FLUENT水锤模拟和验证

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1 前言

水锤和汽锤都是管路系统中常见的现象，他们均会对管路的长久安全运行造成威胁。“所谓水锤是在突然停电或者在阀门关闭太快时,由于压力水流的惯性，产生水流冲击波，就像锤子敲打一样，所以叫水锤。水流冲击波来回产生的力，有时会很大，从而破坏阀门和水泵”^[1]。之前我们做了几个关于汽锤的案例，今天我们继续做一个水锤的案例。

2 建模与网格

建立如下的二维轴对称管道模型，管道内径20mm，长度15.22m。划分四边形网格，单元数16500（15×1100），控制y+＜5。

3 求解设置

启用SST k-Omega湍流模型。

复制材料库中的液态水材质，并将密度设置为可压缩液体模型。可压缩液体模型方法解释详见帮助文档（以下截图），本案例就不做翻译了，详细读者应该都能看得懂。

入口设置为压力入口，全压为449988.56Pa（水头46m）。

出口设置为速度入口，参考之前汽锤的模拟方法，采用流量的突变来模拟阀门关闭，因为阀门内部的流动细节对于水锤模拟式可以忽略的。采用如下UDF定义边界，速度初始值为0.423m/s，阀门关闭耗时0.018s，阀门关闭特性为线性曲线。实际上对于可压缩流动，采用速度边界并不是很合适，采用质量边界更好。但是有研究表明，这两种边界对于水锤的模拟结果不敏感^[2]。

#include "udf.h"DEFINE_PROFILE(out_velocity,t,i){real velocity;real the_current_time;face_t f;the_current_time=CURRENT_TIME;if(the_current_time>=0&&the_current_time<0.018){velocity=-0.423*(1-pow(the_current_time/0.018,1));}else{velocity=0;}
begin_f_loop(f,t){F_PROFILE(f,t,i)=velocity;}end_f_loop(f,t)}

和之前一样，先进行稳态计算获得瞬态计算的初始值（以出口0.423的流速进行稳态计算，入口压力不变，为46m水头），再进行瞬态计算，实际步长取1e-5s。

在管道中心位置（x≈7.6m处）创建静压力监测点，监测压力波动情况。

以静压为变量，创建如下的参数，即为静压水头，单位m。

4 计算结果

管道监测点的静压力曲线如下图，最高峰值水头约为95m，最低谷值水头约为-4.5m。

管道监测点的静压力实测曲线如下图^[3]，最高峰值水头约为94m，最低谷值水头约为-9m。

通过以上对比，水锤压力波动的模拟曲线和实测曲线还是比较接近的。

以上的密度模型采用的FLUENT默认的模型，还有其他的密度模型可以参考，比如以下的密度模型[4]，感兴趣的读者可以自行编写UDF进行试算一下。

参考文献

[1] 百度百科.https://baike.baidu.com/item/%E6%B0%B4%E9%94%A4%E7%8E%B0%E8%B1%A1/118393

[2] Modelling of a two phase water hammer

[3] Investigation of Transient Vaporous Cavitation: Experimental and Numerical Analyses

[4] Numeric modelling of water hammer effects in penstocks

来源：仿真与工程

UDF 湍流材料控制

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首次发布时间：2023-07-05