弋鵬飛,馬奭文,張建鵬,李永發(fā)，任 磊

(1.伊犁師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 伊寧 835000； 2.伊犁師范大學(xué) 伊犁學(xué)研究中心，新疆 伊寧 835000；3.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 4.黃河水利委員會 信息中心，河南 鄭州 450003.)

PVC材料制成的灌溉球閥在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工程中是一種常見的流量控制裝置，在輸水過程中，球閥全開時閥體通道過流良好，水流阻力損失小。針對不同結(jié)構(gòu)閥門的流動規(guī)律研究很多。劉曄等[1]采用FLUENT軟件對球閥進行流場模擬，當(dāng)球閥開度為20°時，球閥內(nèi)部有回流和漩渦現(xiàn)象，流道垂直截面上形成大小相等、方向相反的一對漩渦。石喜等[2]采用試驗和數(shù)值模擬方法，明確了聚氯乙烯球閥穩(wěn)態(tài)流動時的局部阻力系數(shù)和相對開度的關(guān)系，并建立了兩者之間的數(shù)學(xué)表達式。曹彪等[3]利用試驗和數(shù)值模擬技術(shù)對田間電磁閥的水流阻力特性和流動規(guī)律進行了研究，分析了該類型閥體產(chǎn)生阻力損失的原因，擬合得出電磁閥閥腔局部阻力系數(shù)與管徑的關(guān)系式。Moujaes等[4]模擬雷諾數(shù)105～106之間流動條件下，球閥在不同開啟程度下壓降差的變化，計算了局部阻力系數(shù)與流量系數(shù)這兩個表征閥門特性的參數(shù)，并和有關(guān)規(guī)范數(shù)據(jù)進行對比，模擬結(jié)果與試驗一致。Chern等[5]采用數(shù)值模擬方法和試驗對不同錐角的V型球閥進行研究，分析在不同角度下流動特性和空化特性，測量了流量系數(shù)等參數(shù)。以上學(xué)者所作的均是閥門穩(wěn)態(tài)流動的研究[6]，均未討論閥門瞬間關(guān)閉對管道壓強變化的影響。劉華坪等[7]采用動網(wǎng)格模擬和UDF技術(shù)，對球閥等常見閥門進行了瞬態(tài)數(shù)值模擬，模擬可以展示出閥門啟閉流動狀態(tài)和受力情況。石柯[8]對球閥的開啟瞬態(tài)流動阻力特性進行了試驗和數(shù)值模擬，表明隨著開啟速度的增加，流量系數(shù)和阻力系數(shù)都有一定范圍的變化，通過數(shù)值模擬和試驗進行對比，證明利用CFD技術(shù)對球閥開啟過程的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)特性進行數(shù)值模擬，預(yù)測流動過程是可行的。綜上所述，采用數(shù)值模擬方法對閥門等連接管件進行研究具有較好的研究基礎(chǔ)和可行性[9-10]。

在實際應(yīng)用過程中，為了調(diào)節(jié)不同的流量，球閥會瞬時關(guān)閉局部或全部，壓力和流速急劇變化導(dǎo)致了流動的能量損失，而且產(chǎn)生劇烈的水錘現(xiàn)象，引起閥門和管道的振動，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致管道和閥門的損壞，對球閥瞬態(tài)水流流動進行分析研究顯得尤為必要。目前對灌溉PVC材質(zhì)球閥關(guān)閉過程的瞬態(tài)流動特性研究較少，PVC球閥的結(jié)構(gòu)與固定式球閥不同，據(jù)觀察它不含閥體間隙，無間隙對內(nèi)部流場就沒有影響，對其研究可以進行合理的簡化[11]。本文通過PVC球閥水流流動試驗，運用FLUENT軟件動網(wǎng)格技術(shù)對球閥關(guān)閉過程進行瞬態(tài)流動數(shù)值模擬，分析關(guān)閉過程球閥的流速、流線、壓強、渦量、湍動能特征，為灌溉系統(tǒng)的PVC球閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及流動特性預(yù)測提供參考。

1 PVC球閥內(nèi)部水流流動特性試驗

試驗地點：河海大學(xué)水利水電學(xué)院一樓水力發(fā)電實驗室。試驗裝置：含有地下水井、臥式離心泵、恒壓水箱、測壓管，鋼管、PVC管材，PVC材質(zhì)DN50球閥、三角量水堰、智能流量計。試驗系統(tǒng)布置見圖1。

圖1 DN50球閥流動特性試驗布置

試驗?zāi)康模簻y定DN50球閥不同開度時的局部阻力系數(shù)和流量系數(shù)。

測試物理量：管道流量、測壓管水位。

試驗方法：啟動水泵，調(diào)節(jié)高位水箱達到預(yù)設(shè)水位，試驗水位可調(diào)范圍2 m～6 m，流速0.5 m/s～4.0 m/s。流動穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)球閥從全開到關(guān)閉。球閥的相對開度是指閥芯隨閥桿逐漸開啟或關(guān)閉時，閥桿的行程或轉(zhuǎn)角與全開閥桿行程或轉(zhuǎn)角之比，全開時τ=100%，全關(guān)時τ=0%。分別調(diào)節(jié)球閥到開度93%、85%、70%、62%、54%、45%、37%，等水流穩(wěn)定后，測量球閥前端12d與后端18d(d為管道直徑)設(shè)置點的測壓管水位值，選取這兩個距離位置作為測點，是為了減少球閥水流對上下游邊界的影響以及減小球閥出水口回流的影響。量取三角堰的水位，換算成流量，并驗證流量計讀數(shù)。計算局部阻力損失系數(shù)及流量系數(shù)，每個開度測量3次數(shù)據(jù)，取平均值，再次進行球閥關(guān)閉到全開，復(fù)測局部阻力系數(shù)及流量系數(shù)，以驗證所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 數(shù)值模擬計算方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

球閥內(nèi)部流動屬于不可壓縮的三維黏性流動，在小開度工況時，內(nèi)部流態(tài)為湍流流動，流動規(guī)律用Navier-Stokes 方程、質(zhì)量守恒、能量守恒方程描述。流場流速和壓強等物理量采用流體動力學(xué)FLUENT軟件進行求解，求解控制方程利用Relizablek-ε湍流模型，該模型在射流和混合流的自由流動、管道內(nèi)流動、邊界層流動以及帶有分離的流動方面具有優(yōu)勢，計算可與真實湍流情形吻合較好[12]。因此本文采用Relizablek-ε湍流模型對球閥關(guān)閉過程的內(nèi)部瞬態(tài)流動進行模擬，控制方程見文獻[13]。

2.2 動網(wǎng)格模擬方法

PVC球閥DN50模型在Gambit中建立，該球閥屬于縮徑球閥，模型參數(shù)設(shè)置：閥芯球體通道直徑40 mm，兩端管道直徑50 mm，對模型劃分網(wǎng)格及閥芯設(shè)置交界面、運動區(qū)域和靜止區(qū)域，速度入口和自由出流。模型取閥前12d和閥后18d(d為管道直徑)，與試驗測點位置相同，由于球閥內(nèi)部流場較為復(fù)雜，閥門局部區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格加密，兩端管道采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分。

如圖2所示，球閥在0.305 rad/s的角速度下，運動時間在2 s時刻的模型為例，閥芯球面A1和A2及B1和B2作為兩對滑移網(wǎng)格交界面，將中間的閥芯作為運動區(qū)域，網(wǎng)格類型設(shè)為動網(wǎng)格，設(shè)置為剛體模型。閥芯兩邊管道設(shè)為靜區(qū)域，網(wǎng)格類型設(shè)為靜態(tài)。球閥關(guān)閉即為當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)到一定角度時，閥芯球面A1和A2完全脫離，B1和B2完全脫離，出現(xiàn)這種情形時即為模擬球閥完全關(guān)閉時的情況，開啟即是閥芯完全與兩端管道相連通。

圖2 DN50球閥動網(wǎng)格模型(相對開度50%)

在計算過程中，采用Profile文件寫入代碼，閥芯為勻速運動，轉(zhuǎn)動速度為0.305 rad/s、0.610 rad/s、1.220 rad/s，模擬關(guān)閉時間4 s、2 s、1 s。

球閥在運動過程中，壓力、速度和水流現(xiàn)象都隨著時間而進行變化，因此選擇非定常求解方法，迭代計算設(shè)置時間步長0.01 s，時間步數(shù)=關(guān)閥時間/時間步長，每次最大迭代步數(shù)為20步。

邊界條件：為了提高計算的速度和穩(wěn)定性，先進行球閥全開時的穩(wěn)定流動計算，待流動穩(wěn)定后將其收斂解作為瞬態(tài)計算的初始值。設(shè)置速度入口3 m/s，雷諾數(shù)1.5×105，出口為自由出流，其他邊界條件見表1。模擬前進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，DN50球閥網(wǎng)格數(shù)在35.5×104個時，再增加網(wǎng)格數(shù)對其模擬值影響很小，即認(rèn)為該模型網(wǎng)格數(shù)可保證計算結(jié)果的精度。

表1 邊界條件設(shè)置

3 結(jié)果與分析

3.1 PVC球閥局部阻力系數(shù)及流量系數(shù)計算

局部阻力系數(shù)和流量系數(shù)是表征球閥流動特性的兩個重要參數(shù)指標(biāo)。球閥流量系數(shù)計算公式[14]：

(1)

式中：Q為測得水的流量，m3/h；Δpv為閥門的凈差壓，kPa；ρ為水的密度，kg/m3；ρ0為15℃時水的密度，kg/m3；在常溫的時候，ρ/ρ0=1。

球閥局部阻力系數(shù)公式[15]：

(2)

式中:u為管道平均流速,m/s。

根據(jù)文獻[2]所述，Re≥1.1×105后，DN50球閥局部阻力系數(shù)已經(jīng)進入類似沿程阻力系數(shù)的阻力平方區(qū)，數(shù)值趨于穩(wěn)定，試驗調(diào)節(jié)管道流速3 m/s，雷諾數(shù)為1.5×105，根據(jù)計算公式得到球閥不同開度下的流量系數(shù)、局部阻力系數(shù)，并與FLUENT模擬結(jié)果相對比，采用冪函數(shù)進行擬合，表達式如下：

流量系數(shù)與相對開度：

Kv=67.42τ2.318+2.014，R2=0.998 5

(3)

局部阻力系數(shù)與相對開度：

ξ=5.145τ-3.119-4.442，R2=0.999 9

(4)

從表達式的可決系數(shù)看，表明建立的公式是可信的，說明采用湍流模型是正確的。根據(jù)圖3分析，DN50型球閥的流量系數(shù)與相對開度呈單調(diào)遞增，局部阻力系數(shù)與相對開度呈單調(diào)遞減的關(guān)系，50%～60%開度是流量系數(shù)曲線與局部阻力系數(shù)曲線變化的拐點，實測值與模擬值較為接近，變化規(guī)律一致，符合球閥具有等百分比流量調(diào)節(jié)特性理論[16]，流量系數(shù)和局部阻力系數(shù)公式可預(yù)測PVC球閥的流量變化及流動阻力特性。

圖3 DN50球閥流量系數(shù)、局部阻力系數(shù)模擬與試驗結(jié)果

3.2 PVC球閥瞬態(tài)關(guān)閉流速及流線變化

在實際農(nóng)田灌溉工程中，一般采用泵裝置對管道穩(wěn)壓供水，流量為恒定流量，PVC球閥在灌溉管網(wǎng)中起到了調(diào)節(jié)流量大小的作用。對管道流速3 m/s，DN50球閥以轉(zhuǎn)速0.305 rad/s、0.610 rad/s、1.220 rad/s勻速順時針關(guān)閉，對應(yīng)關(guān)閉時間4 s、2 s、1 s的工況進行模擬。其中4 s關(guān)閥工況中不同時刻流場如圖4所示。

在初始100%全開時候，球閥及前后管道流線平順，流速分布均勻，高速區(qū)充滿整個閥芯斷面。由于閥芯直徑小于管道直徑，在閥芯后面管道出現(xiàn)流速梯度，中部速度大，兩邊管壁速度小[17]。閥門隨著關(guān)閉時間增大開度逐漸減小，在0.8 s、1.6 s、2.8 s時刻，球閥開度80%、60%、30%時，閥后管道都形成了漩渦和回流現(xiàn)象，從閥芯進口流入的水流在閥門關(guān)閉過程發(fā)生偏轉(zhuǎn)，部分水流折回閥內(nèi)，正截面處形成了兩個對稱的漩渦(見圖5)，漩渦隨開度減小逐漸不對稱，一個漩渦面積增大，另外一個被擠壓到邊壁。閥門關(guān)閉到30%時，漩渦和回流現(xiàn)象非常明顯，范圍向閥后管壁擴大，近乎布滿整個管道，高速區(qū)斷面減小，在閥芯出口處由中部向管道邊壁轉(zhuǎn)移，流動方向發(fā)生改變，閥門在關(guān)閉過程中入口及出口產(chǎn)生射流現(xiàn)象，其中入口沖蝕最為激烈，在關(guān)閉2.8 s/30%時刻，最大流速為57.247 m/s，是入口速度的19.08倍。

圖4 球閥關(guān)閉過程流速分布及流線

圖5 不同時刻閥芯ZOY截面速度流線圖

渦量是反映剪切及旋轉(zhuǎn)的綜合參數(shù)，統(tǒng)計了球閥在關(guān)閉的不同時刻的X-Y截面渦量平均值，隨著關(guān)閥時間進程，閥門開度逐漸減小，在閥芯入口和出口流速也相對加大，渦量呈增大的趨勢，在80%、60%、30%相對開度下，渦量平均值分別為107.005 s-1、141.113 s-1、268.298 s-1，如圖6所示渦量的最大值發(fā)生在閥芯內(nèi)及進口和出口附近。關(guān)閥至小開度時，球閥內(nèi)部和閥后管道水流產(chǎn)生漩渦和回流，流體質(zhì)點進行了摻混和分離，而且湍流強度加劇，在回流區(qū)消耗了大量的機械能[18]，也是球閥產(chǎn)生較大局部水頭損失、局部阻力系數(shù)增大的主要原因。

圖6 不同開度閥芯渦量云圖 (從上到下依次80%、60%、30%)

圖7 不同開度閥芯湍動能云圖

3.3 PVC球閥瞬態(tài)關(guān)閉壓力變化

從圖8中可以看出在壓力云圖中，閥門全局壓力隨著關(guān)閥發(fā)生變化，全開時候，壓力在閥芯入口處存在壓力梯度，但壓力梯度較小，由于閥芯孔徑小于管道通徑，閥芯流速較大于兩邊管道的速度，呈現(xiàn)文丘里效應(yīng)，根據(jù)伯努利原理，縮徑處動能增大，壓能將減小，則閥芯的壓強小于閥前后管道壓強。水流流出閥芯后，閥后管道壓強逐漸恢復(fù)，但總體小于閥前管道壓強。在小開度工況時，流動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，閥后流體質(zhì)點的摻混和分離運動引起渦量、湍動能加劇，形成負壓。由于閥后流量逐漸減小，管道壓強梯度隨開度減小而逐漸增大，閥后管道負壓程度增強(見圖8)。

圖8 不同時刻管道壓力分布云圖

隨著關(guān)閥的進行，閥前壓強逐漸增大，閥芯進口和出口壓強梯度增大，閥后出口仍然是負壓狀態(tài)，負壓的趨勢增強。如圖9所示，在關(guān)閥2.8 s，開度30%時候，閥門關(guān)閉時，流體集中在閥前，發(fā)生壓力集聚現(xiàn)象，在閥前形成明顯的高壓區(qū)，平均壓強值500 kPa是全開時相同位置處壓強的50倍，可見瞬時關(guān)閥引起管道壓力劇增。閥后由于水流形成的漩渦和回流，引起的質(zhì)點分離程度加大，負壓區(qū)域擴展到閥后管道250 mm處。總之隨著閥門關(guān)閉，開度逐漸減小，引起的壓強梯度逐漸增大，產(chǎn)生的局部阻力損失也隨之增加，這也是球閥在小開度工況時局部阻力系數(shù)猛增的原因。

圖10為關(guān)閥過程中，統(tǒng)計了從全開關(guān)閉到30%開度過程，距離閥芯中心上游管道50 mm截面處平均壓力隨關(guān)閥時間而產(chǎn)生的變化，可以看出閥前壓力隨著閥門的關(guān)閉逐漸升高，關(guān)閥時間越短，增幅越快，1 s、2 s、4 s關(guān)閥壓力增幅分別為785.82 kPa/s、463.95 kPa/s、234.87 kPa/s，擬合了閥前壓力與關(guān)閥時間的函數(shù)關(guān)系式，可以發(fā)現(xiàn)壓力升高與關(guān)閉時間呈e指數(shù)的函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式可預(yù)測一定關(guān)閥時間內(nèi)引起的閥前壓力變化。1 s和2 s關(guān)閥引起壓力增速過快，將引起爆管危險，建議延長關(guān)閥時間，以減小閥前壓力急劇升高而產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，本文建議在勻速關(guān)閥方式下，關(guān)閥時間t≥4 s。

圖9 不同時刻閥芯壓力分布

圖10 閥前壓力隨時間變化曲線

4 結(jié) 論

為了探討PVC球閥瞬時關(guān)閉的流動特性，本文對不含閥體間隙的PVC球閥進行流動特性試驗和數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

(1) 球閥的流量系數(shù)與相對開度呈冪函數(shù)單調(diào)遞增，局部阻力系數(shù)與相對開度呈冪函數(shù)單調(diào)遞減的關(guān)系，50%～60%開度是局部阻力系數(shù)與流量系數(shù)曲線變化的拐點，建立的公式可預(yù)測球閥流動阻力變化及流量變化。

(2) 球閥在關(guān)閉過程中，相對開度80%以下在閥門中及閥后形成漩渦和回流現(xiàn)象，閥芯入口及出口處速度梯度較大，形成流動高速區(qū)，閥芯入口流速為全域最大值，渦量與湍動能隨著開度減小而增大。

(3) 關(guān)閥引起閥芯進口和出口壓強梯度增大，閥后出口處由于質(zhì)點分離產(chǎn)生局部負壓。閥前壓力隨著閥門的關(guān)閉逐漸增大，關(guān)閥時間越短，增幅越快，閥前壓力升高變化與關(guān)閉時間呈e指數(shù)函數(shù)關(guān)系，建議適當(dāng)延長關(guān)閥時間t≥4 s，避免水錘現(xiàn)象。

上述結(jié)論可為節(jié)水灌溉系統(tǒng)的PVC球閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及流動特性預(yù)測提供參考。