長距離管道輸水工程中，充放水過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，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)。

長距離輸水工程由于其管線較長，對整條管線進(jìn)行充放水往往需要十幾天甚至幾十天才能完成，充放水快慢將對整個工程的進(jìn)度產(chǎn)生直接影響。往往面臨以下挑戰(zhàn)：

·周期長：充放水需十幾天甚至幾十天，直接影響工程進(jìn)度；

·風(fēng)險高：有壓充水中的水氣兩相瞬變流動復(fù)雜，壓力、流量波動大，易引發(fā)安全隱患；

·成本高：傳統(tǒng)物理模型試驗(yàn)耗時長、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VirtualFlow 數(shù)值模擬技術(shù)，以低成本、短周期實(shí)現(xiàn)對管道充水過程的精準(zhǔn)仿真，提前預(yù)警風(fēng)險，優(yōu)化排氣孔設(shè)計與充水策略，為工程保駕護(hù)航。

VirtualFlow管道兩相流流動

技術(shù)優(yōu)勢：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(nèi)徑為0.34m，距離上游水庫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（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)證了計算準(zhǔn)確性。

仿真結(jié)果對比

兩個軟件在不同時刻的整體流動過程對比如下：

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(yīng)的管道底部創(chuàng)建了一個監(jiān)測點(diǎn)，用來監(jiān)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(jiān)測點(diǎn)壓力隨時間的變化

總體上，兩個曲線吻合度較高，驗(yàn)證了VirtualFlow計算結(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)時間比VirtualFlow長，主要原因是商軟對自由液面模型進(jìn)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(yīng)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。

3、高效計算：更少網(wǎng)格，更快速度

·網(wǎng)格與效率對比：

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

4、物理模型優(yōu)勢

·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，而商軟因簡化自由液面模型（忽略氣體流動與壓力梯度），導(dǎo)致峰值壓力持續(xù)時間失真（見圖 2 對比）。

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

CFD流體仿真技術(shù)對水利水務(wù)場景價值：安全與效率雙提升！

1.風(fēng)險預(yù)判：通過仿真提前發(fā)現(xiàn)充水過程中壓力突變點(diǎn)（如案例中 10 秒左右的排氣孔壓力波動），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。