管道流体的瞬态仿真模型 (1)

两相流管道仿真教程利用FLUENT对两相流管道内流场进行数值仿真，有如下步骤：1，利用Gambit软件，打开软件界面如下图：2，建立模型的几何文件：直接建体模型，如下图所示，管道圆柱形，长为5000mm，半径为500mm3，划分边界层网格：设置边界层首层厚度为2mm，其增长比率为1.2，层数为4，选择边界层施加面为face2，即为管道圆柱面4，划分体网格：对管道实体进行网格划分，可以直接对其进行体网格划分，选择管道实体volume.1，其他设置如下图所示，网格的Interval Size可以设置为10，点击Apply划分出的管道体网格以及边界层网格如上图所示5，设置入口边界条件，设置进口名称为Inlet ，类型为速度进口，面为Face.1，具体设置如下图所示：如下图所示：为face.2，如下所示：8，输出网格文件：如下图所示9，打开FLUENT软件，进行计算设置：首先设定单位为mm，如下图所示：10，设置操作环境，操作压强为101325帕，设置重力加速度为Y向为-9.8111，设置两相流模型：选取混合相模型，这里将固体颗粒相当做欧拉相进行研究，相数位2，如下图所示：12，选择湍流模型，根据管道模拟的实际情况，选取S-A湍流模型13，设置仿真材料，定义液相材料为水，参数为默认14，设置固体颗粒相计算材料，具体设置参数如下图所示：得到的材料栏的设置情况为15，对相进行设置，主相位水，选择材料为液态水，如下图所示：第二相为固体颗粒相，设置如下：16，设置两相之间的相互作用，采用默认设置，如下图所示：17，设置进口边界条件，如下图所示，类型为速度入口，此处也可以更改为其他的边界类型。

注意此处的相定义的是混合相设置速度入口边界如下，更改水力直径为1000mm，即为入口的直径值。

18，设置主相的进口边界如下，相改为水设置进口处主相水的速度矢量为0.5m/s，19，设置第二相的进口边界如下，相改为颗粒对颗粒相的速度进口进行设置，速度值设置与液相一致，也为0.5m/s，另外要设置进口处的颗粒相的体积分数，体积分数为0.6，体积分数设置如下图所示：20，出口边界条件设置。

管道流体的瞬态仿真模型贺尚红1,2,钟 掘1(1.中南工业大学机电工程学院,湖南长沙 410083;2.长沙交通学院机电系,湖南长沙 410076)[摘要]通过对管道的离散化处理,建立了流体管道频率相关摩擦仿真模型;研究了N 的取值、离散管段数对仿真结果的影响及管道与集中元件和扰动激励的耦合方法,并对带容腔的流体管道系统进行了数字仿真.结果表明,该模型将管道的分布特性表示成网络形式,可方便地与各种边界条件进行耦合;仿真结果与有关文献提供的近似解析计算和实验结果吻合良好.[关键词]液压管道;液压传动;液压仿真;液压;瞬态分析[中图分类号]TH137.1[文献标识码]A [文章编号]1005 9792(2000)02 0173 04管道内流体动力学模型的研究是管道内流体传输与瞬变研究的基础,其数学模型有理想流体模型、线性摩擦模型和目前广泛应用的精度高的频率相关摩擦模型3种形式[1].频率相关摩擦模型涉及贝塞尔函数及自变量中含有贝塞尔函数的双曲函数,在进行时域分析和计算时,因拉氏反变换的复杂性,需对贝塞尔函数和双曲函数进行适当的简化,只对于简单的管路系统和边界条件,才可求出时域响应的解析表达式[2,3].对管道网络系统瞬态特性分析常用的方法有特征线法[4,5]、传输线法[6]和键合图法[7].这些方法对管道边界条件的处理均较复杂,对非线性元件的处理也非常不便或难以进行.文献[8]对可化为串联形式的管道系统用传递矩阵及始端和终端的边界条件求得响应的频谱函数,再通过FFT 软件直接求得时域响应,该方法不能处理在时域内非线性表达形式的边界条件,且不便于复杂网络系统的耦合建模[9].为此,作者通过对管道的离散化处理,建立了一个管道仿真模型,在此基础上研究了流体管道与集中元件和出入端扰动边界条件的耦合方法,并对一个带容腔的流体管道系统进行了仿真.1 管道仿真模型为了得到管道流体动力学模型,作如下假设:管道为标准光滑圆直管,流动状态为一元层流,不考虑管道变形对油液压缩性的影响,忽略流动时的热传导效应.如图1所示,根据流量连续方程和Navier Stockes 方程有:s c p +Z d Q d x=0(1)图1 管道离散化模型d p d x +scZQN =0(2)为了得到管道仿真模型,需对管道进行离散化处理,考虑k -1,k,k +1共3个相邻管段,每管段不考虑分布效应,对流量和压力微分作以下近似处理:d Q d x=Q k -Q k -1x , d p d x =p k +1-p k x 因此,有p k =c x Z(Q k -1-Q k )s (3)ZQ k =cN x (p k -p k +1)s(4)[收稿日期] 1999 05 26[基金项目] 国家自然科学基金资助项目(59835170)[作者简介] 贺尚红(1965-),男,中南工业大学博士研究生,长沙交通学院副教授.第31卷第2期2000年4月 中南工业大学学报J.CENT .SOU TH U N IV.T ECHN OL.Vol.31 No.2April 2000图2 仿真框图模型式中:p ,Q 分别为频域动态压力和流量;p k ,Q k 分别为管段k 的频域动态压力和流量;Z = cA,为特性阻抗; 为流体密度;c 为波速;A 为管道截面积;s =j ,为拉氏算子.N =11-2J 1(j r s/v )j r s /v J 0(j r s /v )其中:J 0和J 1分别为零阶和一阶贝塞尔函数;r 为管半径.N 可粗略近似为:N =1+!s(5)根据(3),(4)式可得框图模型(如图2所示).对于N ,T rikha 推导了一个表达式[5],它在|s |= <300!的频率范围内近似程度很好(其中!=8vr2,为粘性因子).N =1+!s +0 15151+0 3030s!+0 16201+0 04s!+0 0201+0 001s !(6)根据(6)式,可以将图2中虚线部分扩展成图3所示的细化模型.k 1=0 1515;∀1=0 3030/!;k 2=0 1620;∀2=0 04/!;k 3=0 020;∀3=0 001/!图3 细化模型根据图2所示的管段模型,结合边界条件,可将管道系统联成一个多环节组成的框图模型,以此作为仿真的依据.2 管道边界条件2.1 管道与集中元件的耦合在流体管道系统中,集中元件如容腔、蓄能器、H 型滤波器等通常可看作以旁路形式联接于管道中.图4为分叉管道边界条件示意图.图4 分支管道边界条件图4中,将管1和管2分别分割成等长的l 和m 个单元,p i j ,Q ij 表示管i (i =1,2)第j 个单元的压力和流量.边界条件为:p 1l =p 21=p 3Q 1l =Q 21+Q 3Z 1(Q 1l -1-Q 1l )s cx 1=p 1l p 21-p 22s cN 2 x 2=Z 2Q 21Q 3p 3=G 3(s )根据上述边界条件可得出图5所示的耦合框图.对于其集中容腔,Q 3p 3=G 3(s )=V SE(E 为液体弹性模量,V 为容积),是一微分环节,给仿真中求解微分方程带来困难,必须将该环节与cx 1s结合以174中南工业大学学报 第31卷消除微分的影响.以容腔为例,可将图5中虚框部分等效为图6所示模型,其它含微分环节的情况可作类似处理.图5分支管耦合模型图6 微分环节的处理2.2 扰动边界条件假定管入端压力恒定,末端为一快速开关阀,阀口突然开启或关闭产生负或正的阶跃扰动,造成管系流体的振动.边界条件为:p 1=0ZQ 1=c N x (-p 2)sZQ n =R (s)p n =c x Z(Q n -1-Q n )s由此所得耦合模型如图7所示.图7 入口压力恒定时的出口流量扰动耦合模型根据以上边界条件耦合方法,可建立管道系统完整的仿真模型,利用有关仿真工具可进行数字仿真.3 仿真实例算例来源于文献[3],计算模型如图8所示.容腔体积V =580cm 3.流体参数为:运动粘度#=0.66 10-4m 2/s,声速c =1280m /s,密度 =881kg/m 3,体积弹性模量E = c 2=1443.4304MPa;管道参数为:l =2l 1=2l 2=10.8m,d =1.60cm;Q 3p 3=G 3(s)=V S /E ;末端阀门关闭,产生负的流量阶跃扰动.计算点以距管道末端x /l 分别为0,0.25,0.5,0.75共4个位置.为了便于数据处理,仿真结果为无量纲值p x /(ZQ 2)(其中,Q 2为管2末端稳态流量).图8 计算模型用Matlab 工具Simulink 进行仿真,微分方程采用Adams 算法,扰动为负阶跃函数.将管道离散成16段(各8段)进行计算,计算结果如图9所示.时间轴取无量纲值t/t,t =l/c .将计算结果与文献[3]中结果相比较可知(即近似解析结果与实验结果相比较),时域波形相似,冲击峰值及峰值时间吻合,由此证明本文建模方法是正确的.对于管道,分段数愈多时,精度愈高.取n =16时,无论是谐振峰值还是衰减过程都与文献中的结果非常接近.但分段数过多时,模型环节增多,累积误差增加,计算时间也延长,实际应用时应视精度要求而定,一般取 x =∃/10即可满足工程要求(∃为最高频率的波长).a !x /l =0;b !x /l =0 25;c !x /l =0 5;d !x /l =0 75图9 计算结果175第2期 贺尚红,等:管道流体的瞬态仿真模型采用式(6)的近似表达式计算N,当管道分段数多时模型较复杂,仿真时间延长.采用(5)式计算时,对于阶跃扰动,解析结果与实验结果差别不大.这是因为激励为阶跃函数,其频谱集中在低频,谱线高度随频率增加而显著降低,其趋势与(5)和(6)式所体现的趋势相同.(5)和(6)式在低频段相差很小,因此,仿真结果接近.在工程实践中,对于低频扰动,在一般情况下采用N=1+!s更利于工程应用,且精度可得到保证.此外,作者还对压力输入扰动及终端为∀质量!弹簧!阻尼#边界条件的管道系统进行了仿真,仿真结果与有关实验和近似解析结果相吻合.4 结 论a 离散化管道模型与其他模型相比,与各种边界条件的耦合简便易行,便于工程实现.b 离散化管道模型以框图或信号流图形式表示,可利用成熟软件工具进行仿真和分析,便于工程应用.c 管道分段数太少时精度低,过多时模型复杂,取 x=∃10可较好满足实际需要.如无特殊需要,N的表达式可取为N=1+!s,以使模型合理简化.[参考文献][1] Goodson R E,Leonard R G.A survey of modeling techniques forfl uid li n e transients[J].Journal of Basic Engineeri ng,1972,94(2):474~482.[2] Hullenderm D A,Healey A J.Rational polynomial approximationsfor fluid transmissi on line models,fluid transmis sion line dynam i cs[M].New York:AS M E S pecial Publication,1981.[3] 山口健二,市川常雄.油压管路 油击作用 过渡应答[J].日本机械学会论文集,1998,38(306):329~339.[4] Streeter V L,Wylie E B.Hydraulic transi ents[M].New York:M cGraw Hill,1967.[5] Trikha A K.An efficient method for simulating frequency dependent friction i n transient liquid flow[J].ASM E Journal of FluidEngineering,1975,1:97~105.[6] Boucher R F,Kitsiors E E.S i mulation of fluid netw ork dynam i csby transmission line model ling[J].Proc IM ech E,1986,200(C1):21~29.[7] M argoli s D L,Yang W C.Bond graph models for fluid netw orksusing modal approximation[J].ASM E Journal of Dynamic S ystem,M easurem ent and Control,1985,107(9):169~175.[8] 贺尚红,李培滋.FFT在液压管道系统瞬态仿真中的应用[J].长沙交通学院学报,1990,6(4):17~24.[9] Viersma T J.Anal ysis,s ynthesis and desi gn of hydrauli c servosystems and pipelines[M].Cambridge:Cambridge UniversityPress,1980.The transient simu lation model of hydraulic pipelin esH E Shang hong1,2,ZH ON G Jue1(1 College o f M echanical and Electr ical Engineering,Cent ral South U niversity of T echnolog y,Changsha410083,China;2 Department of M echanical and Electr ical Eng ineering,Changsha Communications U niversity,Changsha410076,China)[Abstract]By discretizating fluid pipeline,a frequency dependent model which is convenient for simulation of hydraulic pipeline systems is established.The model represents the distributing characteristics of pipeline by net w ork,and can couple w ith all kinds of boundary conditions.Several coupling methods for boundary conditions such as lumped elements and ex ternal disturbance are investigated in detail.A pipeline system w ith lumped vol ume is simulated,and the simulated results are in good agreement w ith ex periments and approximate analytic re sults.Finally,the influences of N and the discretization number of pipeline on simulation are discussed,and some practical conclusions of engineering applications are draw n.[Key words]hydraulic oil line;tydraulic transm ission;hydraulic simulation;hydraulic flow modelling;hy draulic transient analysis176中南工业大学学报 第31卷。

- 34 -高 新 技 术天然气是重要的生产和生活能源，确保天然气供给的安全和效率具有十分重要的意义。

但是在连续的供给过程中，天然气管道会出现积液和杂质沉淀，从而阻塞管道内径[1]。

在阻塞情况不严重的情况下，天然气管道有效截面积会变小，从而降低天然气的供给效率。

在阻塞严重的情况下，天然气管道可能被完全堵塞，天然气无法通过、气压不断增高，甚至可能引发爆管等危险事故[2]。

该种情况下，必须对天然气管道进行清管处理，以确保天然气的供应安全和供应效率。

但是，天然气清管操作会受很多因素的影响，如果天然气供给管道自身落差较大，清管器工作时的冲击会对管道造成更大影响[3]。

因此对天然气管道清理过程进行深入细致的分析，构建对应的数学模型，进而对相关因素的影响进行仿真验证，对提升清管效果具有重要的实践价值。

1 天然气管道模型构建为了建立天然气管道清理模型，需要先设定一个涵盖更多可能实际情况的天然气管道物理模型，进而从数学角度对清管过程建立一个瞬态模型。

1.1 天然气管道的物理模型涵盖更多可能实际情况的天然气管道的物理模型，如图1所示。

根据图1可知，管道内部的情况分为4类区域。

第一区间，是一个气体液体多相流动的区间，也是新旧气液相态转换、新气液相态的再生区间。

第一区间的下方是液体积存区域。

第一区间的上方是传输的天然气混合气体。

2个区域之间存在一个边界，边界是动态变化的。

随着管道内、外条件的变化，气态物质中会析出液态物质，液态物质中也可能析出部分气态物质，气、液2种物质不断地动态演化，并在动态过程中达成平衡。

第二区间，是一个纯气体流动的区间。

该区间中没有液体积存，是单纯的天然气混合气体。

第三区间，是液体积存阻塞区间，也是清管要处理的重点区间。

在该个区间中，液体积存面积大，形成了较严重的阻塞，上方气体区间变窄。

在清管过程中，清管球一般放置在第二区间和第三区间的衔接处，在清管球的作用下，液体流动速度较大。

第四区间，是液体积存消除渐进区间。

管道气体瞬态流动模型研究近年来，随着工业技术的不断发展，管道气体瞬态流动模型的研究成为了热门话题。

在工业生产中，管道气体的瞬态流动对于系统的稳定运行和安全性具有重要影响。

本文将以管道气体瞬态流动模型的研究为主题，探讨其背景、研究方法和应用前景。

一、背景介绍管道气体瞬态流动是指气体在管道中由于外界因素的变化，如阀门开闭、压力波动等引起的瞬时流动过程。

瞬态流动过程具有非线性、复杂性和不可逆性等特点，对于研究和控制管道系统具有重要意义。

在石油、化工、能源等领域，管道气体瞬态流动模型的研究成果能够为系统的优化设计和安全运行提供理论依据。

二、研究方法研究管道气体瞬态流动模型的方法主要包括理论分析和数值模拟。

理论分析是通过建立数学模型和物理方程，对管道气体瞬态流动进行定量描述和分析。

数值模拟则是利用计算机模拟技术，通过离散化和数值求解，对管道气体瞬态流动进行仿真计算。

这两种方法可以相互结合，提高研究的准确性和可靠性。

三、应用前景管道气体瞬态流动模型的研究具有广泛的应用前景。

首先，在石油、化工等领域的管道系统设计和优化中，研究管道气体瞬态流动模型能够提供系统的动态特性和响应能力，为系统的运行和控制提供理论依据。

其次，在管道事故的预测和防范方面，研究管道气体瞬态流动模型能够提供事故发生的机理和预警指标，为事故的预防和处理提供科学依据。

此外，在新能源领域的气体输送和储存中，研究管道气体瞬态流动模型能够提供气体输送和储存的安全性和效率性评估，为新能源的开发和利用提供技术支持。

管道气体瞬态流动模型的研究对于工业生产和能源领域具有重要意义。

通过理论分析和数值模拟，可以深入研究管道气体瞬态流动的特性和规律，为管道系统的设计、运行和控制提供理论支持。

未来，随着工业技术的不断进步，管道气体瞬态流动模型的研究将会得到进一步发展和应用，为工业生产和能源领域的发展做出更大贡献。

管道流体的瞬态仿真模型作者：李斌刘明亚牟静郭健梅越民来源：《科技传播》2016年第11期摘要随着我国国民经济的高速发展，工业体系的日益完善。

管道输送体系在社会经济生活中逐渐扮演起重要角色，借助管道体系，诸如石油、天然气以及水资源等工业产生生活原料得以实现远距离的安全快速传输，在很大程度上满足国民经济的发展要求。

流体在输送过程中会出现力学方面的变化，因此对管道的支架以及连接装置会带来冲击，造成管道使用寿命与性能的降低。

本文旨在从管道流体瞬态研究的角度发出，在相关科学理论的支持下，进行瞬态仿真模型的科学构建，以期满足社会经济发展对于管道运输与建设的要求。

关键词管道；流体力学；瞬态；仿真模型中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）164-0183-01在流体力学上，瞬态与密度、温度、速度等稳态相对，其基本状态与技术参数会在某一时刻，在某些因素的作用下发生极为明显的变化。

以开关自来水阀门为例，当我们忽然关闭自来水阀门时，会明显感受到管道的振动，在力学上我们将其称之为水锤现象[1]。

之所以会出现这一情况，是因为管道里的流体状态忽然发生改变，使得内部的压力分布情况发生改变，压力分布出现不均衡的现象，压力在外传递的过程中，会对管道本身产生一定的冲击力，冲击力在瞬时会呈现出惊人的数值，进而对管道系统的稳定性与使用性能，造成一定程度的破坏。

因此对于管道流体的瞬态研究就有着十分重大的现实意义。

1 管道流体瞬态仿真模型构建的意义管道流体瞬态仿真模式是研究管道内流体传输与瞬态变化的有效工具，借助于流体瞬态仿真模型，我们能够对管道内部的受力情况与变化规律进行全面科学把握。

并在此基础上，对管道进行相应调整，在提升管道使用寿命，保证管道正常运作的同时，也能够在一定的程度上增强我国流体力学研究水平，促进相关企业的健康发展。

1）管道流体瞬态仿真模型的构建能够有效提升我国在管道运输体系设计与建设方面的能力。

两相流管道仿真教程利用FLUENT对两相流管道内流场进行数值仿真，有如下步骤：1，利用Gambit软件，打开软件界面如下图：2，建立模型的几何文件：直接建体模型，如下图所示，管道圆柱形，长为5000mm，半径为500mm3，划分边界层网格：设置边界层首层厚度为2mm，其增长比率为1.2，层数为4，选择边界层施加面为face2，即为管道圆柱面4，划分体网格：对管道实体进行网格划分，可以直接对其进行体网格划分，选择管道实体volume.1，其他设置如下图所示，网格的IntervalSize可以设置为10，点击ApplR划分出的管道体网格以及边界层网格如上图所示5，设置入口边界条件，设置进口名称为Inlet ，类型为速度进口，面为Face.1，具体设置如下图所示：如下图所示：为face.2，如下所示：9，打开FLUENT软件，进行计算设置：首先设定单位为mm，如下图所示：10，设置操作环境，操作压强为101325帕，设置重力加速度为R向为-9.8111，设置两相流模型：选取混合相模型，这里将固体颗粒相当做欧拉相进行研究，相数位2，如下图所示：12，选择湍流模型，根据管道模拟的实际情况，选取S-A湍流模型13，设置仿真材料，定义液相材料为水，参数为默认14，设置固体颗粒相计算材料，具体设置参数如下图所示：得到的材料栏的设置情况为15，对相进行设置，主相位水，选择材料为液态水，如下图所示：第二相为固体颗粒相，设置如下：16，设置两相之间的相互作用，采用默认设置，如下图所示：17，设置进口边界条件，如下图所示，类型为速度入口，此处也可以更改为其他的边界类型。

注意此处的相定义的是混合相设置速度入口边界如下，更改水力直径为1000mm，即为入口的直径值。

18，设置主相的进口边界如下，相改为水设置进口处主相水的速度矢量为0.5m/s，19，设置第二相的进口边界如下，相改为颗粒对颗粒相的速度进口进行设置，速度值设置与液相一致，也为0.5m/s，另外要设置进口处的颗粒相的体积分数，体积分数为0.6，体积分数设置如下图所示：20，出口边界条件设置。

两相流管道仿真教程利用FLUENT对两相流管道内流场进行数值仿真，有如下步骤：1，利用Gambit软件，打开软件界面如下图：2，建立模型的几何文件：直接建体模型，如下图所示，管道圆柱形，长为5000mm，半径为500mm3，划分边界层网格：设置边界层首层厚度为2mm，其增长比率为1.2，层数为4，选择边界层施加面为face2，即为管道圆柱面4，划分体网格：对管道实体进行网格划分，可以直接对其进行体网格划分，选择管道实体volume.1，其他设置如下图所示，网格的Interval Size可以设置为10，点击Apply划分出的管道体网格以及边界层网格如上图所示5，设置入口边界条件，设置进口名称为Inlet ，类型为速度进口，面为Face.1，具体设置如下图所示：如下图所示：为face.2，如下所示：8，输出网格文件：如下图所示9，打开FLUENT软件，进行计算设置：首先设定单位为mm，如下图所示：10，设置操作环境，操作压强为101325帕，设置重力加速度为Y向为-9.8111，设置两相流模型：选取混合相模型，这里将固体颗粒相当做欧拉相进行研究，相数位2，如下图所示：12，选择湍流模型，根据管道模拟的实际情况，选取S-A湍流模型13，设置仿真材料，定义液相材料为水，参数为默认14，设置固体颗粒相计算材料，具体设置参数如下图所示：得到的材料栏的设置情况为15，对相进行设置，主相位水，选择材料为液态水，如下图所示：第二相为固体颗粒相，设置如下：16，设置两相之间的相互作用，采用默认设置，如下图所示：17，设置进口边界条件，如下图所示，类型为速度入口，此处也可以更改为其他的边界类型。

注意此处的相定义的是混合相设置速度入口边界如下，更改水力直径为1000mm，即为入口的直径值。

18，设置主相的进口边界如下，相改为水设置进口处主相水的速度矢量为0.5m/s，19，设置第二相的进口边界如下，相改为颗粒对颗粒相的速度进口进行设置，速度值设置与液相一致，也为0.5m/s，另外要设置进口处的颗粒相的体积分数，体积分数为0.6，体积分数设置如下图所示：20，出口边界条件设置。

管道气体瞬态流动模型研究管道气体瞬态流动模型是指研究管道内气体在短时间内非稳态运动过程的数学模型。

在实际工程应用中，往往需要研究气体在管道中瞬间加速或减速、管道阀门突然关闭或开启、管道中发生爆炸或撞击等突发情况下的气体流动行为，而这些情况下气体流动不再处于稳态，需要使用瞬态流动模型进行分析与预测。

研究管道气体瞬态流动模型主要涉及热力学、流体力学、传热学等学科领域的内容。

其中，热力学对气体状态参数的计算提供了基础；流体力学研究了气体在管道内的运动规律与力学特性；传热学则着重于气体在管道内热传递过程的计算等。

研究管道气体瞬态流动模型有以下主要目的：
1.分析管道内气体在瞬时情况下的流动特性、压力变化等，预测管道系统中可能出现的问题。

2.优化管道气体输送系统的设计方案，提高输送效率和安全性。

3.针对特定工况下的管道气体运动行为进行系统分析，以便为相关机构制订应急预案提供科学依据。

总之，管道气体瞬态流动模型的研究在工程领域中具有重要的应用价值，能够为相关领域的开发与实践提供有力的理论支撑。