管道流体的瞬态仿真模型

李斌+刘明亚+牟静+郭健+梅越民

摘 要 随着我国国民经济的高速发展，工业体系的日益完善。管道输送体系在社会经济生活中逐渐扮演起重要角色，借助管道体系，诸如石油、天然气以及水资源等工业产生生活原料得以实现远距离的安全快速传输，在很大程度上满足国民经济的发展要求。流体在输送过程中会出现力学方面的变化，因此对管道的支架以及连接装置会带来冲击，造成管道使用寿命与性能的降低。本文旨在从管道流体瞬态研究的角度发出，在相关科学理论的支持下，进行瞬态仿真模型的科学构建，以期满足社会经济发展对于管道运输与建设的要求。

关键词 管道；流体力学；瞬态；仿真模型

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）164-0183-01

在流体力学上，瞬态与密度、温度、速度等稳态相对，其基本状态与技术参数会在某一时刻，在某些因素的作用下发生极为明显的变化。以开关自来水阀门为例，当我们忽然关闭自来水阀门时，会明显感受到管道的振动，在力学上我们将其称之为水锤现象[1]。之所以会出现这一情况，是因为管道里的流体状态忽然发生改变，使得内部的压力分布情况发生改变，压力分布出现不均衡的现象，压力在外传递的过程中，会对管道本身产生一定的冲击力，冲击力在瞬时会呈现出惊人的数值，进而对管道系统的稳定性与使用性能，造成一定程度的破坏。因此对于管道流体的瞬态研究就有着十分重大的现实意义。

1 管道流体瞬态仿真模型构建的意义

管道流体瞬态仿真模式是研究管道内流体传输与瞬态变化的有效工具，借助于流体瞬态仿真模型，我们能够对管道内部的受力情况与变化规律进行全面科学把握。并在此基础上，对管道进行相应调整，在提升管道使用寿命，保证管道正常运作的同时，也能够在一定的程度上增强我国流体力学研究水平，促进相关企业的健康发展。

1）管道流体瞬态仿真模型的构建能够有效提升我国在管道运输体系设计与建设方面的能力。使得管道设计方案与制作技术能够满足越来越多的工程项目的使用需求，这一方面为进行管道设计与施工的相关企业提供了一个更为广阔的发展空间，提升企业自身的市场竞争力；另一方面，管道流体瞬态仿真模型在管道设计领域的广泛使用，能够提升我国管道运输乃至整个交通运输行业的发展层次。以管道流体瞬态仿真模型的科学高效构建为起点，更多先进的技术、设计理论与流体力学的原理结合起来，被应用于管道设计与建设的过程中，以此全面提升管道工程建设的质量。

2）管道流体瞬态仿真模型的不断创新与广泛使用。能够有效的提升我国相关企业的国际竞争力，在经济全球化的形势下，我国企业逐渐转变自身的发展模式，将越来越多的注意力转移到海外市场，通过自身的技术优势，逐渐在跨国建设领域取到了一系列的成就。在这一过程中，不仅需要企业自身雄厚的资金实力，国家政策的扶植，更需要先进技术的支撑，管道流体瞬态仿真模型作为一种技术创新能够有效的提升管道设计之中各种技术参数，提升技术指标，以管道流体瞬态仿真模型的构建为技术支撑，增强我国企业在相关开发建设环节的科学性与高效性，使我国企业在面对激烈的国际竞争之中占有更多的发展优势，从而为企业自身提供更多的发展机遇，实现企业自身的健康高速发展。

2 管道流体瞬态仿真模型构建的原则

1）管道流体瞬态仿真模型的构建必须要遵循科学性的原则。管道流体瞬态仿真模型在进行构建与规划的过程之中，要充分体现科学性的原则，只有从科学的角度进行管道材料性质，流体力学的生产原理、管道受力情况以及瞬态峰值监测等多个方面进行细致而全面的考量。只有这样才能够最大限度的保证管道流体瞬态仿真模型的科学构建，只有在科学精神、科学手段、科学理念的指导下，我们才能够以现有的技术条件为基础，进行管道流体瞬态仿真模型的科学探索与研究。

2）管道流体瞬态仿真模型的构建必须要遵循实用性的原则。管道流体瞬态仿真模型为人类改造自然环境的重要社会行为，对自然环境做出了巨大的改变，经历从无到有，从小到大的过程。而这一过程的实现就需要雄厚资金的支持，从实际来看，资金的稳定供应与否能够直接影响到管道流体瞬态仿真模型的构建的质量与水平，因而管道流体瞬态仿真模型在构建的过程中必须要遵循实用性的原则，最大限度降低管道流体瞬态仿真模型构建的成本投入，从而能够将更多的资金利用于其他方面，保证企业的正常运作，促进我国国民经济的健康发展。

3 管道流体瞬态仿真模型构建的途径

目前，管道流体瞬态仿真模型建立是一个复杂的过程，在这一过程中，我们既要充分认识到流体瞬态仿真模型科学高效构建所带来的社会经济意义，也要在相应原则的指导下，借助于科学手段，进行模型的构建。我们可以借助于数学型流体模型、线性摩擦模型以及频率摩擦模型3种形式进行管道流体瞬时仿真模型的构建。

1）但是从实际情况来看，由于数学型流体模型与线性摩擦模型在操作困难长度以及准确性方面存在不足，因此现阶段我们普遍采用频率摩擦模型进行仿真模型的建设。频率摩擦模型涉及到贝塞尔函数，但是由于涉及到较为复杂的因拉氏转化，因此需要我们在使用的过程中进行相应的简化处理，使其能够满足管道通路系统以及边界计算的要求[2]。同时为了保证瞬态仿真模型能够全面的反应管道内流体的瞬态特性，需要我们使用特征线法、传输法以及合图法对管道网络内部的力学瞬态特征进行分析与总结。通过这种方式能够实现对管道流体瞬态防治建模的分散化处理，降低建模的难度，提升数学计算与仿真模型建立的准确性，使其最大程度的满足实践要求。

2）管道仿真模型的构建。为了建立一个科学的管道流体力学受力模型，我们需要在相关理论的支持下进行合理的假设。

我们将管道的设定为光滑的直线型管道，其流动状态为一元层流，将管道受力变形以及流体运动时的热传导等元素排除在假设条件之外，根据相关方程进行数学计算，我们就可以对图中3处节点的受力情况，进行有效分析，从而得出相应状态下，管道内流体状态变化对管道产生的力学影响[3]，在运用贝塞尔函数进行数据运算与分析，进而在此基础之上进行管道仿真模型的建立，如图1所示。

当我们将管道仿真模型与管道边界条件进行结合，就可以将其作为管道流体瞬态仿真模型建立的参照。

3）管道边界条件的使用。为了达到这一目的就需要我们对管道网络自身与集中元件耦合进行关系进行科学处理，只有实现二者的有效结合才能保证管道仿真模型的完整性与合理性，才能够使得管道流体瞬态仿真模型能够最大程度的真实反映管道内部的受力情况、瞬态发生与分布规律，从而降低流体瞬态变化对管道产生的破坏，保证管道正常工作的顺利进行与有效开展。

参考文献

[1]吴雯婷，梁忠诚.微流道瞬态响应特性的仿真与研究[J].仪表技术与传感器，2015（11）：93-96.

[2]杨海青，陈茂杰，黄丽萍，等.夹气喷嘴瞬态喷雾的CFD仿真及试验[J].航空动力学报，2015，30（12）：2897-2903.

[3]李师尧，程永光，张春泽.IB-LB耦合式模拟贯流式水轮机三维瞬态变流[J].华中科技大学学报：自然科学版，2016（1）：122-127.