积鼎CFD VirtualFlow：长距离管道输水工程中的有压充水仿真模拟

0. 简介

长距离输水工程由于其管线较长，对整条管线进行充放水往往需要十几天甚至几十天才能完成，充放水快慢将对整个工程的进度产生直接影响。长距离管道充放水过程是有压的，而有压充放水是一个复杂的水气两相瞬变流动过程，内部流态流型多变，管道内压力、流量波动大，直接关系到输水系统运行安全，因此，为了实现安全快速充水，通常会在管道适宜位置设置排气孔，使空气快速排出，尽量减少气对管道充水的影响。

VirtualFlow管道两相流流动

对于有压管道水气两相流可进行的研究方法有数值模拟以及物理模型试验，数值模拟方法因具有简洁的操作方法和较小的经济与时间成本等优点被广大研究者接受，成为目前的主流研究手段之一。VirtualFlow在管道多相流方面应用较多，积累了丰富的管道仿真经验。

1. 几何模型建立

假设上游水库向下游水库充水，上游水库水面高程为7m，下游水库水面高程为0.35m，上下游坡度最大高度差不超过1m。管线长度为100m，管道内径为0.34m，距离上游水库85m处设置一排气孔，排气口内径为0.1m。具体的几何模型的大小及布置如图所示。

几何模型示意图（红色为水，蓝色为空气）

2. 仿真方法

为了验证仿真结果的准确性，和某商软进行了对比分析，其主要设置方法如下：

3. 仿真结果

两个软件在不同时刻的整体流动过程对比如下：

重点观察排气孔附近的流动情况，两个软件对比如下：

图1 VirtualFlow结果

图2 商软计算结果

在计算过程中，为了观察排气孔处的压力变化，在排气孔对应的管道底部创建了一个监测点，用来监测管道底部的压力随时间的变化，如下图所示。

图3 排气孔处管道底部的监测点压力随时间的变化

总体上，两个曲线吻合度较高，验证了VirtualFlow计算结果的准确性。

需要注意的是，由于排气孔的影响，在10s左右出现压力的突变，并且商软峰值压力的持续时间比VirtualFlow长，主要原因是商软对自由液面模型进行了简化，它忽略了气体的流动，气体仅有一个正向压力作用在液体表面，气体中的压力梯度和剪应力是忽略的。VirtualFlow仿真时完全考虑了空气对自由液面的影响，和水在管道形成了不同的流型，如气泡流、塞状流，分层流。

4. 总结

1) VirtualFlow的计算效率更高。VirtualFlow的网格数是74784，单线程计算时间为200s。而商软的网格数为143350，单线程计算时间为550s。VirtualFlow用较少的网格实现了更快速计算。

2) 两个软件都采用的是笛卡尔网格，从网格划分的角度来说，VirtualFlow更便捷。（链接之前的文章）

3) 商软对自由液面的描述是经过优化的VOF方法实现的，此方法只计算含有液体的单元而不考虑含气体的单元，一定程度上减少了模型收敛所需的时间，但这种方法似乎不适用于有压管道充水场景。

审核编辑 黄宇