【摘 要】
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有压管道系统作为城市建设的重要组成部分,在市政给水、排水、供热等多个方面发挥着举足轻重的作用。随着管道材质的多元化发展,越来越多的粘弹性管道被应用于实际工程中。而我国对于粘弹性管道瞬变流的了解还不够深入,正确认识粘弹性管道系统的水力瞬变特性,对有压管道系统的安全运行有着重要意义。本文对粘弹性管道瞬变流的研究从理论和模拟两个角度出发,分析雷诺数大小和管道长度对于瞬变流压力波动及能量耗散的影响。首先,
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有压管道系统作为城市建设的重要组成部分,在市政给水、排水、供热等多个方面发挥着举足轻重的作用。随着管道材质的多元化发展,越来越多的粘弹性管道被应用于实际工程中。而我国对于粘弹性管道瞬变流的了解还不够深入,正确认识粘弹性管道系统的水力瞬变特性,对有压管道系统的安全运行有着重要意义。本文对粘弹性管道瞬变流的研究从理论和模拟两个角度出发,分析雷诺数大小和管道长度对于瞬变流压力波动及能量耗散的影响。首先,对粘弹性管道瞬变流一维和二维的基本微分方程进行数学推导,在推导过程中引入描述粘弹性管道力学特性的广义Kelvin-Voigt力学模型,利用特征线法对一维拟稳态摩阻模型、非稳态摩阻模型以及准二维模型进行数值求解,构建一维和准二维粘弹性管道瞬变流模型。其次,将文献中的实验参数分别代入到3个粘弹性管道瞬变流模型当中,模拟瞬变流的压力波动及应变波动情况。随后将数值模拟结果和实验结果进行对比,通过对瞬变流模型模拟的压力、应变以及非稳态摩阻对系统压力衰减的贡献情况进行分析,明确三种瞬变流模型模拟结果的准确性。通过对比发现,准二维粘弹性管道瞬变流模型模拟结果的幅值、相位和实验数据的吻合程度最高,所以可以利用准二维瞬变流模型来比较准确的描述粘弹性管内的瞬变流波动情况。最后,为了研究不同雷诺数以及管道长度对粘弹性管道瞬变流的影响,对准二维瞬变流模型的模拟结果从能量变化、压力变化以及应变变化3个方面来分析。利用准二维瞬变流能量计算方法,对粘弹性管道内部的能量变化情况进行整体性分析,分析的能量主要包括管道本构特性做功、摩阻做功、瞬变流的内部能量和动能以及管道入口处的能量。此外还对瞬变流压力波动和延迟应变与总应变的比值进行分析。分析后可得出结论:当雷诺数增大时,粘弹性管道本构特性做功、摩阻做功、流体的动能、内部能量以及管道入口处的能量都会增大,瞬变流的机械能整体上呈下降趋势;延迟应变与总应变在极值处的比值并不会随着雷诺数大小的变化而改变;准二维瞬变流模型模拟的峰值压力会相应增大。管道长度增加时,粘弹性管道的本构特性做功和摩阻做功的数值都会增大,有压管道系统的动能、内部能量以及管道入口处的能量也都会增长,机械能总体呈衰减趋势;延迟应变与总应变极值处的比值会增大;压力波动的周期会增大,每个波峰和波谷处压力的持续时间也会相应的增长,管道的长度并不会对瞬变流模拟的最大压力产生影响,不同管长的瞬变流模拟的压力最大值都是相同的。
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