水锤是一种可能发生在任何使用阀门控制液体或蒸汽流动的管道系统中的现象。水锤是当运动中的流体被迫改变方向或突然停止时，压力波动或高压冲击波通过管道系统传播的结果。这种冲击波通常也称为液压冲击或液压浪涌，其特征可能是在关闭后立即在管道上发出明显的撞击声或敲击声。

当打开的阀门突然关闭，导致水冲入其中，或者当泵突然关闭并且水流反向流回泵时，就会发生水锤。由于水是不可压缩的，水的冲击会产生冲击波，该冲击波以声速在阀门和管道系统中的下一个弯头之间或在泵后的水柱内传播。

水锤产生的最大压力可以由Joukowsky公式计算：

Pmax = ρadV

Pmax – 水锤产生的峰值压力

ρ – 流体的密度

a – 声音在流体中的速度

dV – 流体速度变化

以下面的管路为例，管子长度为3米，管径为100mm，水流速为2m/s。

根据上述公式Pmax = 997x1500x2 ≈ 3MPa。

一、建模和网格化

用CAD软件进行建模，然后导入到Workbench的网格模块，采用默认网格大小，网格设置采用多重区域MultiZone。定义进出口和墙面。

二、Fluent设置

模型采用标准k-e模型。材料添加水，注意要将水的密度设为可压缩。

边界条件设置，入口为压力入口，大小为1个大气压。

在命名表达式(Named Expression)中建立VelocityFunction参数，输入以下命令，该命令定义了速度在小于0.2秒的时候为2m/s，大于0.2秒时为0，模拟阀门关闭的情况。

回到边界条件设置，在x方向输入上述速度变量。

设置监控点，在Resluts->Surfaces下新建两个点，一个是管路尾端，一个是管路中间：

在报告中新建Surface Report–> Vertex Average

分别建立管路终点和中点的压力报告，并选中Report Plot以方便在运行时查看。

设置完成后左边的树状列表应显示如下报告项目：

求解器选择SIMPLE，将密度和动量调为一阶。

输入边界条件初始化：

模拟步设置：

0.2秒之前可以将时间步长设长一点如0.001s。

0.2秒之后将时间步长改小，以观察水锤现象。

三、模拟结果

管子末端压力，最大为3.07MPa，同理论计算结果相符。

管子中部压力。

同时也可以发现管路的压力呈周期性变化并随着时间不断衰减。