基于准二维模型的粘弹性管道瞬变压力波动分析

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有压管道在城市市政系统中扮演着重要的角色,近些年随着管道生产设备和生产工艺的改进,有压管道的材质越来越多样化,其中具有粘弹力学特性的塑料管道应用越来越普遍,然而,粘弹性管道的水力动态特性相对传统弹性管道更加复杂。因此,本文基于管道瞬变流理论对粘弹性管道瞬变流的压力波动和能量损耗问题进行研究,主要研究内容如下:首先,本文基于粘弹性管道的本构模型结合一维拟稳态摩阻模型、非稳态摩阻模型以及准二维模型,分别建立一维粘弹性管道瞬变流模型和准二维粘弹性管道瞬变流模型。并将三种不同摩阻模型的模拟结果与文献中获得的实验结果进行对比,分析不同模型的优劣性。结果发现,相比于粘弹性管道的一维瞬变流模型,准二维模型在压力峰值、谷值和压力波周期等方面与实验值的拟合程度较高,可比较准确的模拟粘弹性管道瞬变流的压力波动过程。其次,本文对粘弹性管道瞬变流模型中的管道蠕变参数和压力波波速进行校核。基于文献中提供的力学实验测得的蠕变函数,采用遗传算法对不同实验条件下模型中的蠕变参数的元件个数从1到5分别进行校核。同时采用三种不同管材的波速计算方法,对模型中的波速进行计算,再将拟确定的波速值和校核得到的蠕变参数代入准二维粘弹性管道瞬变流模型中,基于模拟结果与实验数据的对比结果,确定模型中的波速值。然后,将蠕变元件个数从1到5对应的蠕变参数值和波速值代入模型,分析不同蠕变参数条件下粘弹性管道准二维瞬变流模型模拟结果与实验数据的拟合程度,对比得出最优的模拟结果为该模型的蠕变元件个数为3时的结果。最后,结合管道流体压缩的能量表达式,建立一维和准二维粘弹性管道瞬变流模型的能量方程,并对不同流体温度和初始雷诺数情况下,管道延迟应变在总应变的占比规律,由管道本构特性所引起的能量变化,以及管道摩阻造成的能量损耗和压力的波动状况的影响规律。结果表明,随着流体温度的升高,由管道的粘弹性所引起的延迟应变在总应变中的占比增大;由管道本构特性所引起的能量变化与管道摩阻造成的能量变化功率相比,两者在数值上都增加,但前者在二者之和中所占的比值呈现上升的趋势;此外,瞬变流压力波每一周期内的峰值随流体温度升高而减小,波动频率也逐渐降低。随着管道内流体的雷诺数增加,除瞬变流压力波每一周期内的峰值有所提高外,延迟应变与总应变中的比值以及管道粘弹性所做的功与管道摩阻所做功的比值均无明显变化。最终认为管道的粘弹性在压力衰减中所发挥的作用随着流体温度升高而增加,但与稳态雷诺数的大小没有明显关系。
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