長(zhǎng)距離管道輸水工程中，充放水過(guò)程的安全性與效率始終是行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。如何精準(zhǔn)模擬復(fù)雜的水氣兩相流動(dòng)，確保管道運(yùn)行安全？積鼎科技基于自主研發(fā)的VirtualFlow 流體仿真軟件，為市政水務(wù)領(lǐng)域提供了一套高效、可靠的計(jì)算流體力學(xué)解決方案，助力工程實(shí)現(xiàn) “安全快速充水” 的核心目標(biāo)。

長(zhǎng)距離輸水工程由于其管線較長(zhǎng)，對(duì)整條管線進(jìn)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(duì)整個(gè)工程的進(jìn)度產(chǎn)生直接影響。往往面臨以下挑戰(zhàn)：

·周期長(zhǎng)：充放水需十幾天甚至幾十天，直接影響工程進(jìn)度；

·風(fēng)險(xiǎn)高：有壓充水中的水氣兩相瞬變流動(dòng)復(fù)雜，壓力、流量波動(dòng)大，易引發(fā)安全隱患；

·成本高：傳統(tǒng)物理模型試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高，難以滿足現(xiàn)代工程快速迭代需求。

積鼎科技解決方案：通過(guò)VirtualFlow 數(shù)值模擬技術(shù)，以低成本、短周期實(shí)現(xiàn)對(duì)管道充水過(guò)程的精準(zhǔn)仿真，提前預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化排氣孔設(shè)計(jì)與充水策略，為工程保駕護(hù)航。

VirtualFlow管道兩相流流動(dòng)

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：VirtualFlow 如何突破瓶頸？從幾何建模到結(jié)果驗(yàn)證

1、精準(zhǔn)建模：以某輸水工程為例，假設(shè)上游水庫(kù)向下游水庫(kù)充水，上游水庫(kù)水面高程為7m，下游水庫(kù)水面高程為0.35m，上下游坡度最大高度差不超過(guò)1m。管線長(zhǎng)度為100m，管道內(nèi)徑為0.34m，距離上游水庫(kù)85m處設(shè)置一排氣孔，排氣口內(nèi)徑為0.1m。

幾何模型示意圖（紅色為水，藍(lán)色為空氣）

2、精準(zhǔn)仿真：與某商用軟件（VOF 模型）對(duì)比，VirtualFlow 采用LeveSet 界面追蹤技術(shù)，完整考慮空氣與水的兩相流動(dòng)（商軟僅模擬水單相），結(jié)果顯示兩者壓力曲線吻合度高，驗(yàn)證了計(jì)算準(zhǔn)確性。

仿真結(jié)果對(duì)比

兩個(gè)軟件在不同時(shí)刻的整體流動(dòng)過(guò)程對(duì)比如下：

在計(jì)算過(guò)程中，為了觀察排氣孔處的壓力變化，在排氣孔對(duì)應(yīng)的管道底部創(chuàng)建了一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用來(lái)監(jiān)測(cè)管道底部的壓力隨時(shí)間的變化，如下圖所示。

圖3 排氣孔處管道底部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間的變化

總體上，兩個(gè)曲線吻合度較高，驗(yàn)證了VirtualFlow計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。需要注意的是，由于排氣孔的影響，在10s左右出現(xiàn)壓力的突變，并且商軟峰值壓力的持續(xù)時(shí)間比VirtualFlow長(zhǎng)，主要原因是商軟對(duì)自由液面模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，它忽略了氣體的流動(dòng)，氣體僅有一個(gè)正向壓力作用在液體表面，氣體中的壓力梯度和剪應(yīng)力是忽略的。VirtualFlow仿真時(shí)完全考慮了空氣對(duì)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。

3、高效計(jì)算：更少網(wǎng)格，更快速度

·網(wǎng)格與效率對(duì)比：

優(yōu)勢(shì)：VirtualFlow 以約 50% 的網(wǎng)格量實(shí)現(xiàn)近3 倍計(jì)算效率提升，大幅降低計(jì)算資源消耗。

4、物理模型優(yōu)勢(shì)

·流型模擬全面：VirtualFlow 可精確模擬氣泡流、塞狀流、分層流等多種流型，而商軟因簡(jiǎn)化自由液面模型（忽略氣體流動(dòng)與壓力梯度），導(dǎo)致峰值壓力持續(xù)時(shí)間失真（見(jiàn)圖 2 對(duì)比）。

·便捷性升級(jí)：采用笛卡爾網(wǎng)格劃分，操作流程更簡(jiǎn)化，適配復(fù)雜管道結(jié)構(gòu)，減少工程師建模耗時(shí)。

CFD流體仿真技術(shù)對(duì)水利水務(wù)場(chǎng)景價(jià)值：安全與效率雙提升！

1.風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判：通過(guò)仿真提前發(fā)現(xiàn)充水過(guò)程中壓力突變點(diǎn)（如案例中 10 秒左右的排氣孔壓力波動(dòng)），優(yōu)化排氣孔位置與尺寸，避免水錘效應(yīng)與管道損傷。

2.效率優(yōu)化：縮短充水周期，減少人工調(diào)試成本，為工程進(jìn)度 “搶時(shí)間”。

3.綠色低碳：替代傳統(tǒng)物理試驗(yàn)，降低材料與能源消耗，符合可持續(xù)發(fā)展理念。