高 慧，唐學(xué)林,2，李小芹,2，李長勝

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.北京市供水管網(wǎng)系統(tǒng)安全與節(jié)能工程技術(shù)研究中心，北京 100083；3.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽 473000）

水電站大口徑進(jìn)水球閥流動(dòng)特性的數(shù)值模擬研究

高 慧1，唐學(xué)林1,2，李小芹1,2，李長勝3

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.北京市供水管網(wǎng)系統(tǒng)安全與節(jié)能工程技術(shù)研究中心，北京 100083；3.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽 473000）

采用FLUENT的動(dòng)網(wǎng)格和網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)對水電站大口徑進(jìn)水球閥關(guān)閉過程進(jìn)行非定常數(shù)值模擬，并與不同關(guān)閉角度下的定常穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，提出如下結(jié)論：（1）相同關(guān)閉角度下，關(guān)閉過程中的局部損失系數(shù)高于穩(wěn)態(tài)過程中的局部損失系數(shù)，且局部阻力系數(shù)拐點(diǎn)均發(fā)生在關(guān)閉角度為40毅至50毅之間；（2）分析非定常關(guān)閉過程計(jì)算中不同關(guān)閉角度下的總壓、速度云圖及流線分布，發(fā)現(xiàn)當(dāng)關(guān)閉角度大于50毅時(shí)，閥瓣與壁面的微小縫隙中逐漸形成一股高速射流，球閥主流道的高速區(qū)逐漸斷裂，球冠附近的流速梯度大且壓力梯度非常明顯，XY平面閥體后端的漩渦運(yùn)動(dòng)開始加強(qiáng)逐漸形成回流區(qū)，介質(zhì)過球閥時(shí)的壓力損失明顯增加；（3）分析非定常關(guān)閉過程計(jì)算中各監(jiān)測點(diǎn)速度隨關(guān)閉角度的變化情況，發(fā)現(xiàn)隨著關(guān)閉角度的增加，從閥門進(jìn)口左下方到閥門出口右上方逐漸形成高速流，所以監(jiān)測點(diǎn)8的速度最大，而當(dāng)關(guān)閉角度增加到大于50毅時(shí)，由于高速區(qū)的斷裂，監(jiān)測點(diǎn)3的速度最大。結(jié)論（2）和（3）的內(nèi)特性分析均揭示了閥體內(nèi)部高速區(qū)的斷裂與其外特性的聯(lián)系。

大口徑球閥；非定常；阻力系數(shù)

0 引言

目前國內(nèi)針對大口徑球閥的研究甚少，對于大口徑球閥參與過渡過程調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)水力特性的研究更是微乎其微，且進(jìn)行球閥直徑500 mm以上的實(shí)驗(yàn)研究是非常困難的，所以通過數(shù)值模擬研究大口徑球閥在開啟關(guān)閉過程中所表現(xiàn)出來的水力特性具有重要意義[1]。

閥門在穩(wěn)態(tài)工況下正常運(yùn)行是閥門最基本的要求，因此，針對閥門穩(wěn)態(tài)工況下的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究十分重要。劉曄等[2]基于Fluent軟件研究了小口徑球閥的內(nèi)部流動(dòng)，模擬結(jié)果表明在球閥開度為20°時(shí)，與流道軸線垂直的球閥截面上形成一對大小相等、方向相反的旋渦，整個(gè)流場以回流為主，隨著球閥開度的增大，旋渦尺寸持續(xù)增大；當(dāng)球閥開度大于70°時(shí)，整個(gè)流動(dòng)區(qū)域旋渦流動(dòng)全部消失。馮衛(wèi)民等[3]研究了小口徑偏心球閥不同開度下的流動(dòng)特性并得到了閥門固有流量特性、汽蝕特性和壓力恢復(fù)系數(shù)等曲線，結(jié)果表明當(dāng)偏心球閥相對開度大于0.8時(shí)，閥門具有優(yōu)異的過流特性。Chern[4]等利用PTFV實(shí)驗(yàn)研究了球閥流阻特性和內(nèi)部流動(dòng)特性，結(jié)果表明球閥的流量系數(shù)只與開度有關(guān)，而與流速無關(guān)；壓力恢復(fù)系數(shù)在相對開度低于0.8時(shí)，同樣只與開度有關(guān)；而空化系數(shù)卻與開度和流速都有關(guān)。Moujaes[6]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的手段發(fā)現(xiàn)了阻力系數(shù)和流量系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系。Florescu[7,8]用特定的軟件研究了大口徑球閥不同開啟角度的壓力和流速分布，通過分析漩渦和渦線區(qū)導(dǎo)致的能量損失為閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

當(dāng)頻繁啟閉閥門時(shí)，閥門內(nèi)部流場的變化嚴(yán)重影響閥門使用的可靠性和壽命，因此，國內(nèi)外學(xué)者也逐漸對閥門的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了研究。馮衛(wèi)民[9]分析了大盈江四級水電站2.5 m進(jìn)水球閥直線關(guān)閉、二階段關(guān)閉情況下閥前后壓力及機(jī)組流量變化情況，發(fā)現(xiàn)球閥內(nèi)部漩渦分布與水擊壓力最大點(diǎn)之間的聯(lián)系。張春[10]對高水頭抽水蓄能電站球閥與導(dǎo)葉聯(lián)動(dòng)關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，球閥采用第一段快速關(guān)閉，第二段緩慢關(guān)閉的關(guān)閉規(guī)律能有效削減機(jī)組流量和蝸殼壓力的第二峰值。

在閥門動(dòng)態(tài)特性方面，國內(nèi)外學(xué)者大多關(guān)注閥門關(guān)閉過程中的水錘現(xiàn)象，而很少分析球閥開啟和關(guān)閉過程中的外特性和流場內(nèi)特性分析。因此本文結(jié)合某抽水蓄能電站2.7 m進(jìn)水球閥的工程實(shí)際，借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）進(jìn)行定常和關(guān)閉過程中的非定常數(shù)值模擬，研究不同關(guān)閉角度下球閥的流動(dòng)特性，為進(jìn)一步提高大型進(jìn)水球閥的安全性提供一定的理論參考和技術(shù)依據(jù)。

1 幾何模型

本文研究的是DN2700的固定球閥，根據(jù)球閥尺寸計(jì)算出閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0～82°，利用三維建模軟件PROE對球閥內(nèi)部流道進(jìn)行三維實(shí)體建模，為了保證來流和閥后流動(dòng)充分發(fā)展，使流動(dòng)更加接近真實(shí)值，將閥前流道延伸至5倍閥門口徑處，閥后流道延伸至10倍閥門口徑處，如圖1為球閥關(guān)閉角度為30°情況下的內(nèi)部流道三維圖，流動(dòng)方向?yàn)閤正方向，規(guī)定球閥全開時(shí)關(guān)閉角度為0°，全關(guān)時(shí)關(guān)閉角度為90°。

圖1 球閥關(guān)閉角度30°的結(jié)構(gòu)示意圖

2 計(jì)算模型

由于球閥流道內(nèi)的流動(dòng)為三維不可壓、高雷諾數(shù)湍流流動(dòng)，試驗(yàn)介質(zhì)為常溫水，忽略熱傳遞和能量交換，本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-著湍流模型對球閥內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，方程[11]如下：

式中ui和uj（i=1，2，3；j=1,2,3）分別表示不同方向的速度分量，m/s；xi和xj（i=1，2，3；j=1，2，3）為笛卡爾坐標(biāo)分量，m；p為壓強(qiáng)，Pa；籽為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s。

式中，湍動(dòng)粘度滋t可以表示為k和ε的函數(shù)：

其中。

整個(gè)流道采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并加密了閥門前后段網(wǎng)格，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，計(jì)算網(wǎng)格總計(jì)2647410，圖2為流道的網(wǎng)格圖。

當(dāng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，閥門處于某一固定開度下，流經(jīng)閥門介質(zhì)的各個(gè)參數(shù)幾乎不隨時(shí)間變化，這時(shí)認(rèn)為閥門工作處于穩(wěn)態(tài)工況。各開度下的穩(wěn)態(tài)和關(guān)閉過程中的非定常瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算中，進(jìn)口條件均采用速度入口邊界條件，其中入口速度由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，如圖3所示，出口采用自由出流邊界條件，壁面采用無滑移固體壁面條件，在近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。對于非定常計(jì)算而言，采用Fluent三維雙精度下的壓力基PISO耦合算法求解方法，時(shí)間項(xiàng)采用一階隱格式，壓力離散方法選擇PRESTO，對流離散化采用二階迎風(fēng)格式，其余空間離散化選擇QUICK格式，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)指定球閥閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)，其隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)函數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況給出，即球閥在60 s內(nèi)線性關(guān)閉，總計(jì)算時(shí)間為60 s，時(shí)間步長取0.1 s。同時(shí)為了較好地模擬壓力梯度較大的區(qū)域，在Fluent計(jì)算過程中對網(wǎng)格進(jìn)行了壓力梯度自適應(yīng)處理。

圖3 流量-關(guān)閉角度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 球閥過流系數(shù)外特性分析

流體通過閥門時(shí)，其流體阻力損失以閥門前后的流體壓力降表示，即有局部阻力系數(shù)

式中，吟p為閥門的壓力損失，u為流體在管道內(nèi)的平均流速，籽為流體的密度。

按照計(jì)算方法對數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了分析，穩(wěn)態(tài)和關(guān)閉過程中球閥各關(guān)閉角度下的局部損失系數(shù)ζ結(jié)果如圖4所示。

圖4 局部阻力系數(shù)隨關(guān)閉角度變化曲線

對比穩(wěn)態(tài)和關(guān)閉過程的計(jì)算結(jié)果，結(jié)果表明：相同關(guān)閉角度下，關(guān)閉過程中的局部損失系數(shù)高于穩(wěn)態(tài)過程中的局部損失系數(shù)，并且在小關(guān)閉角度情況下，球閥具有較小的局部阻力系數(shù)，隨著關(guān)閉角度的增加，局部阻力系數(shù)增加，當(dāng)球閥關(guān)閉角度小于40°時(shí)，局部阻力系數(shù)變化不明顯，而當(dāng)球閥關(guān)閉角度超過50°時(shí)，局部阻力系數(shù)陡升，由此可知，局部阻力系數(shù)的拐點(diǎn)發(fā)生在關(guān)閉角度為40°至50°之間。

4 內(nèi)特性結(jié)果和分析

隨著閥芯的運(yùn)動(dòng)，球閥內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，無論是流量還是壓差都會(huì)產(chǎn)生非常大的改變，這對球閥內(nèi)的流動(dòng)產(chǎn)生了較大的影響，會(huì)嚴(yán)重影響閥門的使用穩(wěn)定性和壽命，受篇幅的限制，本文只針對關(guān)閉過程中若干關(guān)閉角度下的球閥對內(nèi)部流場的影響進(jìn)行研究。

4.1 不同關(guān)閉角度下球閥速度云圖及流線分布

圖5 YZ、XY平面內(nèi)速度云圖分布

球閥在關(guān)閉角度為0°、10°、30°、50°、70°時(shí)YZ平面內(nèi)速度分布云圖及流線分布如圖5中的(a)所示，XY平面內(nèi)速度分布云圖及流線分布如圖5中的(b)所示，其中XY平面顯示的是x橫坐標(biāo)取值范圍為（-5,15），速度單位m/s。

模擬結(jié)果表明：在不同關(guān)閉角度下，XY平面內(nèi)左上角和右下角由于剪切和誘導(dǎo)作用均產(chǎn)生角渦。球閥關(guān)閉角度為10°時(shí)，球閥內(nèi)部已形成了漩渦流動(dòng)，在與流道軸線垂直的截面上形成的一對大小相等、方向相反的漩渦控制著閥芯的流場，但整體流道并沒有出現(xiàn)漩渦，對流場的順暢影響不大。當(dāng)球閥關(guān)閉角度為30°時(shí)，球閥內(nèi)部的流動(dòng)仍然由一對方向相反的漩渦控制，XY平面閥體后端的漩渦運(yùn)動(dòng)開始加強(qiáng)，但流動(dòng)仍然比較順暢。當(dāng)球閥關(guān)閉角度為50°時(shí)，球閥內(nèi)部流道的高速區(qū)斷裂，具有非常明顯的速度梯度，閥體內(nèi)部產(chǎn)生多個(gè)紊亂的漩渦，XY平面閥體后端的回流區(qū)已經(jīng)顯現(xiàn)。與此同時(shí)，球閥的宏觀外特性出現(xiàn)較大改變，其局部損失系數(shù)出現(xiàn)拐點(diǎn)，表明球體內(nèi)部高速區(qū)的斷裂與其外特性具有非常密切的聯(lián)系。隨著關(guān)閉角度的增大，流場內(nèi)部的漩渦運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步加劇，球冠附近的壓力梯度非常明顯，高速區(qū)完全分離，閥體后端存在著大尺寸的三維紊流流動(dòng)。

4.2 不同關(guān)閉角度下球閥總壓云圖分析

圖6為球閥在關(guān)閉角度為0°、10°、30°、50°、70°時(shí)XY平面內(nèi)總壓分布云圖，單位為Pa。整體壓力+3 280 000 Pa。

圖6 XY平面內(nèi)壓力云圖分布

從圖6中可以看出，隨著關(guān)閉角度的增大，由于過流面積逐漸減小，在閥瓣與壁面的微小縫隙中逐漸形成了一股高速射流，介質(zhì)流過閥門時(shí)的壓力損失明顯增加。造成壓力損失的主要原因是閥道內(nèi)部產(chǎn)生旋渦、形成紊流的分離回流區(qū)；其次是閥道出口處流速分布不均勻、流速梯度大。

4.3 不同關(guān)閉角度下球閥流動(dòng)特性分析

為了定量分析閥門的流動(dòng)特性，沿著x軸方向在XY平面內(nèi)閥門前后共設(shè)置9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖7所示，且監(jiān)測點(diǎn)3～7的位置隨著閥門的運(yùn)動(dòng)而變化。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖

關(guān)閉角度為0°時(shí)各監(jiān)測點(diǎn)的x軸坐標(biāo)位置如表1所示，不同關(guān)閉角度（10°、30°、50°、70°）下的監(jiān)測點(diǎn)的速度變化曲線如圖8所示。

表1 關(guān)閉角度為0°時(shí)各監(jiān)測點(diǎn)的x軸坐標(biāo)

圖8 不同關(guān)閉角度下的監(jiān)測點(diǎn)速度

從圖8中可以看出，當(dāng)關(guān)閉角度為10°時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)的速度幾乎沒有變化，隨著關(guān)閉角度的增大，閥體內(nèi)流道與管道軸線成一定角度，流體流過閥門時(shí)折向上方，在閥門出口右上方逐漸形成高速流，所以當(dāng)關(guān)閉角度為30°時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)8的速度最大，而當(dāng)關(guān)閉角度增加到大于50°時(shí)，高速區(qū)斷裂，壓損增大，所以監(jiān)測點(diǎn)3的速度最大。從定量的角度揭示了球體內(nèi)部高速區(qū)的斷裂與其外特性的聯(lián)系。

5 結(jié)論

本文基于標(biāo)準(zhǔn)k-著湍流模型對球閥的內(nèi)部流場在不同關(guān)閉角度下進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究了穩(wěn)態(tài)和關(guān)閉過程中的球閥阻力系數(shù)，并從定性和定量的角度重點(diǎn)分析了球閥內(nèi)部流場的流動(dòng)特性，得到如下結(jié)論：

（1）相同關(guān)閉角度下，關(guān)閉過程中的局部損失系數(shù)高于穩(wěn)態(tài)過程中的局部損失系數(shù)，并且在小關(guān)閉角度情況下，球閥具有較小的局部阻力系數(shù)，隨著關(guān)閉角度的增加，局部阻力系數(shù)增加，當(dāng)球閥關(guān)閉角度小于40°時(shí)，局部阻力系數(shù)變化不大，而當(dāng)球閥關(guān)閉角度大于50°時(shí)，局部阻力系數(shù)陡升，故局部阻力系數(shù)的拐點(diǎn)發(fā)生在關(guān)閉角度為40°至50°之間。

（2）隨著關(guān)閉角度的增加，當(dāng)關(guān)閉角度大于50°時(shí)，由于過流面積的減小，閥瓣與壁面的微小縫隙中逐漸形成了一股高速射流，球閥主流道的高速區(qū)逐漸斷裂，球冠附近的流速梯度大且壓力梯度非常明顯，XY平面閥體后端的漩渦運(yùn)動(dòng)開始加強(qiáng)，流動(dòng)十分紊亂，逐漸形成回流區(qū)，介質(zhì)流過閥門時(shí)的能量損失明顯增加。與此同時(shí)，球閥在關(guān)閉角度為50°時(shí)局部損失系數(shù)出現(xiàn)拐點(diǎn)，表明閥體內(nèi)部高速區(qū)的斷裂與其外特性具有非常密切的聯(lián)系。

（3）隨著關(guān)閉角度的增大，從閥門進(jìn)口左下方到閥門出口右上方逐漸形成高速流，故監(jiān)測點(diǎn)8的速度最大，而當(dāng)關(guān)閉角度增加到大于50°時(shí)，由于高速區(qū)的斷裂，監(jiān)測點(diǎn)3的速度最大，定量的揭示了閥體內(nèi)部高速區(qū)的斷裂與其外特性的聯(lián)系。

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10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.001

2017-01-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51479196，51179192，51139007），青年教師創(chuàng)新項(xiàng)目（2016QC085）,新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NETC-10-0784）。

高 慧（1991-），女，博士研究生，研究方向：泵站水力瞬變過程、單相流/兩相流的計(jì)算動(dòng)力學(xué)、流體機(jī)械及流體工程。