، سرعت اولیه لوله V₀= 0. 1 متر بر ثانیه ، و شماره رینولدز دوباره = 1،870 ؛مورد 2: جریان انتقالی ، v₀= 0. 2 متر بر ثانیه ، و re = 3،750 ؛و مورد 3: جریان آشفته ، v