可以用CFD+FEA计算水锤现象吗？

飞翔鸟

感觉难度挺大的，有经验的能介绍介绍吗？

heavenblade

老哥，水锤需要CFD+FEA分析吗？如果对阀门及管壁进行强度校核，可否做一个等效冲击载荷？
是你们单位的项目，还是自己感兴趣？

onesupeng

有人科普下CFD和FEA吗？

飞翔鸟

你是老Zhu吧?
公司的项目，刚交给我，以前没有做过啊。找了点资料，如果只加等效载荷，得不到相互作用的过程，有人也介绍说这样不准确，所以我想到了多物理场分析。水的压缩冲击和气蚀效应客户都有要求。

通流

这是个一元问题，而且空间尺度（长度）很大。用CFD-FEA不容易。其实关键是等效载荷的大小如何确定。最简单的办法是查查手册。我想一定有这方面的工程手册。实在不行，只好做个分析的方法，来估算等效载荷。水锤模型也不难找吧。

heavenblade

呵呵，一直潜水，被识破了
我想管壁和阀门应该还是可以认为是刚性的，这样是否可以简化成CFD到FEA的单向耦合？从CFD得到水对管壁和阀门冲击的压力波脉动，然后考虑加载到FEA模型上面，用动力学去计算。我想关键是气蚀造成的局部低压一定要算准，如果存在气蚀，这个造成的压力脉冲对于管壁和阀门破坏的影响可能是决定性的。
如果你们一定要CFD+FEA, 那可以参考一下ADINA是如何实现流固耦合的，在我映像中这个软件对于流固耦合很有特色。

飞翔鸟

我们现在确实是定的两条腿走路，一个是找水锤模型按一维做；第二个就是先用CFD拿到压力波再加载到FEA模型。直接实现流固耦合我们这里条件还不充分。有什么结果一定到这里通报。

heavenblade

对了，你们应该有些以前的工程经验，以前的破化主要是什么形式？单次冲击破化还是疲劳断裂？

通流

可能不太了解什么是水锤效应。顾名思义，水像锤子似的砸在管壁和阀门上。如果管壁和阀门是刚性的，那么冲击力是接近无穷大（只靠水本身的可压性才使得冲击力不是无穷大）。

水锤的模拟是水流与管壁弹性的耦合。不能分开来做的。我想在工程实际上，如果发现阀门可能受不了冲击力，可以在阀门前加一个带压缩空气的容器，使得冲击力有释放的地方。

quaintchewster

原帖由 飞翔鸟 于 2010-1-25 09:54 发表

                               
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我们现在确实是定的两条腿走路，一个是找水锤模型按一维做；第二个就是先用CFD拿到压力波再加载到FEA模型。直接实现流固耦合我们这里条件还不充分。有什么结果一定到这里通报。

我觉得这个比较现实，拿一维模型计算压力波动，然后在器件内部加载压力波

heavenblade

在我映像中，由于阀门关闭，水流从流动到滞止，从而造成一个冲击波，我想这个过程固体可以认为是刚性的，从而简化计算；但是很多情况下，水流中存在气泡，这种气泡冲击到阀门和管壁，从而局部会有很低的低压，造成一个剧烈的压力脉动。所以我想问一下飞翔鸟，他们以前的破坏形式究竟是瞬时的压力破坏，还是这种剧烈的压力脉动造成的疲劳破坏。如果是前者，可以根据CFD得到冲击波，在FEA中计算动力学响应；如果是后者，可能不是等幅载荷，校核疲劳强度也是一个麻烦的事。

通流

你的这段话中有两个问题：
（1）如果把水当成不可压流体。在某个时刻，阀门关闭了。如果这时假定管壁和阀门都是刚性的，那么L*du/dt=无穷大，因为dt=0。既是dt不是真的零，由于L（管长）通常很大，冲击力还是非常大。这就是为什么水锤模型从本质上是流固耦合的问题。这也是很多流体力学教材中的标准内容。如果假定水中有气泡，那么这些气泡倒是会减少冲击波。不管什么情况，忽略管子的弹性可能会使得冲击力比实际情况大好几倍。
（2）气泡内部的压力是比水的压力高呢还是低？你以为的局部产生很低的压力的根据是什么？不知你是否知道空泡损毁金属表面的原因。

heavenblade

Sorry.
很久没有回顾这方面的东西，有些概念搞错了。
对于1，其实不是问题，事实上所有阀门都有切断时间，可以通过放慢切断速度来控制水锤的剧烈程度。在这个过程中，管壁和阀门应该还是可以认为是刚性的。如果当作弹性，那就要考虑耦合算法的细节。
对于2，我的映像存在一些概念错误。
由于水泵的开关，系统中阀门的启闭， 管道内流体的流速要出现相应的变化。由于流体的惯性作用，流速的变化将引起管道内流体压力波动，这种压力波动现象称为水锤现象。由于水泵的开关，系统中阀门的启闭，在输水系统管道内水流发生急剧变化而引起的正向水锤。这种正水锤压力有时是很大的，在某些工程中可能会引起管道或设备损坏的事故。这类的话，对于结构而言必须校核冲击载荷对结构的强度。
另一种是由于局部产生瞬时的负压区。当负压低于当时汽化压力时，管道内部分水体会发生汽化，使水柱不连续。一旦压力升高时，汽泡溃灭，水柱弥合，产生气蚀。这样需要考虑部件表面强度，或者避免气蚀。
这类如果发生在泵或者管道内，也有可能与结构发生共振。可能需要错开某些特征频率。
还有一种就是管道中存在一定量的空气，这些空气汇集，造成类似气蚀的效果。

一般来说，可以参考以前的失效模式，来处理问题。

飞翔鸟

通流老师果然是名副其实的流体力学老师啊，查了一些资料，解决这个问题的方法之一确实是加空气阀。
heavenblade说得也很对。我们这里的水锤主要有两种，一种是停泵水锤（包括断电等），另一种是阀门关闭时引起的水锤，后一种除了冲击以外还会在阀门下游引起气蚀，气泡的溃灭可能引起更厉害的冲击。
我现在查了一些资料，一个一维的软件叫bentley　hammar的可以提供解决方案，正在联系中。
按管道刚性假设的前提下也可以用CFD模拟，但是水的可压缩性必须考虑，但工作量实在太大，CFD+FEA进行多物理场耦合也是可能的，工作量就更大了。我先用上面提到的那个一维软件，毕竟项目有时间要求。等有时间的时候试试CFD （FEA）解决方案。

通流

我并不懂那些会损坏阀门。也算是我也学点东西。
其实像这种水锤问题用分析的方法得出的结果可能比计算的方法准。因为你算不起，而勉强计算则还不如分析的方法。
空泡（气蚀）现象比水锤难得多。CFD也算不好。那可是螺旋桨噪音的主要来源。你要把这搞清楚了，海军还不得把你当成宝贝啊。