基于Steger-Warming FVS 的长管道气液两相瞬变流计算及其水锤的气阀防护研究

The studies on gas liquid two-phase transient flow in the long pipeline system with pump baseed on Steger-Warming FVS (flux vector spiltting) are carried on in this topic,by theroetical study, numerical simulation and experiment analysis. The pressure in the long pipeline that might resilt from power failure in the pumping system will fall down,thus causing to vaporization even column separation. The formation mechanism of two-phase transient flow will be discussed. The control equations of gas liquid two-phase transient flow including the influence of two-phase interface mass exchange,cavity ratio change,and changealbe wave volocity can be calculated. The Steger-Warming FVS method and NND format are hybrided to form finite differential format that is stable and capable of capturing the shock wave of two-phase transient flow auomatically and accurately.The mass flow characters of air-valve are studied by experiments to form the curves of air mass flow and pressure of air valve. The experiments show the influence of location and dimension of air valve on water hammer protection. A newly-type air valve is studied and suggested to overcome some shortcomings of the former air valve. The studies of this project are important reference of theory and foundation of gas liquid two-phase transient flow in the long pipeline system with pump. The water hammer protection is used to improve the safety and relaibility of the long pipeline system with pump and to get the greatest economic and social benefits.

本课题拟通过理论研究、数值计算和实验分析，进行泵系统特别是带长管道的泵系统气液两相瞬变流及其水锤的气阀防护研究。旨在研究长距离管道中泵突然失电导致的管道中压力下降液体产生汽化后形成气液两相流的运动机理，推导管道中考虑相间质量交换、空穴变化率及其带来的变波速的气液两相瞬变流控制方程；将Steger-Warming FVS(矢通量分裂法)和NND格式相结合，构成一种能自动准确地捕捉到两相瞬变流中的激波的差分方法；建立与实际吻合的气阀的质量流量方程,通过实验研究空气阀的过流特性，即空气质量流量和压力之间的关系；从而确定空气阀的安装位置和口径对于水锤防护的影响，提出和研究新型的动力式的水锤防护气阀。本项目研究为长管道泵系统气液两相瞬变流及水锤的气阀防护研究提供理论依据和基础，从而保障长管道泵系统设备的安全可靠运行，获得最大的经济效益与社会效益。

本课题在计算长管道气液两相瞬变流时，选取了双流体模型进行构建数学模型，在验证该模型的数学上的无条件双曲型的基础上，引进了相间质量变化及气液两相交界面间的相互作用来具体描述整个瞬变过程。在数值方法上选用了Steger-Warming FVS和NND格式相结合的差分算法，用以来求解这个流动区域的瞬变过程，在通过与辛普森关阀实验，代尔夫特大学实验室实验、武汉大学长平管路离心泵断电实验的数据对比，得到以下结论：1.对于气液两相流双流体模型，将Steger-Warming FVS和NND格式相结合的差分算法，运用到方程组的求解中去，可以很好的保证其求解的稳定性及求解精度；2.通过相间浓度变化，并结合菲克第一定律、亨利定律推导了两相流中相间空气释放的质量变化方程，并引入了空化计算模型，以此来更佳全面的描述相间的质量变化，此公式提出及应用对泡状气液两相流动的瞬变特性模拟具有很好的应用意义；3.计算中采用了特征线法（MOC）与NND算法进行比对，可以看出NND算法具有更广阔的应用范围，尤其是在相间质量变化明显的瞬变流动过程中，NND算法可以保证很好的计算精度；4. 通过数值计算结果与实验数据的对比，可得到采用气液两相流双流体模型，在考虑相间质量变化及相间交界面的作用，并采用Steger-Warming FVS和NND格式相结合的差分算法这一方法，可以很好的对管道内气液两相流的瞬变过程进行模拟、预测及分析，在其压力响应及振幅的精度的保证下，对工业管道内安全预测及防护具有很好的参考意义。同时对于气阀防护方面也做了相关的研究。