水錘現象多發生在管道系統中，水錘發生時管系內會產生瞬間的壓力脈動，對管道造成沖擊，甚至破壞。水錘發生時常伴有錘子敲打管道一樣的聲音，因此被稱為“水錘”效應。根據水錘引發機制的不同，可分為以下兩類：

1、單相流動流體驟停引起的水錘

單相流動流體驟停引起的水錘（sudden liquid deceleration）一般由管道中閥門突然關閉，導致本來流動的液體驟停，由于液體的慣性作用，閥門將受到一個瞬間的壓力沖擊，產生水錘效果。

圖1 閥門突然關閉引起的單相水錘

圖2 單相水錘中的壓力脈動

2、冷凝相變引起的水錘

冷凝相變引起的水錘（condensation induced hydraulic shock）：高溫高壓的蒸汽空泡在管道盡頭急劇冷凝，冷凝過程中體積成百上千倍的減小，產生負壓，周圍液體被加速隨后又在管道盡頭驟停，引發水錘效應。

圖3 冷凝相變引起的水錘示意圖

單相水錘多發生在供水廠管路系統中，兩相水錘常見于制冷行業中的熱氣除霜過程以及核電站壓力水堆供給管和蒸發器中。

以下采用行業專用流體仿真軟件CFDPro對單相水錘及兩相水錘進行仿真。

行業專用流體仿真軟件CFDPro具有水錘及空化模擬功能，可基于可壓縮兩相流模型、耦合相變模型（空化相變和熱致相變），對管路、閥門中的復雜可壓縮流動相變問題進行模擬研究，以獲取設備中的臨界流動和壓力波動等結果。

3、單相水錘

單相水錘數值模擬比較簡單，只需將閥門的驟停看作墻邊界即可模擬。

圖4 單相水錘數值模型圖

圖5 單相水錘網格設置

圖6 最小開度處，閥門前后速度云圖

下圖展示了初始壓力為1bar，流速0.0666m/s的水在閥門驟停情況下的導致的壓力脈動模擬結果（紅色）和解析結果（黑色），可以看出其壓力波動從幅值到頻率都吻合良好。

圖7 單相水錘壓力脈動（上:解析結果；下:CFDPro模擬結果）

4、冷凝相變引起的水錘

對于兩相包含冷凝相變效應時的數值模擬，難點在于冷凝相變過程。以制冷系統中氨氣回路為例，如圖8，其冷凝方式主要包含：

• 壁面處冷凝（藍色區域）
• 界面處冷凝（綠色區域）
• 蒸汽-離散相冷凝（紅色區域）

圖8 管道中冷凝誘發的水錘的發展過程

圖8給出了水錘現象的不同階段流動情況。通常，液壓沖擊發生在氣液兩相管道中，在液相之上的氣相以較高速度流動。由于氣相于液相的相對運動導致的剪應力作用，兩相交界面易形成波浪，并最終演化成覆蓋整個管道橫截面的水錘波。上游氣相的進一步流動將水錘波推向管道底蓋。隨著被水錘波封堵的氣相被加壓，加壓的氣相最終將凝結于附近的水錘波界面或管壁上。因此，水錘波的運動不會受到任何阻力作用，并最終與底蓋碰撞，導致液壓沖擊。由于制冷系統處于低溫環境下，金屬管即使在較小液壓沖擊強度下也易發生脆性破壞。

產生液壓沖擊時會發生以下一些現象，即：液相的深度和氣相流速之間的相互作用導致的氣相壓縮和產生沿管道傳播的壓力波，氣液界面的剪切作用導致的水錘波形成和傳播，管道幾何形狀的影響，冷凝（非平衡相變）和水錘波上游氣相的增壓，水錘波下游截留的蒸汽冷凝，各種凝結機制，例如界面凝結，混合凝結和壁面凝結的相繼發生，最后氣泡破裂引起的在底蓋或流體內發生的壓力沖擊。

采用CFDPro模擬兩相冷凝相變水錘，這里選用Marin（2007）開展的實驗研究，管道示意及壓力傳感器布置如圖9。

(a) 管道簡圖

(b) 壓力傳感器布置位置

圖9 模擬的管道簡圖及壓力傳感器布置位置

實驗中包含不同過冷度、蒸汽入射速度、管徑等多種工況：

算例模型包含三種冷凝模型，分別為壁面冷凝、界面冷凝和離散相冷凝。采用CFDPro進行計算，仿真結果如圖10：

圖10 兩相冷凝相變水錘CFDPro模擬結果

由圖10可以看到，蒸汽以一定速度從左側豎直管經過彎管流入充滿一定液體的水平管中，液面在剪力與表面張力作用下慢慢從波浪狀成長為充滿整個管徑的段塞狀。在段塞流不斷接近管道盡頭的過程中，冷凝現象也在時刻發生著，最終在盡頭全部冷凝結束，段塞流在管道盡頭驟停，產生壓力沖擊波，也就是水錘現象。

下圖為High3和Low4兩種工況下管道底蓋處的壓力探測點PCB4的實驗結果和仿真結果，可以看出模擬結果與仿真結果基本吻合。

圖11 壓力探點歷時曲線對比（上：實驗結果，下：仿真結果）

（左：High3工況，右：Low4工況）

圖12為冷凝引起的壓力波形成、傳播和衰減的過程對比，可以看出CFDPro仿真結果如實的還原了實驗中觀測到的壓力波形式，峰值對應的時間節點也基本一致。

圖12 Low4工況下壓力沖擊和衰減曲線對比

（左: 實驗結果，右: CFDPro模擬結果）

CFDPro為上海積鼎信息科技有限公司自主開發的行業專用流體仿真軟件，具有獨特的Level Set界面追蹤方法、領先的湍流模型、豐富的相變模型，配置燃燒模型和反應機理接口，更加適用于工程計算模擬，提供了面向國防軍工的流體仿真解決方案，可用于航空航天、海洋船舶、兵器等領域流體仿真分析。

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