管道流體的瞬態(tài)仿真模型

李斌+劉明亞+牟靜+郭健+梅越民

摘 要 隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，工業(yè)體系的日益完善。管道輸送體系在社會經(jīng)濟生活中逐漸扮演起重要角色，借助管道體系，諸如石油、天然氣以及水資源等工業(yè)產(chǎn)生生活原料得以實現(xiàn)遠距離的安全快速傳輸，在很大程度上滿足國民經(jīng)濟的發(fā)展要求。流體在輸送過程中會出現(xiàn)力學方面的變化，因此對管道的支架以及連接裝置會帶來沖擊，造成管道使用壽命與性能的降低。本文旨在從管道流體瞬態(tài)研究的角度發(fā)出，在相關科學理論的支持下，進行瞬態(tài)仿真模型的科學構建，以期滿足社會經(jīng)濟發(fā)展對于管道運輸與建設的要求。

關鍵詞 管道；流體力學；瞬態(tài)；仿真模型

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）164-0183-01

在流體力學上，瞬態(tài)與密度、溫度、速度等穩(wěn)態(tài)相對，其基本狀態(tài)與技術參數(shù)會在某一時刻，在某些因素的作用下發(fā)生極為明顯的變化。以開關自來水閥門為例，當我們忽然關閉自來水閥門時，會明顯感受到管道的振動，在力學上我們將其稱之為水錘現(xiàn)象[1]。之所以會出現(xiàn)這一情況，是因為管道里的流體狀態(tài)忽然發(fā)生改變，使得內(nèi)部的壓力分布情況發(fā)生改變，壓力分布出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象，壓力在外傳遞的過程中，會對管道本身產(chǎn)生一定的沖擊力，沖擊力在瞬時會呈現(xiàn)出驚人的數(shù)值，進而對管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性與使用性能，造成一定程度的破壞。因此對于管道流體的瞬態(tài)研究就有著十分重大的現(xiàn)實意義。

1 管道流體瞬態(tài)仿真模型構建的意義

管道流體瞬態(tài)仿真模式是研究管道內(nèi)流體傳輸與瞬態(tài)變化的有效工具，借助于流體瞬態(tài)仿真模型，我們能夠?qū)艿纼?nèi)部的受力情況與變化規(guī)律進行全面科學把握。并在此基礎上，對管道進行相應調(diào)整，在提升管道使用壽命，保證管道正常運作的同時，也能夠在一定的程度上增強我國流體力學研究水平，促進相關企業(yè)的健康發(fā)展。

1）管道流體瞬態(tài)仿真模型的構建能夠有效提升我國在管道運輸體系設計與建設方面的能力。使得管道設計方案與制作技術能夠滿足越來越多的工程項目的使用需求，這一方面為進行管道設計與施工的相關企業(yè)提供了一個更為廣闊的發(fā)展空間，提升企業(yè)自身的市場競爭力；另一方面，管道流體瞬態(tài)仿真模型在管道設計領域的廣泛使用，能夠提升我國管道運輸乃至整個交通運輸行業(yè)的發(fā)展層次。以管道流體瞬態(tài)仿真模型的科學高效構建為起點，更多先進的技術、設計理論與流體力學的原理結(jié)合起來，被應用于管道設計與建設的過程中，以此全面提升管道工程建設的質(zhì)量。

2）管道流體瞬態(tài)仿真模型的不斷創(chuàng)新與廣泛使用。能夠有效的提升我國相關企業(yè)的國際競爭力，在經(jīng)濟全球化的形勢下，我國企業(yè)逐漸轉(zhuǎn)變自身的發(fā)展模式，將越來越多的注意力轉(zhuǎn)移到海外市場，通過自身的技術優(yōu)勢，逐漸在跨國建設領域取到了一系列的成就。在這一過程中，不僅需要企業(yè)自身雄厚的資金實力，國家政策的扶植，更需要先進技術的支撐，管道流體瞬態(tài)仿真模型作為一種技術創(chuàng)新能夠有效的提升管道設計之中各種技術參數(shù)，提升技術指標，以管道流體瞬態(tài)仿真模型的構建為技術支撐，增強我國企業(yè)在相關開發(fā)建設環(huán)節(jié)的科學性與高效性，使我國企業(yè)在面對激烈的國際競爭之中占有更多的發(fā)展優(yōu)勢，從而為企業(yè)自身提供更多的發(fā)展機遇，實現(xiàn)企業(yè)自身的健康高速發(fā)展。

2 管道流體瞬態(tài)仿真模型構建的原則

1）管道流體瞬態(tài)仿真模型的構建必須要遵循科學性的原則。管道流體瞬態(tài)仿真模型在進行構建與規(guī)劃的過程之中，要充分體現(xiàn)科學性的原則，只有從科學的角度進行管道材料性質(zhì)，流體力學的生產(chǎn)原理、管道受力情況以及瞬態(tài)峰值監(jiān)測等多個方面進行細致而全面的考量。只有這樣才能夠最大限度的保證管道流體瞬態(tài)仿真模型的科學構建，只有在科學精神、科學手段、科學理念的指導下，我們才能夠以現(xiàn)有的技術條件為基礎，進行管道流體瞬態(tài)仿真模型的科學探索與研究。

2）管道流體瞬態(tài)仿真模型的構建必須要遵循實用性的原則。管道流體瞬態(tài)仿真模型為人類改造自然環(huán)境的重要社會行為，對自然環(huán)境做出了巨大的改變，經(jīng)歷從無到有，從小到大的過程。而這一過程的實現(xiàn)就需要雄厚資金的支持，從實際來看，資金的穩(wěn)定供應與否能夠直接影響到管道流體瞬態(tài)仿真模型的構建的質(zhì)量與水平，因而管道流體瞬態(tài)仿真模型在構建的過程中必須要遵循實用性的原則，最大限度降低管道流體瞬態(tài)仿真模型構建的成本投入，從而能夠?qū)⒏嗟馁Y金利用于其他方面，保證企業(yè)的正常運作，促進我國國民經(jīng)濟的健康發(fā)展。

3 管道流體瞬態(tài)仿真模型構建的途徑

目前，管道流體瞬態(tài)仿真模型建立是一個復雜的過程，在這一過程中，我們既要充分認識到流體瞬態(tài)仿真模型科學高效構建所帶來的社會經(jīng)濟意義，也要在相應原則的指導下，借助于科學手段，進行模型的構建。我們可以借助于數(shù)學型流體模型、線性摩擦模型以及頻率摩擦模型3種形式進行管道流體瞬時仿真模型的構建。

1）但是從實際情況來看，由于數(shù)學型流體模型與線性摩擦模型在操作困難長度以及準確性方面存在不足，因此現(xiàn)階段我們普遍采用頻率摩擦模型進行仿真模型的建設。頻率摩擦模型涉及到貝塞爾函數(shù)，但是由于涉及到較為復雜的因拉氏轉(zhuǎn)化，因此需要我們在使用的過程中進行相應的簡化處理，使其能夠滿足管道通路系統(tǒng)以及邊界計算的要求[2]。同時為了保證瞬態(tài)仿真模型能夠全面的反應管道內(nèi)流體的瞬態(tài)特性，需要我們使用特征線法、傳輸法以及合圖法對管道網(wǎng)絡內(nèi)部的力學瞬態(tài)特征進行分析與總結(jié)。通過這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)對管道流體瞬態(tài)防治建模的分散化處理，降低建模的難度，提升數(shù)學計算與仿真模型建立的準確性，使其最大程度的滿足實踐要求。

2）管道仿真模型的構建。為了建立一個科學的管道流體力學受力模型，我們需要在相關理論的支持下進行合理的假設。

我們將管道的設定為光滑的直線型管道，其流動狀態(tài)為一元層流，將管道受力變形以及流體運動時的熱傳導等元素排除在假設條件之外，根據(jù)相關方程進行數(shù)學計算，我們就可以對圖中3處節(jié)點的受力情況，進行有效分析，從而得出相應狀態(tài)下，管道內(nèi)流體狀態(tài)變化對管道產(chǎn)生的力學影響[3]，在運用貝塞爾函數(shù)進行數(shù)據(jù)運算與分析，進而在此基礎之上進行管道仿真模型的建立，如圖1所示。

當我們將管道仿真模型與管道邊界條件進行結(jié)合，就可以將其作為管道流體瞬態(tài)仿真模型建立的參照。

3）管道邊界條件的使用。為了達到這一目的就需要我們對管道網(wǎng)絡自身與集中元件耦合進行關系進行科學處理，只有實現(xiàn)二者的有效結(jié)合才能保證管道仿真模型的完整性與合理性，才能夠使得管道流體瞬態(tài)仿真模型能夠最大程度的真實反映管道內(nèi)部的受力情況、瞬態(tài)發(fā)生與分布規(guī)律，從而降低流體瞬態(tài)變化對管道產(chǎn)生的破壞，保證管道正常工作的順利進行與有效開展。

參考文獻

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[2]楊海青，陳茂杰，黃麗萍，等.夾氣噴嘴瞬態(tài)噴霧的CFD仿真及試驗[J].航空動力學報，2015，30（12）：2897-2903.

[3]李師堯，程永光，張春澤.IB-LB耦合式模擬貫流式水輪機三維瞬態(tài)變流[J].華中科技大學學報：自然科學版，2016（1）：122-127.