液体管道实时仿真与动态响应分析
流体仿真实验报告
一、实验目的1. 了解流体仿真的基本原理和方法。
2. 学习流体仿真软件的操作和功能。
3. 通过仿真实验，验证流体力学理论，提高对流体流动现象的认识。
4. 掌握流体仿真在工程实际中的应用。
二、实验原理流体仿真实验主要基于流体力学理论，运用计算机模拟流体在特定条件下的流动过程。
实验中，需要根据流体流动的特点，选择合适的仿真模型和参数，通过数值计算方法求解流体流动方程，得到流体流动的分布和特性。
三、实验软件及设备1. 软件名称：Fluent2. 设备：计算机、显示器、键盘、鼠标等。
四、实验内容1. 仿真实验一：层流和湍流的对比（1）实验目的：验证层流和湍流的流动特性。
（2）实验步骤：1）建立层流模型，设置参数，进行仿真计算；2）建立湍流模型，设置参数，进行仿真计算；3）对比层流和湍流的流动特性，分析结果。
（3）实验结果：层流：流体流动平稳，流速分布均匀；湍流：流体流动复杂，流速分布不均匀，存在涡流和湍流脉动。
2. 仿真实验二：流体在圆管中的流动（1）实验目的：研究流体在圆管中的流动特性，验证达西-韦斯巴赫公式。
（2）实验步骤：1）建立圆管模型，设置参数，进行仿真计算；2）对比理论计算和仿真结果，分析误差；3）验证达西-韦斯巴赫公式。
（3）实验结果：理论计算和仿真结果基本一致，验证了达西-韦斯巴赫公式的准确性。
3. 仿真实验三：流体在弯管中的流动（1）实验目的：研究流体在弯管中的流动特性，分析局部阻力系数。
（2）实验步骤：1）建立弯管模型，设置参数，进行仿真计算；2）对比理论计算和仿真结果，分析误差；3）分析局部阻力系数。
（3）实验结果：理论计算和仿真结果基本一致，局部阻力系数与理论值相符。
五、实验结论1. 通过仿真实验，验证了流体力学理论在工程实际中的应用价值。
2. 掌握了Fluent软件的操作和功能，提高了流体仿真的能力。
3. 对流体流动现象有了更深入的认识，为今后的学习和工作打下了基础。
六、实验体会1. 流体仿真实验是一种有效的科研手段，有助于我们更好地理解流体力学理论。
液压输油管道力学特性仿真分析
液压输油管道力学特性仿真分析一、前言随着石油、天然气等重要能源的开发和利用，液压输油管道的应用越来越广泛。
输油管道的安全与运行稳定对于保障人民生命财产安全以及保障国家经济安全至关重要。
因此，深入了解和分析液压输油管道的力学性质具有重要的理论和实际意义。
二、液压输油管道力学特性分析液压输油管道力学特性主要包括受力特性、变形特性以及稳定性特性。
通过数值仿真方法可以有效地模拟液压输油管道的受力、变形和稳定性。
1. 受力特性分析液压输油管道在运行过程中，会受到外部载荷的作用，例如地震、风荷载、自重荷载等。
因此，对于液压输油管道来说，研究其受力特性是非常重要的。
通过数值仿真方法可以对液压输油管道在不同外载荷作用下的受力情况进行模拟分析，进而预测输油管道的受力状态，以便调整管道结构以提高其受力性能。
2. 变形特性分析输油管道在运行过程中，容易受到外力的作用从而发生变形，特别是当管道出现局部变形时，特别容易导致管道破裂或漏油情况的发生。
因此，了解液压输油管道的变形特性是非常重要的。
通过数值仿真方法可以准确计算出管道的变形情况，并进一步分析管道的稳定性，为管道结构的改进提供了科学的依据。
3. 稳定性特性分析输油管道在运行过程中，容易受到液流作用的影响，而流体的作用力会使得管道变形或者偏移，甚至导致管道的破裂或者漏油。
稳定性特性分析是研究输油管道在流体作用力下的稳定性情况，进而可以优化管道结构设计，加强管道的稳定性。
三、液压输油管道力学特性数值仿真数值仿真是一种计算机辅助设计方法，在输油管道的力学特性分析中，数值仿真方法十分重要。
常用的数值仿真方法主要有有限元法、网格法、边界元法等。
在具体分析中，可以根据对分析问题的理解以及所掌握的仿真方法的优势来合理地选择数值仿真方法。
下面以有限元法为例，对液压输油管道力学特性的数值仿真方法进行分析。
1. 有限元法基本原理有限元法是以微分方程为基础的计算方法，通过将大物体分割成能够用简单形状描述的小单元，然后针对每个小单元作微分方程求解，最后得到整个物体的受力、变形情况。
输流管道流体结构互动响应研究
Ａｂ ｔａ ｔ Ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ０ ｒ ｅ ｕ ｔ ｎ ｍｏ ｅ ｄ ｓ ｒ ｉ ｇ ｔ ｅ ｆ ｉ ｔ ｕ ｔ ｒ ｎ ｅ ａ ｔ ｎ （ Ｓ ）ｉ ｘ ａ ｖｂ ａ ｉ ｎ ｆ ｒ ｌ ｕ ｄ— ｓｒ ｃ ： ａ ｅ ｎｔ ｅｆｕ — ｑ ａｉ ｄ ｌ ｅ ｃｉ ｎ ｈ ｌ ｄ ｓｒ ｃｕ ｅｉｔｒｃｉ ｏ ｂ ｕ ｏ Ｆ Ｉ ｎ ａ ｉｌ ｉｒｔ ｏ ｉ ｉ ｏ ｑ
应 进 行 了数 值 仿真 计 算 。结 果表 明 ， 固耦 合 作 用 对 充 液 管道 振 动 响 应 有 较 大 影 响 。 ３种 耦 合 作 用 中， 擦 耦 合 影 流 摩
响较 小 ， 接 耦 合 与 泊松 耦 合 影 响 较 大 。针 对 气 液 两 相 流 动 ， 举 了 常 用 的 压 力 波 速 计 算模 型 ， 选 了合 适 的 波速 连 列 优 计 算 表 达 式 ， 析 了含 气 率对 压 力 波 速 的 影 响 ， 分 旨在 为 进 一 步 研 究 气 液 混 输 管 道 流 固 耦 合 振 动 提 供 一 定 的 理 论 指
（ ．Ｂ ｉｉｇ Ｋｅ ｂ ｒ ｔｒ ｆ Ｕｒ ａ ｌａ ｄ Ｇ ｓＤｉｔｉｕｉｎ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ １ ｅｊｎ ｙ Ｌａ ｏ ａｏ ｙ ｏ ｂ ｎ Ｏｉ ｎ ａ ｓｒｂ ｔｏ ｅｈ ｏｏ ｙ，Ｃ ｉａＵｎ ｖ ｒｉｙｏ ｔｏｅ ｍ ， ｈ ｎ ｉｅ ｓｔ ｆ Ｐｅｒ ｌｕ Ｂｅｊｎ ０ ２ ９ ｉｉｇ １ ２ ４ ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｎ ；２ ｉ ａ ．Ｃｈｎ ｔｏ ａ ｆｓ ｏｅＯｉ Ｃｏｐｏａ ｉｎＲｅｅ ｒｈ Ｃ ｎｅ ｉ ａＮａｉｎ ｌＯ ｆｈ ｒ ｌ ｒ ｒ ｔｏ ｓａ ｃ ｅ ｔｒ，Ｂｅｊｎ ０ ０ ７ ｉｉ ｇ １ ０ ２ ， Ｐ．Ｒ．Ｃ ｉａ；３ ｆｓ ｏ ｅ ｌＥｎ ｉｅｒｎ ｏ ｈｎ ．Ｏ ｆｈ ｒ ｇ ｎ ｅｉ ｇ Ｃ ．，Ｌｔ ，Ｔｉｎ ｉ ０ ４ １ Ｏｉ ｄ． ａ ｊｎ ３ ０ ５ ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈ ｎ ） ｉａ
脉动力作用下充液直管动态特性分析
脉动力作用下充液直管动态特性分析王孚懋;许宗岭;吴文兵;刘士杰【摘要】Flow field simulation of fluid-filled straight pipe was done using Fluent software. The feature of pressure changes in the pipe was analyzed under the condition of periodically varying initial velocity. Then, the model of one-dimensional fluid-structure coupling was established based on ANSYSWorkbench software. The characteristic of vibration modes of the pipe under the action of fluctuating pressure was analyzed. The influence of spacing of the pipeline’s supports on the vibration modes was also analyzed. Results of the study can be used as a reference for engineering design.% 运用Fluent对充液直管进行流场仿真，分析充液直管内流在周期性初速度条件下的压力变化特性。
运用ANSYSWorkbench单向流固耦合模块，分析充液直管在脉动压力作用下流固耦合振动模态特性，以及管道支撑间距对充液管道振动模态的影响，为工程设计提供参考。
【期刊名称】《噪声与振动控制》【年(卷),期】2013(000)002【总页数】4页(P11-14)【关键词】振动与波;充液直管;压力脉动;流场仿真【作者】王孚懋;许宗岭;吴文兵;刘士杰【作者单位】山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 266590;山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 266590;山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 266590;山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 266590【正文语种】中文【中图分类】TB533管道作为输送流体的绝佳设备，在石油化工、能源动力、市政工程等领域得到广泛的应用。
管道流体的瞬态仿真模型 (1)
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。
压力管道应力动态分析理论
02 压力管道应力动态分析理 论基础
材料力学基础
材料力学是研究材料在各种力和力矩 作用下的应力和应变行为的科学。它 为压力管道应力动态分析提供了基本 原理和计算方法，包括材料的弹性模 量、泊松比、剪切模量等参数的确定。
VS
材料力学还涉及到材料的强度理论， 例如最大剪应力理论、最大伸长线应 变理论和能量理论等，这些理论为压 力管道的强度设计和校核提供了依据。
意义
通过应力分析，可以优化管道设计，降低制造成本，提高设备运行效率，保障人员和财产安全。
应力分析的方法和步骤
方法
常用的应力分析方法包括有限元法、有限差分法和边界元法等数值分析方法，以及基于力学理论的解 析法。
步骤
应力分析通常包括前处理、求解和后处理三个步骤。前处理阶段涉及建立模型、设定边界条件和载荷 等；求解阶段通过数值方法计算管道应力；后处理阶段则是对计算结果进行评估和优化。
04 压力管道应力动态分析理 论与其他理论的关联
与流体力学理论的关联
流体力学理论在压力管道应力动态分析中起 着重要作用，特别是在流体流动和压力分布 的计算方面。流体的动力学和热力学性质对 管道中的应力分布和疲劳寿命有显著影响。
压力管道中的流体流动可能导致管道产生振 动和应力集中，这些因素进一步影响管道的 稳定性和安全性。流体力学理论提供了流体 动力学和热力学的基本原理，有助于预测和
压力管道应力分析的未来发展方向
方向1
随着数值计算技术和计算机技术的不断发展，未来应力分析将更加精确和高效，能够更 好地模拟管道的实际运行工况。
方向2
随着新材料和新工艺的不断涌现，未来管道材料的性能将更加优异，能够满足更高压力 和温度的要求。
方向3
随着智能化和远程监控技术的发展，未来管道应力分析将更加智能化和远程化，能够实 现实时监测和预警，提高管道运行的安全性和可靠性。
流体动力学仿真与优化分析
流体动力学仿真与优化分析流体动力学仿真是一门应用范围广泛的工程学科，通过数值计算方法模拟流体在不同条件下的运动和相互作用。
它通过数学模型和计算机模拟，研究流体的流动特性、性能参数以及优化设计方案。
本文将探讨流体动力学仿真与优化分析的重要性、方法以及在不同领域的应用。
一、流体动力学仿真的重要性流体在工程领域中的广泛应用使得流体动力学仿真成为非常重要的工具。
通过仿真可以快速准确地预测流体在复杂工况下的行为，为工程设计和优化提供科学依据。
无论是航空航天、能源、化工、汽车、建筑、环境，还是生命科学等领域，流体动力学仿真都扮演着不可或缺的角色。
例如，在飞机翼设计中，仿真可以帮助分析不同翼型的气动性能，为设计师提供有效的参考；在水泵设计中，可以仿真不同叶轮结构的液体流动状态，以降低能量损失。
因此，流体动力学仿真的重要性不言而喻。
二、流体动力学仿真的方法流体动力学仿真一般采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）方法。
CFD方法基于一组偏微分方程（Navier-Stokes方程）描述流体的运动和力学行为。
通过对这些方程进行数值离散和求解，可以得到流体在不同条件下的数值解。
常用的CFD软件有ANSYS Fluent、OpenFOAM等，它们利用有限体积、有限元和有限差分等数值方法，可以模拟流体流动的各种现象。
在进行流体动力学仿真之前，首先需要建立几何模型。
几何模型可以通过CAD软件绘制，也可以通过三维扫描仪获取实体数据进行后处理。
然后，在几何模型基础上，应用网格生成软件将流体领域离散化为网格。
网格的划分对仿真结果的准确性和计算效率有重要影响，需要根据流体流动特点和要求进行合理划分。
最后，选择合适的边界条件、流动模型和数值方法进行仿真计算。
在仿真过程中，可以根据需要对参数进行优化调整，以得到更合理的结果。
三、流体动力学仿真的应用流体动力学仿真在各个领域都有广泛的应用。
城市供水管道泄漏的COMSOL流体仿真分析
第2期（总第209期）2020年4月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGＮｏ．２ （Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．２０９）Ａｐｒ． ２０２０36城市供水管道泄漏的ＣＯＭＳＯＬ流体仿真分析王 文 明1,2，郭 建 强1，周 超 群1，张 继 锋2，黄 俊3，姚 望4[1.中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院，北京102249；2.清华长三角研究院，浙江 嘉兴314000；3.上海城建集团公司，上海200032；4.桐乡市凤栖市政工程公司，浙江 嘉兴314000]供水管网是城市赖以生存和发展的基础设施，其正常运行和有效工作已成为城市可持续发展的重要条件。
随着管线服役时间的增长，腐蚀、老化、第三方破坏等问题带来管道事故频发。
管线一旦发生泄漏，不但会造成水资源的浪费，引起巨大的经济损失，而且会影响到正常的工业生产和社会生活。
一般情况下， 城市供水管网可能延伸数千公里，管道泄漏，特别是中小泄漏较难监测。
因此，如何快速可靠检测泄漏，并定位泄漏点，从而实现管线维修，是保障城市供水管网顺利运行的重要环节。
在国际范围内，研究人员开发众多管道泄漏检测技术。
例如，基于被动式激励检测法的管道外检测，有瞬态模型法、音听检漏法、相关分析检漏法、超声导波检漏法、红外线照相法、示踪气体探测法、质量平衡法、负压波法等[1-2]；基于无损检测（Non-destructive Testing，NDT）的管内检测，常用的传感器包括声学、超声波、漏磁通和涡流传感器等[3-5]。
由于管内检测不受管外环境的影响，所以检测收稿日期：2020-01-06基金项目：嘉兴市科技计划项目“水质检测方法与检测机器人的设计与研究”（2018AY11016）第一作者简介：王文明（1981—），男，副教授，博士，研究方向为管道机器人检测技术、人工智能技术、连续油管技术。
摘要：为了掌握城市供水管道的泄漏特点，运用COMSOL Multiphysics 软件，对不同泄漏孔径（2 mm、4 mm、6 mm）的管道进行流体动力学模拟，用以分析泄漏管道及泄漏口处的压力和流量变化规律。
[油气储运网]SPS管道动态分析软件资料
第三部分 与TLNET、TGNET的比较
二、介质要求宽
TLNET、TGNET通常用于计算牛顿流体管
道。对于计算我国部分油田高凝、高粘原油管
道的误差较大。
SPS软件有完善的非牛顿流体模块。其中
包含了宾汉姆流体在内的一系列非牛顿流体选
项。另外SPS软件还包含了结蜡模型。
2018/12/28
15
第三部分 与TLNET、TGNET的比较
15）管道自控系统的模拟
16）管道停输再启动模拟
2018/12/28 7
第一部分 SPS软件简介
五、SPS的工程应用
1）苏丹原油管道工程初步设计 2）西气东输工程可行性研究 3）西气东输工程初步设计 4）兰州－成都－重庆成品油管道可行性研究
5）兰州－成都－重庆成品油管道初步设计
6）兰州－成都－重庆成品油管道施工图设计 7）东方－洋浦－海口输气管道工程初步设计 8）杭州－宁波天然气输气管道工程可行性研究
三、有完善的批次输送计算 TLNET也能进行批次计算并动态显示混油界 面。但不能模拟顺序输送过程中发生的混油现象， 也不能得出各混油段的混油量。
在顺序输送计算中，SPS考虑了油品之间的
混油现象，能计算出各混油界面的混油量，同时
能动态显示出各混油面随时间的变化情况。
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16
第三部分 与TLNET、TGNET的比较
四、元件多 在TLNET和TGNET中，对于液体管道没有 加热元件。对于调节阀， TLNET和TGNET中只 能靠人工事先设定调节系数，而不能由阀后压
力动态控制调节系数，从而调节阀后压力。在
压缩机的减压冷却及级间冷却
8）可研究压缩机的喘振对管道工况的影响
2018/12/28 4
管道流体仿真教程
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。
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维普资讯
第 ５ ９卷 第 ７期 ２０ ０ ８年 ７１ ５ Ｎ ｏ ．９ ．７
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液体 管 道 实 时仿 真 与 动态 响 应分 析
葛传 虎 ，王桂 增 ，叶 昊
（ 华 大 学 自动 化 系 ，北 京 １ ０ ８ ） 清 ０ ０ ４
摘 要 ：在 液 体 管 道 输 送 中 ，管 内流 动 状 态 的监 测 对 于管 道 运 行 具 有 重 要 的 意 义 。基 于 管 道 模 型 ，通 过 仿 真 方 法 研 究 了管 内 流动 状 态 预测 ，并 进 一 步研 究 了 管 道 边 界 条 件 对 仿 真 计 算 结 果 的影 响 。 理 论 分 析 和 仿 真结 果 均 表 明 ： 边 界条 件 直 接 影 响仿 真 的 输 出 波 形 ，并 且会 影 响 仿 真 的 动 态 特 性 。对 在 线 仿 真 而 言 ，采 用 压 力 作 为 边 界 条 件 可 以 获得 更快 的 响 应 速 度 ，从 而 可 以 提 高 基 于 实 时 仿 真 方 法 的 泄 漏 检 测 系 统 的 响 应 速 度 。所 得 结 论 对 基 于 实 时 模 型 的 泄 漏 检 测 方 法 中边 界 条 件 的 选 择 具 有 指 导 意义 。 关 键 词 ：管 道 ；模 型 ；边 界 条 件 ；仿 真 ；动 态 特 性
中图 分 类 号 ：Ｔ Ｐ１ 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０ ３ —１ （ ０ ８ ０ — １ ２ — ０ ４ ８ １７ ２ ０ ） ７ ６ ５ ６ ５
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