0. 簡介

長距離輸水工程由于其管線較長，對整條管線進行充放水往往需要十幾天甚至幾十天才能完成，充放水快慢將對整個工程的進度產生直接影響。長距離管道充放水過程是有壓的，而有壓充放水是一個復雜的水氣兩相瞬變流動過程，內部流態流型多變，管道內壓力、流量波動大，直接關系到輸水系統運行安全，因此，為了實現安全快速充水，通常會在管道適宜位置設置排氣孔，使空氣快速排出，盡量減少氣對管道充水的影響。

VirtualFlow管道兩相流流動

對于有壓管道水氣兩相流可進行的研究方法有數值模擬以及物理模型試驗，數值模擬方法因具有簡潔的操作方法和較小的經濟與時間成本等優點被廣大研究者接受，成為目前的主流研究手段之一。VirtualFlow在管道多相流方面應用較多，積累了豐富的管道仿真經驗。

1. 幾何模型建立

假設上游水庫向下游水庫充水，上游水庫水面高程為7m，下游水庫水面高程為0.35m，上下游坡度最大高度差不超過1m。管線長度為100m，管道內徑為0.34m，距離上游水庫85m處設置一排氣孔，排氣口內徑為0.1m。具體的幾何模型的大小及布置如圖所示。

幾何模型示意圖（紅色為水，藍色為空氣）

2. 仿真方法

為了驗證仿真結果的準確性，和某商軟進行了對比分析，其主要設置方法如下：

3. 仿真結果

兩個軟件在不同時刻的整體流動過程對比如下：

重點觀察排氣孔附近的流動情況，兩個軟件對比如下：

圖1 VirtualFlow結果

圖2 商軟計算結果

在計算過程中，為了觀察排氣孔處的壓力變化，在排氣孔對應的管道底部創建了一個監測點，用來監測管道底部的壓力隨時間的變化，如下圖所示。

圖3 排氣孔處管道底部的監測點壓力隨時間的變化

總體上，兩個曲線吻合度較高，驗證了VirtualFlow計算結果的準確性。

需要注意的是，由于排氣孔的影響，在10s左右出現壓力的突變，并且商軟峰值壓力的持續時間比VirtualFlow長，主要原因是商軟對自由液面模型進行了簡化，它忽略了氣體的流動，氣體僅有一個正向壓力作用在液體表面，氣體中的壓力梯度和剪應力是忽略的。VirtualFlow仿真時完全考慮了空氣對自由液面的影響，和水在管道形成了不同的流型，如氣泡流、塞狀流，分層流。

4. 總結

1)VirtualFlow的計算效率更高。VirtualFlow的網格數是74784，單線程計算時間為200s。而商軟的網格數為143350，單線程計算時間為550s。VirtualFlow用較少的網格實現了更快速計算。

2)兩個軟件都采用的是笛卡爾網格，從網格劃分的角度來說，VirtualFlow更便捷。（鏈接之前的文章）

3)商軟對自由液面的描述是經過優化的VOF方法實現的，此方法只計算含有液體的單元而不考慮含氣體的單元，一定程度上減少了模型收斂所需的時間，但這種方法似乎不適用于有壓管道充水場景。

審核編輯 黃宇