水擊諧波發(fā)生器的諧波特性分析

中圖分類號：TV542 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1006-0316（2025）07-0001-08

摘要：研究水擊現(xiàn)象及其諧波特性，對于在工程實(shí)際應(yīng)用中合理利用水擊具有重要意義。設(shè)計(jì)了能夠產(chǎn)生水擊的水擊諧波發(fā)生器，以該水擊諧波發(fā)生器為研究對象，進(jìn)行了靜力學(xué)分析，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；基于Fluent對水擊諧波發(fā)生器進(jìn)行了諧波機(jī)理分析，利用Fluent構(gòu)建水擊諧波發(fā)生器的三維物理模型，對產(chǎn)生的水擊現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲取了相應(yīng)的諧波特性。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的水擊諧波發(fā)生器能夠通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到控制水擊的強(qiáng)度和頻率，實(shí)現(xiàn)控制水擊的目的。通過閥門的快速啟閉使流體流速發(fā)生突然變化，產(chǎn)生了不同頻率的壓力波。在傳播過程中，與水擊周期相對應(yīng)的壓力波傳播頻率成分可能會被放大；不同頻率成分的水擊諧波特性隨時間變化具有較強(qiáng)的周期性變化規(guī)律。

doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.07.001

Abstract ： The study of water hammer phenomenon and its harmonic characteristics is of great significance for the rational utilization of water hammer in engineering practice. A water hammer harmonic generator capable of generating water hammer was designed. Taking this water hammer harmonic generator as the research object， static analysis was carried out and its structural parameters were optimized and adjusted.Based on Fluent， the harmonic mechanism of the water hammer harmonic generator was analyzed. A thre-dimensional physical model of the water hammer harmonic generator was constructed using Fluent， and numerical simulation of the generated water hammer phenomenon was conducted to obtain the corresponding harmonic characteristics. The results show that the designed water hammer harmonic generator can control the intensity and frequency of water hammer by adjusting the structural parameters， achieving the purpose of controlling water hammer. The rapid opening and closing of the valve causes a sudden change in fluid flow velocity， generating pressure waves of different frequencies.During the propagation process，the frequency components of the pressure wave corresponding to the water hammer period may be amplified; the harmonic characteristics of water hammer of different frequency components change with time and have a strong periodic variation law.

Key words ： water hammer harmonics istructural optimization ;harmonic characteristics ;harmonic mechanism

水擊現(xiàn)象是當(dāng)流體的流動速度突然變化（如閥門快速關(guān)閉或泵的啟動與停止）時，在管道中產(chǎn)生的壓力波動[1]，會導(dǎo)致管道系統(tǒng)內(nèi)的壓力瞬間升高或降低[2]。該現(xiàn)象通常會產(chǎn)生多個頻率的壓力波，而這些頻率成分則被稱為水擊諧波[3]，其中管道的長度、直徑等參數(shù)[4-6]都是影響水擊諧波的因素，進(jìn)而影響到水擊對管道或設(shè)備的沖擊力從而導(dǎo)致事故發(fā)生。因此深入研究水擊現(xiàn)象及其諧波對工程系統(tǒng)的安全性具有重要意義。水擊是一個復(fù)雜的瞬態(tài)過程，國內(nèi)外學(xué)者對水擊的數(shù)學(xué)模型[7-11]和管道水擊的理論分析[12]進(jìn)行了研究。陳彬等[13]以某型號的舵機(jī)操縱液壓換向閥為例，運(yùn)用特征線法對自激振動及啟閉動作引發(fā)的水擊現(xiàn)象導(dǎo)致非線性耦合振動現(xiàn)象機(jī)理進(jìn)行了理論分析，這為理解液壓系統(tǒng)的振動特性、振動控制措施以及換向閥的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了理論依據(jù)。水擊現(xiàn)象通常被視為有害的[14]，但在特定條件下也可以被合理利用[15-17]。劉閣等[18]利用水擊理論在廢油資源化處理的領(lǐng)域內(nèi)，提出了一種通過系統(tǒng)內(nèi)部的能量從而實(shí)現(xiàn)分離處理的水擊諧波破乳的新方法。

隨著流體力學(xué)和計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）等理論的發(fā)展，CFD方法被廣泛應(yīng)用于水擊現(xiàn)象的數(shù)值模擬[19]。Kandil等[20]利用CFD方法對直線管道中水擊規(guī)律進(jìn)行分析，得到了管道不同部位水擊對流體壓力和流速的影響最大的結(jié)論。許文奇等[21]利用CFD方法模擬不同關(guān)閥規(guī)律下球閥關(guān)閉瞬態(tài)過程，分析不同關(guān)閥規(guī)律對球閥流場和水擊壓強(qiáng)的影響；趙鈺等[22]通過CFD軟件對雙閥門關(guān)閉模型的壓力進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，有效地降低了管道中的水擊壓力；彭利坤等[23]將CFD水擊計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，揭示了單線性和多種兩階段線性關(guān)閥規(guī)律對系統(tǒng)水擊特性的影響。

當(dāng)前水擊研究已經(jīng)取得了豐富的成果，但對水擊現(xiàn)象及其諧波特性方面的研究仍較少。因此本文設(shè)計(jì)水擊諧波發(fā)生器并建模，利用有限元分析做水擊諧波發(fā)生器的靜力學(xué)分析。采用Fluent流體分析研究流體域流速變化、壓力變化、閥門關(guān)閉速度、管道長度和直徑等對水擊現(xiàn)象的影響，通過觀察內(nèi)部渦流的變化過程和內(nèi)部壓力的變化，深入研究水擊諧波發(fā)生的機(jī)理和特性，為解決實(shí)際工程問題提供指導(dǎo)。

1水擊諧波發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置主要由輸流管道長度控制裝置、彈性模量控制裝置和閥門控制裝置這三個部分組成，如圖1所示。通過控制管道長度、彈性模量、啟閉次數(shù)來控制水擊大小，實(shí)現(xiàn)控制水擊諧波的目的。流體通過輸入管道流進(jìn)裝置腔體內(nèi)部，再通過旋轉(zhuǎn)閥門空缺處、帶孔端蓋的開孔從輸出管道流出，其中旋轉(zhuǎn)閥門不斷旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至閉合處時，液體停止流出，旋轉(zhuǎn)至空缺處時，液體繼續(xù)流出。

其中拉桿、擋板構(gòu)成輸流管道長度控制裝置，當(dāng)拉桿帶動調(diào)節(jié)擋板左右移動時，輸流管道的有效長度發(fā)生改變，水擊波在管道內(nèi)傳播的距離和時間發(fā)生變化，根據(jù)水擊波的傳播特性，管道長度的變化會影響水擊波的大小，實(shí)現(xiàn)對水擊諧波大小的控制。拉桿、蓋板、彈簧裝置構(gòu)成彈性模量控制裝置，當(dāng)流體進(jìn)入裝置后，可動擋板受到流體的作用力，隨著箱體內(nèi)流體壓力與流速的波動，腔內(nèi)的容積隨著可動擋板的上下移動不斷發(fā)生變化。擋板的上方設(shè)置有三個彈簧，中間的是主彈簧裝置，兩側(cè)的是副彈簧裝置。主彈簧與螺釘用拉桿相連，當(dāng)拉桿上下移動時，相當(dāng)于引起了流動腔體的彈性模量變化，從而改變流體腔體的壓力變化。

閥門控制裝置是一個三層嵌套結(jié)構(gòu)，主要為一個四分之一開槽、四分之三圓盤、端蓋，通過電機(jī)以給定轉(zhuǎn)速驅(qū)動旋轉(zhuǎn)閥門進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制閥門開關(guān)次數(shù)、時間來改變水擊波的大小。這種具有規(guī)律性的高頻率啟閉，使得管道中產(chǎn)生有規(guī)律的水擊波動，即水擊諧波，從而實(shí)現(xiàn)對水擊諧波頻率的控制。

圖1水擊諧波發(fā)生器整體結(jié)構(gòu)圖

1.上箱體；2.輔助彈簧；3.主彈簧；4.拉桿；5.可動擋板；6.U型密封圈；7.滑塊；8.支撐彈簧；9.調(diào)節(jié)擋板；10.圓柱銷；11.軸用彈性擋圈12.螺紋拉桿 M15：13 .沉頭螺釘 M5：14 套筒；15.連接盤；16.下箱體；17.密封橡膠；18.螺釘 M8：19 密封膠墊；20.端蓋；21.軸；22.旋轉(zhuǎn)閥門；23.螺釘 M6

2水擊諧波發(fā)生器的靜力學(xué)分析與優(yōu)化

利用ANSYS導(dǎo)入水擊諧波發(fā)生器的三維實(shí)體模型，定義所需的不銹鋼材料屬性如表1所示。

表1材料屬性表

因?yàn)樗畵糁C波發(fā)生器有部分零件在工作時保持靜止?fàn)顟B(tài)，所以需要為這些零部件添加固定支撐。施加邊界條件定義固定支撐、鉸支撐等邊界條件，確保模型在分析過程中保持適當(dāng)?shù)募s束。轉(zhuǎn)軸添加旋轉(zhuǎn)速度 u=1rad/s ；為整體模型添加標(biāo)準(zhǔn)地球重力 9.8m/s ；同時為流體區(qū)域添加 2MPa 的液體壓力。

采用四面體網(wǎng)格劃分的方法進(jìn)行劃分網(wǎng)格，這種方法具有良好的靈活性和適應(yīng)性，尤其是復(fù)雜幾何形狀的流體動力學(xué)仿真。在關(guān)鍵區(qū)域，如可動擋板、調(diào)節(jié)擋板和旋轉(zhuǎn)閥門等部件，能夠利用曲度和近似尺寸功能自動細(xì)化網(wǎng)格；可以使用膨脹細(xì)化實(shí)體邊界附近的網(wǎng)格，邊界層有助于面法向網(wǎng)格的細(xì)化。在網(wǎng)格劃分的過程中，為了保證模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時將網(wǎng)格質(zhì)量設(shè)為中等，劃分出229180個網(wǎng)格。

靜力分析結(jié)果如圖2所示，從圖2（a）可看到可動擋板所在流體區(qū)域內(nèi)，結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變形，總變形量最大為 5.8×10^-3mm ，這表明在水擊諧波發(fā)生器工作時，該區(qū)域承受了相當(dāng)大的形變。從圖2（b）最大應(yīng)力為 56.8MPa_? 這一數(shù)值反映了在靜力分析下，水擊諧波發(fā)生器內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，其中可動擋板附近的應(yīng)力集中尤為明顯。

因而將可動擋板的厚度由原來的 6mm 減小到 3mm ，再觀察擋板的總變形量。將優(yōu)化好的模型導(dǎo)入幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，從分析出的結(jié)果可看出，圖3（a）中最大的變形量為4.5×10^-2mm ，圖3（b）中應(yīng)力最大為 259.78MPa 選用的不銹鋼的許用壓力為 270MPa ，優(yōu)化后擋板的應(yīng)力依然未超過材料的許用應(yīng)力。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化將其可動擋板減小到 3mm ，這樣既能夠滿足強(qiáng)度要求，不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，又減輕了結(jié)構(gòu)重量，還有助于降低成本。

3諧波特性分析

利用Fluent對水擊諧波發(fā)生器進(jìn)行填充，得到流體區(qū)域，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置中模型使用StandardK-epsilon，將流體域的材料選用液態(tài)水，邊界條件中入口設(shè)置壓力入口并給定2MPa 的壓力。

3.1諧波機(jī)理分析

當(dāng)閥門突然關(guān)閉，整個管道系統(tǒng)的壓力迅速上升，導(dǎo)致流體流速發(fā)生劇變，從而引發(fā)水擊現(xiàn)象。根據(jù)壓力變化的規(guī)律可將其分成減速升壓、增速降壓、減速降壓、增速升壓這四個階段，這四個階段分別反映了流體在不同時間點(diǎn)上的壓力和流速變化特征。給定時間1s內(nèi)腔內(nèi)流體變化，流體域的跡線圖如圖4所示?？梢姰?dāng)流體進(jìn)入水擊諧波發(fā)生器的腔體時，流體流動變得極為不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定性在靠近入口處表現(xiàn)得尤為明顯，形成了兩個大的渦流。與此同時，在靠近出口處的區(qū)域，形成了兩個較小的渦流。這些小渦流雖然相對較弱，但是同樣也對流體的流動方向和速度分布產(chǎn)生了重要影響。

（a）總變形圖

圖2靜力分析結(jié)果圖

（a）總變形圖

圖3優(yōu)化后靜力分析結(jié)果圖

隨著時間的增加，在腔體接近出口處的兩個對稱小渦流由于出口處閥門的關(guān)閉，流體速度趨于零。這一變化導(dǎo)致小渦流的壓力顯著提升，同時它們開始向入口方向移動。隨著這兩個小渦流的運(yùn)動，它們逐漸增大，入口處的大渦流開始受到壓縮、不斷衰減。最終，在腔體中部垂直流體速度方向的面上，形成了一個分界線。此時，腔體內(nèi)的流動狀態(tài)被重新劃分為兩個相反方向的對稱渦流，分別位于入口處和出口處。經(jīng)過一段時間的相互作用，這四個渦流在腔體內(nèi)逐漸達(dá)到動態(tài)平衡。在這一平衡狀態(tài)下，流體的運(yùn)動變得相對穩(wěn)定，渦流之間的相互作用力達(dá)到了一種平衡，流體的流動模式也趨于穩(wěn)定。

圖4渦流動態(tài)平衡

這是由于閥門關(guān)閉后，輸出端的流體會停止流動，而管道中剩余的流體會在遵循慣性的作用，依然保持初始的速度繼續(xù)向管道末端流動，隨著時間的推移，不斷向腔體內(nèi)部通入新的流體，這使得靠近入口處的兩個渦流逐漸增大?？拷隹谔幍臏u流則不斷的受到擠壓，沿著管道的壁面向靠近入口處區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)散，最終和入口處的兩個渦流相融合，隨著這兩個區(qū)域的流體不斷交匯，渦流的規(guī)模不斷擴(kuò)大，最終覆蓋了整個內(nèi)腔。

當(dāng)閥門再次打開，外界流體迅速流入，腔內(nèi)原本的平衡被打破，內(nèi)部的四個小渦流也隨之被破壞。此時，在靠近輸出端的區(qū)域形成一個新的漩渦區(qū)，這是由于流體流向的突然改變產(chǎn)生的。

3.2諧波特性分析

對閥門第一次關(guān)閉前后的整個過程進(jìn)行壓力分析，在中間平面取A、B、 c 三個點(diǎn)，觀察三個點(diǎn)在同一時刻中壓力的變化，如圖5所示。

圖5流體域設(shè)置節(jié)點(diǎn)

對三個點(diǎn)所提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并繪制壓力變化圖，如圖6所示。

從圖6中可以看到，在閥門關(guān)閉之前，力相對較小，流體的運(yùn)動狀態(tài)比較穩(wěn)定。然而，當(dāng)閥門在時刻 t=0.25s 關(guān)閉時，瞬時壓力卻突然增加至 9MPa ，這一劇烈的壓力變化是由閥門的快速關(guān)閉引起的，導(dǎo)致腔體內(nèi)的流體流速發(fā)生了劇烈的變化。隨后壓力逐漸下降，但仍比閥門關(guān)閉前的壓力值要高出約 0.01MPa

可以看出，A、B、 c 三點(diǎn)的壓力峰值不同，但這三點(diǎn)在同一時間內(nèi)的壓力變化趨勢相同，且壓力峰值均高于 9MPa ，這是由于腔內(nèi)流體流速發(fā)生劇變，發(fā)生了水擊現(xiàn)象，從而導(dǎo)致瞬時壓力突然升高，且遠(yuǎn)高于閥門關(guān)閉前的壓力值。 B 點(diǎn)的壓力值最低，這是因?yàn)樗畵舨ㄔ谇粌?nèi)沿軸線傳播時，波會向腔體內(nèi)的所有方向反射和折射。當(dāng)水擊波到達(dá)腔體的頂部時，由于空間受限，波動的能量并不會向上反射，而是會向側(cè)面和底部傳播。這種傳播方式導(dǎo)致了波在腔體內(nèi)各個方向的反射和折射，使得 B 點(diǎn)并未受到水擊波的直接影響，反而因周圍側(cè)面和底部的壓力波相互作用，出現(xiàn)了相互抵消或減弱的現(xiàn)象。因此， B 點(diǎn)成為了整個腔體內(nèi)壓力最低的區(qū)域。

圖6壓力變化

管道中壓力上升的原因是流體的速度和比重的變化，水擊的基本方程可以確定和計(jì)算水擊引起的壓力涌速度：

式中： ΔP 為壓力變化； a 為波的傳播速度； ΔV 為變化速度； g 為重力加速度； ρ 為流體密度；E 為管的彈性模量； K 為體積模量； t_w 為管壁的厚度。

當(dāng)閥門關(guān)閉，出口流體流動受阻，腔內(nèi)的流體因慣性繼續(xù)向前推進(jìn)，從而形成壓力波。在這一過程中，腔內(nèi)的壓力迅速升高，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的壓力波動。壓力波從閥門輸出端向輸入端反向傳播，進(jìn)入減速增壓階段。壓力波從輸入端傳遞到輸出端時，隨著距離增加，其能量逐漸減少，壓力隨之降低。當(dāng)壓力波最終到達(dá)輸入端時，三個測量點(diǎn)的壓力約為 2.13MPa 隨著壓力波的返回，由于腔內(nèi)的壓力低于輸入端的壓力，流體開始逆向流動，壓力繼續(xù)衰減，最終降至約 1.9MPa 當(dāng)壓力波再次從輸入端向輸出端傳播時，由于腔內(nèi)壓力依然低于輸入壓力，流體開始加速流入，造成壓力的回升。

當(dāng)腔體內(nèi)壓力降至低于外部壓力時，外部流體便會開始流入腔體，產(chǎn)生新的壓力波。這一系列的波動過程不斷重復(fù)，形成了周期性的壓力波動現(xiàn)象。每輪波動中，壓力峰值逐漸降低，這是由于每次壓力波的傳播都會伴隨著一定的能量損耗。這種能量損耗可能是由于流體摩擦、熱傳導(dǎo)以及波動過程中的反射和折射等多種因素造成的，從而使得每次波動的強(qiáng)度逐漸減弱。

圖7為壓力隨時間變化情況，可見在水擊的第二個周期和第三個周期中，三個測量點(diǎn)的峰值均符合這一諧波規(guī)律。

從圖中 A 點(diǎn)壓力隨時間變化可見，當(dāng)閥門突然關(guān)閉，流體流速迅速變化，導(dǎo)致壓力急劇上升。水擊波的傳播與反射引起一系列壓力波動，形成周期性的變化。隨著時間推移，壓力波逐漸衰減，最終趨于穩(wěn)定。B、 C 兩點(diǎn)隨時間變化趨勢與 A 點(diǎn)相同。

可見水擊諧波機(jī)理是由于使流體流速發(fā)生突然變化，產(chǎn)生了不同頻率的壓力波。在閥門突然關(guān)閉時，緊靠閥門處的流體流速首先降為零，整個腔體內(nèi)流體的逐漸壓縮，導(dǎo)致腔內(nèi)的壓強(qiáng)迅速升高，同時腔體的壁面也因壓力的增加而出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象。在這一階段，產(chǎn)生的壓力波向輸入端方向傳播，形成了向輸入端推進(jìn)的升壓波；當(dāng)壓力波到達(dá)輸入端時，由于腔體內(nèi)的壓力高于外部壓力，流體被擠向輸入端。水擊波在輸入端發(fā)生反射，由升壓波變?yōu)榻祲翰ǎ唤酉聛?，?dāng)降壓波傳播至閥門時，由于慣性作用，水擊波的傳播未停止，而閥門由于處于關(guān)閉狀態(tài)，無法再有流體進(jìn)入，閥門處流體被迫停止運(yùn)動，閥門處再一次反射產(chǎn)生新的降壓波；當(dāng)閥門處的降壓波到達(dá)輸入端，腔體內(nèi)的壓力已經(jīng)低于外部壓力，外部的流體便又被擠入腔體內(nèi)，使得流體向閥門處移動。這時，閥門反射回來的降壓波又會被轉(zhuǎn)化為升壓波，形成了新的壓力波動。從閥門關(guān)閉時刻起，腔體內(nèi)經(jīng)過減速升壓、增速降壓、減速降壓、增速升壓這四個階段，此后水擊現(xiàn)象又重復(fù)上述過程。

圖7壓力隨時間變化圖

4結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)的一個水擊諧波發(fā)生器可以產(chǎn)生水擊波，通過控制輸流管道長度、彈性模量和閥門開關(guān)閉合次數(shù)來控制水擊波的強(qiáng)度和頻率，從而達(dá)到減小水擊波在對實(shí)際工程的影響或利用水擊波產(chǎn)生的巨大壓力實(shí)現(xiàn)工程中的應(yīng)用的目的。

（2）利用ANSYS進(jìn)行靜力學(xué)分析，對水擊諧波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。分析結(jié)果顯示，可動擋板在工作時承受了較大的形變和應(yīng)力集中，通過減小擋板厚度，優(yōu)化后的模型在滿足強(qiáng)度要求的同時，減輕了結(jié)構(gòu)重量并降低了成本。

（3）采用Fluent進(jìn)行的諧波機(jī)理分析表明了閥門關(guān)閉后流體在腔內(nèi)的流動狀態(tài)和壓力變化。通過在流體域設(shè)置的節(jié)點(diǎn)觀察壓力變化，發(fā)現(xiàn)水擊波的壓力變化表現(xiàn)為周期性的波動，諧波整體呈正弦波動趨勢，且每個周期的壓力峰值通常低于前一個周期；水擊波在腔體中的傳播和反射引起了壓力波動，這些波動隨時間推移而衰減，最終趨于穩(wěn)定。

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