粘弹性管道水力瞬变动力学行为及流固耦合机制研究

Hydraulic transient analysis in viscoelastic pipes is a vital component to ensure the safe operation of water supply pipeline system. Based on the constitutive model and friction models of the pipes, the viscoelastic models are established. The research adopts both numerical simulation and experimental calibration to validate the accuracy of the viscoelastic models. And the multifactor sensitivity analysis method is used to confirm the main parameters affecting characteristics of transient pressure fluctuation in viscoelastic pipes. Through both dimensional analysis and frequency domain analysis of the governing equations, the relationship of the main parameters, which both constitutive characteristics and friction resistance of pipes influence on hydraulic transient mechanical behaviors of viscoelastic pipes, are determined. Then, the prediction model of hydraulic transient mechanical behaviors of viscoelastic pipes is established. That model is capable of describing the influence of both constitutive properties and friction resistance of pipes on the main characteristics of transient flow pressure fluctuation in viscoelastic pipes, and predicting hydraulic transient mechanical behaviors of viscoelastic pipes directly. Finally, from the view of the coupling mechanism of fluids and viscoelastic pipes, the influence of both constitutive characteristics and friction resistance of pipes on the main characteristics of transient flow pressure fluctuation in viscoelastic pipes is illustrated. The results provide the theoretical foundation to understand and acknowledge the transient flows in viscoelastic pipes.

粘弹性管道瞬变流分析是保障给水管道系统安全运行的重要环节之一。本项目基于管道本构模型和摩阻模型，构建粘弹性管道瞬变流模型，通过数值模拟及实验校核相结合的方法，验证所建立的瞬变流模型的准确性。采用多因素敏感性分析方法，确定影响粘弹性管道水力瞬变动力学行为的主要参数。通过量纲分析和频域分析方法，确定管道本构特性和管壁摩阻对粘弹性管道水力瞬变动力学行为影响的主要参数之间的关系，从而构建粘弹性管道水力瞬变动力学行为预测模型，用于直观地描述管道本构特性和管壁摩阻对粘弹性管道瞬变流压力波动主要特征的影响，并直接预测粘弹性管道水力瞬变动力学行为。最后，从管内流体与粘弹性管道之间流固耦合作用的角度，阐明管道本构特性和管壁摩阻对粘弹性管道水力瞬变动力学行为的影响规律，为进一步理解和认识粘弹性管道瞬变流提供理论依据。

近些年，供水管道系统中高分子聚合物管道在我国迅猛发展，逐渐成为城市供水系统的“主力”。这类管道力学性质不同于金属管道，其在恒定应力作用下既表现出弹性力学行为又表现出粘性力学行为，因此称其为粘弹性管道。由于粘弹性管道的本构特性，当给水管道系统中因阀门突然启闭或水泵突然启停而发生水力瞬变时，其动力学行为不同于弹性管道。与弹性管道相比，粘弹性管道瞬变流压力波的波速更小且波动衰减更快，这对给水管道系统压力波动的控制提出了新的要求。因此，本项目研究粘弹性管道系统的水力瞬变动力学行为及阐明其演化过程中流固耦合机制具有十分重要的科学意义。本项目主要开展了管道本构特性和管壁摩阻对于粘弹性管道水力瞬变动力学行为影响的参数确定、影响分析及流固耦合作用三部分的研究工作，具体包括①构建粘弹性管道瞬变流模型；②水力瞬变动力学行为影响参数的确定；③基于设计实验的模型参数校核及验证研究；④基于量纲分析和频域分析的压力波耗散研究；⑤基于能量转换分析的理论机理研究；⑥粘弹性瞬变流参数辨识模型研究；⑦管道粘弹性对气液两相瞬变流动的影响研究；⑧管道本构特性和管壁摩阻的影响分析研究。本项目所建立的准二维粘弹性管道瞬变流模型可大幅提高计算精度，推导了基于不同摩阻模型的粘弹性管道瞬变流模型的能量转换方程并进行数值分析，结果表明，管内水温在25℃~40℃范围内，非稳态摩阻模型对压力波的耗散作用较小，可以采用拟稳态摩阻模型计算瞬变流压力波动，这对于不同情况下的模型选择提供了指导；不同水温下管道瞬变流数值计算及理论分析发现，管道粘弹性对压力波衰减过程所发挥的作用随流体温度升高而增加，管道粘弹性会加快管道瞬变流压力波动过程中的能量衰减，这为粘弹性管道水力瞬变动力学行为机理的研究提供了新的思路与技术支持。基于本项目的资助，共发表论文6篇，其中第一作者发表SCI论文2篇，EI会议论文1篇，授权实用新型专利4项；培养硕士研究生3名。