張亞武，鄭 凱，周建中，徐利君，歐雅雯，彭緒意

(1.國(guó)家電網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100053；2. 華中科技大學(xué) 水電與數(shù)字化工程學(xué)院，武漢 430074；3. 江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西 宜春 330603)

主進(jìn)水閥是抽水蓄能電站重要的設(shè)備之一，其主要作用是：①當(dāng)電站機(jī)組異常時(shí)或者需要檢修時(shí)，可以截?cái)嗨?，以保障機(jī)組安全；②可以和調(diào)速器配合，參與機(jī)組調(diào)節(jié)以減輕水力振蕩。當(dāng)抽水蓄能電站發(fā)生甩負(fù)荷或者導(dǎo)葉拒動(dòng)等異常時(shí)，主進(jìn)水閥應(yīng)迅速動(dòng)水關(guān)閉，及時(shí)切斷水流，但其動(dòng)水關(guān)閉過(guò)程中流場(chǎng)會(huì)劇烈變化，甚至?xí)霈F(xiàn)漩渦、空化和水擊等現(xiàn)象[1]。因此研究抽水蓄能電站甩負(fù)荷工況下，主進(jìn)水閥動(dòng)水關(guān)閉過(guò)程中流場(chǎng)水力瞬變過(guò)程是非常必要的，可以為主進(jìn)水閥水力優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)改造提供理論指導(dǎo)，具有十分重要的工程實(shí)際意義。

CFD方法可以計(jì)算和顯示實(shí)驗(yàn)很難測(cè)量甚至無(wú)法測(cè)量的流動(dòng)參數(shù)，是研究水力機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)特性的一種常用的有效方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)主進(jìn)水閥的流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，Nuno M C Martins等人[2]運(yùn)用Realizablek-ε湍流模型計(jì)算了閥門關(guān)閉時(shí)管道內(nèi)水擊壓力，分析了壓力波動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)流動(dòng)可視化有利于進(jìn)一步問(wèn)題的分析；楊國(guó)強(qiáng)等人[3]在流體為常溫水，流道較短且流速較低的條件下，將球閥流道計(jì)算區(qū)域流體簡(jiǎn)化為不可壓縮流體，選用k-ε模型對(duì)球閥在不同開(kāi)度下的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，得出閥前閥后壓差、流量系數(shù)和流阻系數(shù)的變化，對(duì)球閥的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用有指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。周東岳等人[4]采用CFD方法研究了主進(jìn)水閥各開(kāi)度下的出口流量，計(jì)算得到局部損失系數(shù)及流量系數(shù)隨開(kāi)度的變化，解決了主進(jìn)水閥過(guò)流特性數(shù)據(jù)缺乏的問(wèn)題。許文奇等人[5]采用k-ε湍流模型模擬了基于不同關(guān)閥規(guī)律的瞬態(tài)過(guò)程，探究主進(jìn)水閥流場(chǎng)演變規(guī)律，結(jié)果表明該模型采用兩段線性關(guān)閉規(guī)律可降低水擊壓力。目前國(guó)內(nèi)外研究多集中于主進(jìn)水閥離散開(kāi)度的穩(wěn)態(tài)計(jì)算和主進(jìn)水閥單獨(dú)關(guān)閉的流動(dòng)分析，且鮮有針對(duì)抽水蓄能電站甩負(fù)荷工況時(shí)主進(jìn)水閥動(dòng)水關(guān)閉過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性研究。

本文對(duì)甩負(fù)荷工況下主進(jìn)水閥導(dǎo)葉拒動(dòng)與導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)兩種關(guān)閥方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)CFD模擬，并分析上下游延伸段、閥芯和閥腔內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)和演化規(guī)律，為預(yù)測(cè)兩種關(guān)閥方式對(duì)主進(jìn)水閥的影響、保障機(jī)組安全運(yùn)行提供了參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律是描述流體運(yùn)動(dòng)的基本定律[6]。對(duì)于本文所研究的主進(jìn)水閥過(guò)流部件中的流動(dòng)問(wèn)題，流動(dòng)介質(zhì)是低速的水流，可近似為不可壓縮流體，選用連續(xù)性方程(1)和RANS方程(2)模擬主進(jìn)水閥內(nèi)部的湍流流動(dòng)。

(1)

(2)

式中：μ為液體分子黏性數(shù)；下標(biāo)i可取值為1、2、3，以表示空間坐標(biāo)軸的3個(gè)方向；μt為湍流黏性數(shù)；fi為體積力。

1.2 湍流模型

本文研究主進(jìn)水閥中的流動(dòng)狀態(tài)，流動(dòng)介質(zhì)是低速的水流且研究對(duì)象尺度較小，可近似為不可壓縮流體，忽略流體介質(zhì)的密度變化[7]采用k-ε湍流模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)主進(jìn)水閥內(nèi)部的湍流流動(dòng)模擬[8]。Realizablek-ε模型考慮流體微團(tuán)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)有較好的表現(xiàn)，更加符合湍流的物理特性，適合用于湍流壓力脈動(dòng)的研究[9]，選擇Realizablek-ε湍流模型[10]進(jìn)行封閉。其中，湍動(dòng)能方程(3)和湍動(dòng)能耗散率方程(4)分別為：

(3)

(4)

其中湍流黏性系數(shù)：

(5)

式中：t表示時(shí)間；ρ為流體密度；k為湍動(dòng)能；ui為流體速度分量；μ為層流黏性；μt為湍流動(dòng)力黏性；xi的下標(biāo)i取1、2、3以表示空間坐標(biāo)軸的3個(gè)方向；模型常數(shù)為c1=1.44，c2=1.92，σk=1.0，cμ是湍流時(shí)間的函數(shù)。

2 仿真模型建立

本文以某抽水蓄能電站主進(jìn)水閥過(guò)流部件為研究對(duì)象，首先建立閥芯、閥腔、上游延伸段、下游延伸段等主要部分的三維幾何建模如圖1所示。各部件主要尺寸如表1所示。

表1 部件主要尺寸表Tab.1 Main dimension table of parts

采用結(jié)構(gòu)化劃分方式生成高質(zhì)量網(wǎng)格模型如圖2所示，為保證交界面處的網(wǎng)格質(zhì)量，更準(zhǔn)確地反應(yīng)壓力分布，在此區(qū)域運(yùn)用加密技術(shù)，最終生成的整體網(wǎng)格質(zhì)量大于0.5。

1-上游延伸段；2-閥腔；3-閥芯；4-下游延伸段；5-上游延伸段管道邊界；6-下游延伸段管道邊界；7-計(jì)算監(jiān)測(cè)截面圖1 主進(jìn)水閥水體模型Fig.1 Main inlet valve water body model

圖2 主進(jìn)水閥整體網(wǎng)格模型Fig.2 Main inlet valve overall mesh model

為保證計(jì)算結(jié)果不受網(wǎng)格生成結(jié)果影響，需要進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。本文對(duì)主進(jìn)水閥仿真模型進(jìn)行了四種網(wǎng)格數(shù)量的驗(yàn)證，將CFD仿真的閥前閥后壓差值與一維仿真計(jì)算的壓差值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比如表2所示，綜合比較計(jì)算成本和結(jié)果精度后選擇120萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)的方案作為后續(xù)仿真計(jì)算的研究方案。

表2 方案對(duì)比Tab.2 Scheme comparison

3 求解設(shè)置與邊界條件

將得到的主進(jìn)水閥整體網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent軟件中，選用基于壓力的求解器，采取二階迎風(fēng)離散格式以便得到更高精度的仿真結(jié)果。選用SIMPLEC算法，將亞松弛因子設(shè)置為1[11]，同時(shí)在近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。設(shè)置如圖1所示主進(jìn)水閥上游延伸段管道截面為速度入口邊界，主進(jìn)水閥下游延伸段管道截面為壓力出口邊界。邊界上時(shí)變的壓力值、速度值由編寫的profile文件給定。閥芯處的流體域運(yùn)動(dòng)方式設(shè)置為Mesh Motion，由電站主進(jìn)水閥關(guān)閥時(shí)間為64 s，轉(zhuǎn)速設(shè)置為0.024 54 rad/s。

4 仿真計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 導(dǎo)葉拒動(dòng)時(shí)主進(jìn)水閥直線關(guān)閥

在額定發(fā)電工況下突甩負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)葉拒動(dòng)情況下，采取主進(jìn)水閥動(dòng)水關(guān)閉操作確保及時(shí)切斷水流，確保機(jī)組安全。根據(jù)幾何尺寸計(jì)算出當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)到84°時(shí)，閥芯已經(jīng)不與上游延伸段接觸，閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0°～84°，約為60 s。設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)為固定0.1 s，一共設(shè)置660個(gè)時(shí)間步，考慮動(dòng)水關(guān)閉過(guò)程流動(dòng)參數(shù)變化較為復(fù)雜，每個(gè)時(shí)間步中迭代次數(shù)適當(dāng)取較大值，設(shè)為400次迭代 ，監(jiān)測(cè)并保存每一時(shí)間步的閥前壓力。

將CFD瞬態(tài)仿真計(jì)算中監(jiān)測(cè)到的閥前壓力(圖1計(jì)算監(jiān)測(cè)截面)與一維仿真計(jì)算壓力作對(duì)比，一維仿真計(jì)算是基于有壓管道非恒定流特征線法[12]，對(duì)比如圖3所示?？梢钥闯鯟FD仿真壓力和一維仿真計(jì)算壓力變化趨勢(shì)大致相同，誤差在可接受范圍，可見(jiàn)CFD仿真結(jié)果具有較高的可信度。

圖3 CFD仿真壓力和一維仿真壓力變化曲線對(duì)比Fig.3 Comparisons between CFD simulation pressure and one-dimensional simulation pressure curve

根據(jù)瞬態(tài)過(guò)程計(jì)算，由圖4可知，在動(dòng)水關(guān)閥過(guò)程中，壓力變化多集中在閥芯出入口與上下游延伸段的交界處，閥芯壓力場(chǎng)分布較紊亂，下游延伸段壓力變化較明顯，局部出現(xiàn)低壓區(qū)。由圖5可知，在動(dòng)作時(shí)間前35 s的時(shí)間，高流速區(qū)集中在閥芯內(nèi)部和閥腔內(nèi)，部分出現(xiàn)在下游延伸段。在關(guān)閥動(dòng)作25 s時(shí)，閥腔內(nèi)部形成渦流，35 s以后，高流速區(qū)出現(xiàn)在閥芯與上下游延伸段交界處、下游延伸段和閥腔內(nèi)，同時(shí)閥腔內(nèi)部形成渦流，渦流的形成影響了流場(chǎng)的穩(wěn)定性。

由圖6可知，閥腔內(nèi)部壓力最大出現(xiàn)在樞軸處，最大壓力約為9.5 MPa，閥芯與閥腔連接處有較大壓強(qiáng)。樞軸壓力分布不均勻且壓差過(guò)大，可能引起樞軸處的形變和疲勞損傷，對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全產(chǎn)生隱患。在動(dòng)作的第42 s即開(kāi)度約為60°時(shí)，閥腔流速約為70 m/s，為整個(gè)流場(chǎng)中流速最大的區(qū)域，水流不斷沖擊閥體，會(huì)形成高壓區(qū)，增加閥體受力的不穩(wěn)定性。

圖4 各時(shí)刻整體壓力圖Fig.4 Pressure diagram at every moment

圖5 各時(shí)刻整體流速圖Fig.5 Velocity diagram at every moment

圖6 t=42 s時(shí)閥腔壓力和速度圖Fig.6 Valve chamber pressure and velocity diagram at t=42 s

4.2 導(dǎo)葉與主進(jìn)水閥協(xié)聯(lián)關(guān)閉

實(shí)際工作中，可采用主進(jìn)水閥與導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)關(guān)閉的操作方式，導(dǎo)葉從開(kāi)始動(dòng)作到結(jié)束時(shí)間為25 s，主進(jìn)水閥采取直線關(guān)閉方式，從動(dòng)作開(kāi)始到結(jié)束時(shí)間為64 s。在主進(jìn)水閥動(dòng)作結(jié)束后，水流并沒(méi)有立刻停止運(yùn)動(dòng)，由于水流慣性和水錘波的傳遞，水流來(lái)回波動(dòng)、反向，此時(shí)流場(chǎng)還存在變化，為了充分反映主進(jìn)水閥動(dòng)作后的流場(chǎng)變化情況，選擇模擬70 s的CFD仿真過(guò)程。設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)為固定0.2 s，一共設(shè)置350個(gè)時(shí)間步，考慮動(dòng)水關(guān)閉過(guò)程流動(dòng)參數(shù)變化較為復(fù)雜，每個(gè)時(shí)間步中迭代次數(shù)適當(dāng)取較大值，設(shè)為400次迭代，監(jiān)測(cè)并保存每一時(shí)間步的閥前壓力。

將瞬態(tài)計(jì)算中監(jiān)測(cè)到的閥前壓力(圖1計(jì)算監(jiān)測(cè)截面)與一維仿真計(jì)算壓力作對(duì)比，計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖7所示，可以看出CFD仿真結(jié)果和一維仿真結(jié)果變化趨勢(shì)基本吻合，誤差極小，可見(jiàn)CFD仿真結(jié)果具有較高的可信度。由一維仿真計(jì)算可知，在導(dǎo)葉完全關(guān)閉后通過(guò)主進(jìn)水閥的水流量接近于零，如圖8所示，此時(shí)主進(jìn)水閥內(nèi)部流場(chǎng)變化較小，因此主要研究導(dǎo)葉動(dòng)作的25 s內(nèi)的主進(jìn)水閥流場(chǎng)變化情況。分別選取5、10、15、20、25、26 s時(shí)刻，進(jìn)行壓力、流速及流場(chǎng)分析。

由圖9可知，主進(jìn)水閥開(kāi)始動(dòng)作后，上下游延伸段壓力隨著關(guān)閥動(dòng)作而改變，主進(jìn)水閥每秒流場(chǎng)壓力變化頻繁，上下游延伸段與閥腔連接處由于水流的沖擊，易形成高壓區(qū)。上下游延伸段壓力差多次出現(xiàn)負(fù)值，在此壓力差的作用下流經(jīng)主進(jìn)水閥的水流出現(xiàn)多次反向。如圖10所示，流量反向過(guò)程中，會(huì)在閥芯內(nèi)部形成渦旋，擾亂原本的流場(chǎng)，流速較大值多次出現(xiàn)在主進(jìn)水閥閥芯進(jìn)出口處和下游延伸段，該處受到?jīng)_擊最大。在導(dǎo)葉完全關(guān)閉后，主進(jìn)水閥內(nèi)部的流量驟減，主進(jìn)水閥在后續(xù)關(guān)閉過(guò)程中流場(chǎng)變化很小，由于水流在主進(jìn)水閥內(nèi)部不停地波動(dòng)，不斷形成渦旋，最后隨著能量耗散趨于穩(wěn)定。

圖7 CFD仿真壓力和一維仿真壓力變化曲線對(duì)比Fig.7 Comparisons between CFD simulation pressure and one-dimensional simulation pressure curve

圖8 過(guò)閥流量圖Fig.8 Over-valve flow chart

圖9 各時(shí)刻整體壓力圖Fig.9 Pressure diagram at every moment

圖10 各時(shí)刻整體流線圖Fig.10 Velocity diagram at every moment

由圖11可知，在動(dòng)作后第6秒閥腔壓力達(dá)到整個(gè)關(guān)閥過(guò)程中的最大值，在閥腔靠近下游延伸段處，約為7.6 MPa，在導(dǎo)葉還未完全關(guān)閉前，主進(jìn)水閥閥腔內(nèi)壓力變化較復(fù)雜，低壓區(qū)和高壓區(qū)均常見(jiàn)于閥腔與上下游延伸段連接處，且樞軸處常出現(xiàn)壓力最大值。在運(yùn)行過(guò)程中，樞軸處較容易存在安全隱患。

4.3 兩種關(guān)閥方式對(duì)比

為了評(píng)估兩種動(dòng)水關(guān)閥方式在甩負(fù)荷發(fā)生后過(guò)渡過(guò)程中的調(diào)節(jié)效果，對(duì)兩種關(guān)閥方式進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到兩種關(guān)閥方式的一維數(shù)值仿真計(jì)算和三維仿真計(jì)算結(jié)果，如表3所示。協(xié)聯(lián)關(guān)閉的最大機(jī)組轉(zhuǎn)速和最大閥前壓力與主進(jìn)水閥單獨(dú)關(guān)閉時(shí)差別較小，因?yàn)榇藭r(shí)主進(jìn)水閥開(kāi)度較大，協(xié)聯(lián)關(guān)閉的調(diào)節(jié)效果不明顯。但是協(xié)聯(lián)關(guān)閉與主進(jìn)水閥單獨(dú)關(guān)閉相比，可以較快的降低機(jī)組轉(zhuǎn)速(降低約76 r/min與5 r/min)和閥前壓力值(降低約34 m和10.9 m)，因?yàn)榇藭r(shí)主進(jìn)水閥開(kāi)度減小約27°，流量減小和局部阻力系數(shù)明顯增大，使得協(xié)聯(lián)關(guān)閉調(diào)節(jié)效果較明顯。同時(shí)協(xié)聯(lián)關(guān)閉時(shí)閥腔壓力最大值低于主進(jìn)水閥單獨(dú)關(guān)閉，流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主進(jìn)水閥單獨(dú)關(guān)閉，而閥腔是主進(jìn)水閥最容易發(fā)生故障的位置，協(xié)聯(lián)關(guān)閉方式對(duì)主進(jìn)水閥更安全。

圖11 各時(shí)刻閥腔壓力Fig.11 Valve chamber pressure at each moment

表3 主進(jìn)水閥兩種關(guān)閥方式數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Data comparison of two valve closing modes

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)主進(jìn)水閥在甩負(fù)荷工況兩種動(dòng)水關(guān)閥方式下的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了在不同關(guān)閥方式下主進(jìn)水閥內(nèi)部流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性，綜合分析得出以下結(jié)論。

(1)在主進(jìn)水閥單獨(dú)關(guān)閉時(shí)，閥前閥后壓差會(huì)隨著主進(jìn)水閥關(guān)閉而增大；關(guān)閥時(shí)水流在主進(jìn)水閥內(nèi)部多次反向，流態(tài)紊亂，易形成渦流，影響流場(chǎng)穩(wěn)定。

(2)渦流的形成與主進(jìn)水閥內(nèi)部流量反向有關(guān)，流量反向的前后時(shí)間易產(chǎn)生渦流；渦流不僅影響流量控制，還產(chǎn)生壓力波動(dòng)以及噪聲。

(3)在兩種關(guān)閥方式中，閥芯與上下游延伸段的交接處由于水流的沖擊，會(huì)形成局部高壓區(qū)，增加主進(jìn)水閥受力的不平衡性；閥腔內(nèi)部壓力較高，閥腔中的壓力最大值常出現(xiàn)在樞軸處，此處更易產(chǎn)生形變和疲勞損傷。

(4)在發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)，兩種關(guān)閥方式中，協(xié)聯(lián)關(guān)閉的方式可以有效降低機(jī)組轉(zhuǎn)速和主進(jìn)水閥進(jìn)口壓力，同時(shí)，閥腔中的最大壓力和最大流速較小，因此協(xié)聯(lián)關(guān)閉能夠有效的改善水擊壓力和減小壓力脈動(dòng)，使機(jī)組運(yùn)行更安全。

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