李燕輝，蔣 勁，王玉成，趙文勝，廖志芳

(1.武漢大學(xué)水力機(jī)械過(guò)渡過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.博納斯威閥門股份有限公司，天津 301802)

0 引 言

活塞式調(diào)節(jié)閥能滿足管線系統(tǒng)中的各種特殊調(diào)節(jié)要求，廣泛應(yīng)用于大中型輸、調(diào)水項(xiàng)目和水利水電工程。該閥門可用于水源存儲(chǔ)的液位和壓力調(diào)節(jié)，輸水管網(wǎng)的流量調(diào)節(jié)，水泵啟動(dòng)保護(hù)和供水工程中的管網(wǎng)壓力平衡等[1]?；钊秸{(diào)節(jié)閥主要由閥體、閥芯(活塞)、閥座、閥軸和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，其圓筒形的活塞閥芯在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下在閥腔內(nèi)作軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。另外，閥體為內(nèi)外圓筒式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，流線型的閥腔及軸向?qū)ΨQ流道使閥內(nèi)任何過(guò)流斷面均為環(huán)狀，保證介質(zhì)過(guò)流順暢，并在大開(kāi)度下有較小的水頭損失。而在任意開(kāi)度下，活塞與閥座密封面間的環(huán)狀節(jié)流面能確保閥門有較好的線性操作功能。

目前對(duì)活塞式調(diào)節(jié)閥的研究主要集中在某單一方面的特性分析，如：肖而寬等[2]應(yīng)用雷諾相似原理和阻力平方區(qū)理論進(jìn)行活塞式調(diào)節(jié)閥的阻力特性試驗(yàn)，對(duì)比了無(wú)導(dǎo)流帽型、一般錐形導(dǎo)流帽型和母線內(nèi)凹錐形導(dǎo)流帽型等三種活塞閥芯形式的閥門阻力系數(shù)；鄧君[3]提出多級(jí)迷宮式降壓結(jié)構(gòu)和引流結(jié)構(gòu)組合的活塞式調(diào)節(jié)閥優(yōu)化方案，通過(guò)數(shù)值分析，從流量特性和汽蝕特性等方面驗(yàn)證了該優(yōu)化方案的可行性；馮衛(wèi)民等[4]分析了帶套筒結(jié)構(gòu)的活塞式調(diào)節(jié)閥的流量特性，并探討套筒網(wǎng)孔分布規(guī)律對(duì)閥門流量特性曲線線型的影響；靳衛(wèi)華等[5]和楊開(kāi)林[6]分別針對(duì)具體供水工程闡述了活塞式調(diào)節(jié)閥選型和安裝設(shè)置經(jīng)驗(yàn)及對(duì)水錘控制的具體實(shí)施方法。

圖1 DN400活塞式調(diào)節(jié)閥幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometric structure of DN400 piston control valve

現(xiàn)有文獻(xiàn)未見(jiàn)對(duì)活塞式調(diào)節(jié)閥自身的水力特性進(jìn)行全面分析，也缺少關(guān)于其閥芯在啟閉過(guò)程的動(dòng)態(tài)液動(dòng)力研究。因此本文將通過(guò)數(shù)值分析對(duì)DN400活塞式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)研究，綜合分析其水力特性，包括流量系數(shù)、流阻系數(shù)和汽蝕系數(shù)等特性參數(shù)曲線以及壓力、流速、流線、湍動(dòng)能等各流場(chǎng)分布特點(diǎn)，同時(shí)利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)閥門啟閉過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比活塞閥芯受到的動(dòng)態(tài)液動(dòng)力，為活塞式調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)和使用提供參考。

1 仿真設(shè)置及數(shù)學(xué)模型

1.1 工況及邊界條件

本次研究采用流體動(dòng)力學(xué)分析軟件Fluent，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格方案，對(duì)活塞式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行數(shù)值仿真，包括不同開(kāi)度下的穩(wěn)態(tài)工況和閥芯啟、閉過(guò)程的瞬態(tài)工況。對(duì)各工況的閥門進(jìn)口邊界條件均設(shè)置為閥前壓力0.7 MPa(設(shè)計(jì)值)；對(duì)穩(wěn)態(tài)工況分別計(jì)算閥門開(kāi)度為10%、20%、40%、60%、80%和100%的過(guò)流狀況和水力特性，同時(shí)出口邊界條件分別取對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)過(guò)流量0.03、0.04、0.05、0.06、0.07和0.08 m3/s；瞬態(tài)工況則分別模擬4.5 s的線性開(kāi)閥過(guò)程(10%至100%開(kāi)度)和4.5 s的線性關(guān)閥過(guò)程(100%至10%開(kāi)度)，探討閥芯液動(dòng)力在啟閉過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化特性。

1.2 湍流模型

活塞式調(diào)節(jié)閥內(nèi)可能產(chǎn)生射流撞擊、旋轉(zhuǎn)流和分離流等湍流現(xiàn)象，需采用合適的湍流模型進(jìn)行模擬。張征宇等[7]通過(guò)數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同湍流模型的預(yù)測(cè)精度，確定RNGk-ε和k-ω模型能使調(diào)節(jié)閥的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合。因此本次研究采用RNGk-ε湍流模型，其湍動(dòng)能k和湍流耗散率對(duì)應(yīng)ε的輸運(yùn)方程如下：

(1)

(2)

RNGk-ε湍流模型對(duì)大壓力梯度、高應(yīng)變和強(qiáng)剪切等復(fù)雜流動(dòng)有較好的仿真精度，同時(shí)該模型也考慮了低雷諾數(shù)流動(dòng)黏性的影響。

1.3 特性參數(shù)定義

對(duì)閥門進(jìn)行水力特性分析常用流量系數(shù)、流阻系數(shù)和汽蝕系數(shù)等外特性參數(shù)，其定義分別如下：

流量系數(shù)：

(3)

流阻系數(shù)：

(4)

汽蝕系數(shù)：

(5)

式中：Q為體積流量，m3/h；ρ為對(duì)應(yīng)工況的介質(zhì)密度，kg/m3；ρ0為15 ℃時(shí)水的密度，kg/m3；ΔP為閥前后壓差，流量系數(shù)中單位取bar，流阻系數(shù)中單位取Pa，汽蝕系數(shù)中單位取mH2O；v為過(guò)閥平均流速，m/s；P2為閥門出口絕對(duì)壓力(斷面平均值)，Pa；Pv為對(duì)應(yīng)溫度的飽和蒸汽壓力，Pa。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 水力特性參數(shù)及閥芯液動(dòng)力

基于活塞式調(diào)節(jié)閥各開(kāi)度的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果，分別做出其流量系數(shù)、流阻系數(shù)和汽蝕系數(shù)曲線，如圖2和3所示。

在圖2中，活塞式調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)和流阻系數(shù)兩者的變化具有關(guān)聯(lián)性，聯(lián)立公式(3)和(4)，并匹配兩個(gè)系數(shù)定義中的壓差單位，則流量系數(shù)和流阻系數(shù)的關(guān)系如下：

(6)

式中：A為調(diào)節(jié)閥的過(guò)流截面積，m2。

可見(jiàn)，流量系數(shù)與流阻系數(shù)的平方根呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即兩者有相反的變化趨勢(shì)。另外，在圖2中可見(jiàn)，活塞式調(diào)節(jié)閥在中小開(kāi)度下有較好的流量線性特性，而在全開(kāi)度附近(80%開(kāi)度以上)的流動(dòng)阻力很小，繼續(xù)增大開(kāi)度(增加過(guò)流面積)對(duì)流動(dòng)阻力的影響不明顯，因此對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)變化較小。對(duì)于流阻系數(shù)曲線，活塞式調(diào)節(jié)閥微開(kāi)啟時(shí)(如10%開(kāi)度)流動(dòng)阻力很大，隨著開(kāi)度稍微增大，軸向流進(jìn)和流出的閥門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其流阻系數(shù)迅速減小，并在中、大開(kāi)度(40%開(kāi)度以上)時(shí)保持較低的過(guò)流損失且流阻系數(shù)變化不明顯。流量系數(shù)和流阻系數(shù)的實(shí)際變化趨勢(shì)符合公式(6)中的理論推導(dǎo)情況。

另外，閥門流量系數(shù)曲線對(duì)應(yīng)其固有流量特性，而固有流量特性表征管路系統(tǒng)的壓力損失全部集中在閥門處所對(duì)應(yīng)的流量變化趨勢(shì)。線性的流量特性是指閥芯的單位行程變化所引起的流量變化為常數(shù)，表達(dá)式為[8,9]：

(7)

式中：Q和Qmax分別為實(shí)際流量和閥門調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的最大流量；l和L分別為閥芯實(shí)際行程和最大行程；K是閥門放大系數(shù)。

對(duì)上式積分得：

(8)

式中：C為積分常數(shù)。

當(dāng)l=0時(shí)，Q=Qmin；當(dāng)l=L時(shí)，Q=Qmax。代入上式求得積分常數(shù)和放大系數(shù)：

(9)

(10)

式中：R為調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比。

最終得到相對(duì)流量和相對(duì)行程的關(guān)系式：

(11)

另外，調(diào)節(jié)閥實(shí)際上是在帶有阻力的管道系統(tǒng)中工作，整個(gè)系統(tǒng)的壓力損失不可能完全集中在閥上，因此調(diào)節(jié)閥的工作流量特性與固有流量特性總是不一致的。工作流量特性曲線與固有流量特性曲線通過(guò)下式建立聯(lián)系[10,11]：

(12)

式中：Pb為壓降比，表示調(diào)節(jié)閥壓力損失占管道系統(tǒng)總壓力損失的比值。

在實(shí)際工程中，若壓降比選定，則可按照公式(12)，由系統(tǒng)需求的工作流量特性曲線推導(dǎo)出相應(yīng)的固有流量特性曲線，為調(diào)節(jié)閥的選型和使用提供指導(dǎo)。

圖3 活塞式調(diào)節(jié)閥汽蝕系數(shù)曲線Fig.3 Cavitation coefficient curve of piston control valve

圖3中汽蝕系數(shù)表征調(diào)節(jié)閥發(fā)生汽蝕的可能性，汽蝕系數(shù)越小表示發(fā)生汽蝕的可能性越大，其數(shù)值與實(shí)際工況和閥門類型有關(guān)。整體來(lái)說(shuō)，閥門小開(kāi)度時(shí)過(guò)流速度大，更容易產(chǎn)生負(fù)壓甚至接近飽和蒸汽壓力，因此對(duì)應(yīng)的汽蝕系數(shù)比大開(kāi)度要小。根據(jù)閥門材料和結(jié)構(gòu)形式，對(duì)應(yīng)有一個(gè)允許汽蝕系數(shù)，即閥門長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行能承受的汽蝕極限。本次研究工況范圍內(nèi)，活塞式調(diào)節(jié)閥的最小汽蝕系數(shù)為40.3，則應(yīng)確保允許汽蝕系數(shù)小于該值，才能使閥門工作時(shí)不產(chǎn)生汽蝕、振動(dòng)和噪聲等現(xiàn)象。同時(shí)最小汽蝕系數(shù)值也為調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

調(diào)節(jié)閥啟閉過(guò)程中閥芯會(huì)受到各向的動(dòng)態(tài)液動(dòng)力作用[12-14]，因此對(duì)閥門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行力產(chǎn)生影響。閥芯的運(yùn)動(dòng)控制方程如下：

(13)

式中：m為閥芯質(zhì)量；φ為介質(zhì)黏性和結(jié)構(gòu)表面摩擦引起的總摩擦系數(shù)；Fp為液動(dòng)力；Fs為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行力。

圖4 閥芯動(dòng)態(tài)液動(dòng)力變化曲線Fig.4 Dynamic flow force curves of valve spool

活塞式調(diào)節(jié)閥啟閉過(guò)程中閥芯的各向液動(dòng)力對(duì)比如圖4所示，由于閥芯為圓筒體結(jié)構(gòu)且沿軸向運(yùn)動(dòng)完成閥門開(kāi)關(guān)動(dòng)作，因此其主要受到軸向液動(dòng)力作用，水平及豎向液動(dòng)力很小，基本可以忽略。對(duì)于軸向液動(dòng)力，因?yàn)榛钊秸{(diào)節(jié)閥屬于流開(kāi)型閥門，即閥內(nèi)過(guò)流使閥芯產(chǎn)生打開(kāi)的趨勢(shì)，所以開(kāi)、關(guān)閥過(guò)程的液動(dòng)力均作用于逆水流方向(負(fù)值)，即開(kāi)閥方向。同時(shí)，閥芯開(kāi)啟是增大過(guò)流面積減小流阻的過(guò)程，而關(guān)閉則是減小過(guò)流面積增大流阻的過(guò)程，因此開(kāi)閥液動(dòng)力遠(yuǎn)小于關(guān)閥力。另外，與其他調(diào)壓閥類似[15]，無(wú)論開(kāi)閥還是關(guān)閥過(guò)程，在小開(kāi)度時(shí)閥芯液動(dòng)力均產(chǎn)生躍升，這是因?yàn)檩^小的節(jié)流面積使閥芯端面附近的水流被強(qiáng)烈壓縮，壓力迅速升高，導(dǎo)致閥芯受力突然增大[16]。隨開(kāi)度增大，流阻迅速減小，閥芯的啟、閉液動(dòng)力均逐漸穩(wěn)定，沒(méi)有明顯波動(dòng)。與軸向力類似，活塞式調(diào)節(jié)閥的流開(kāi)型結(jié)構(gòu)有利于開(kāi)閥操作，因此水平和豎向的液動(dòng)力在開(kāi)閥過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，而在關(guān)閥過(guò)程則有明顯起伏。

2.2 流場(chǎng)特征

通過(guò)對(duì)比穩(wěn)態(tài)工況各開(kāi)度的流場(chǎng)分布來(lái)分析活塞式調(diào)節(jié)閥的流動(dòng)特性。整體流速及流線分布對(duì)比如圖5和6所示，由于閥腔環(huán)形流道的導(dǎo)流作用，水流通過(guò)時(shí)流態(tài)平穩(wěn)，無(wú)明顯速度梯度。各開(kāi)度的出流狀況類似，在節(jié)流出口處形成對(duì)沖射流，并在下游管中央生成局部高速的尾流區(qū)。隨著開(kāi)度增大，節(jié)流出口的射流速度逐漸減小，導(dǎo)致下游尾流區(qū)的流速也整體減小，且向管壁擴(kuò)散，即管壁的低速附壁流區(qū)域收縮。另外，由于慣性作用，水流經(jīng)過(guò)節(jié)流區(qū)噴射出流時(shí)將在閥門出口截面偏下游位置匯合，對(duì)沖區(qū)的匯合轉(zhuǎn)向流態(tài)阻礙上游區(qū)域的流動(dòng)，因此在上游形成“低速空穴區(qū)”，如圖5中標(biāo)記所示。隨著閥門開(kāi)度增加，“低速空穴區(qū)”逐漸擴(kuò)大并向下游移動(dòng)。在流線分布中，大開(kāi)度下水流在軸向平穩(wěn)流進(jìn)流出，對(duì)應(yīng)較小的流阻和閥芯液動(dòng)力；小開(kāi)度下節(jié)流效應(yīng)以及高速尾流與低速附壁流的剪切效應(yīng)，使調(diào)節(jié)閥出流波動(dòng)劇烈。

圖5 整體流速分布對(duì)比Fig.5 Comparison of integral velocity distributions

圖6 流線分布對(duì)比Fig.6 Comparison of streamline distributions

活塞式調(diào)節(jié)閥出口截面位置如圖7所示，各開(kāi)度的出口流速分布對(duì)比見(jiàn)圖8。由外向內(nèi)分別對(duì)應(yīng)低速附壁流區(qū)、對(duì)中射流區(qū)和“低速空穴區(qū)”，而慣性作用使射流閥門出口截面下游位置匯合，故該截面未顯示高速的匯流區(qū)。隨著開(kāi)度增大，各層速度區(qū)域的梯度減小，且各區(qū)域分布更加規(guī)則、明顯。特別地，“低速空穴區(qū)”逐漸擴(kuò)展，且由不規(guī)則形狀向規(guī)則的圓形分布過(guò)渡。

圖7 閥門出口截面位置Fig.7 Cross section of the valve outlet

圖8 出口截面流速分布對(duì)比Fig.8 Comparison of velocity distributions in the valve outlet

各開(kāi)度對(duì)應(yīng)的壓力分布如圖9所示，與流阻系數(shù)對(duì)應(yīng)，活塞式調(diào)節(jié)閥流動(dòng)與啟閉同向的結(jié)構(gòu)形式使其只在小開(kāi)度(如10 %和20 %)時(shí)才有明顯的流動(dòng)阻力，即閥前后產(chǎn)生較大壓降；當(dāng)開(kāi)度稍微增加后，流阻迅速減小，對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)閥壓降也迅速減小，閥內(nèi)各處壓力相近，消能降壓作用減弱。由圖9(a)可見(jiàn)，小開(kāi)度下巨大的壓力梯度集中在節(jié)流通道中，可能引起結(jié)構(gòu)表面的破壞和產(chǎn)生汽蝕，因此應(yīng)盡量避免活塞式調(diào)節(jié)閥長(zhǎng)期在小開(kāi)度運(yùn)行。

圖9 壓力分布對(duì)比Fig.9 Comparison of pressure distributions

圖10為各開(kāi)度的湍動(dòng)能對(duì)比，與流速和壓力分布對(duì)應(yīng)，小開(kāi)度下有較大的湍動(dòng)能量，且最大湍動(dòng)能主要集中節(jié)流出口處。另外，在小開(kāi)度時(shí)(如10 %和20 %)，對(duì)沖射流使下游高速尾流區(qū)的湍流脈動(dòng)強(qiáng)烈，因此管中央尾流區(qū)的湍動(dòng)能量大于低速附壁流區(qū)域；開(kāi)度增大后(如40 %和60 %)，尾流區(qū)流速下降且流動(dòng)平穩(wěn)，此時(shí)尾流區(qū)和附壁流區(qū)的剪切交界對(duì)湍動(dòng)能分布起主導(dǎo)作用，使強(qiáng)湍動(dòng)能位置逐漸向附壁流區(qū)域移動(dòng)。

圖10 湍動(dòng)能分布對(duì)比Fig.10 Comparison of turbulent kinetic energy distributions

3 結(jié) 論

(1)活塞式調(diào)節(jié)閥整體具有較好的流量線性特性，全開(kāi)度附近流阻變化很小導(dǎo)致該區(qū)段流量變化不大。閥門微開(kāi)啟時(shí)流阻很大，開(kāi)度增大后流阻系數(shù)迅速下降，并在中、大開(kāi)度下保持較低的過(guò)流損失。汽蝕系數(shù)與實(shí)際工況有關(guān)，小開(kāi)度下過(guò)流速度大汽蝕系數(shù)小，本次研究的工況范圍內(nèi)最小汽蝕系數(shù)為40.3，應(yīng)保證調(diào)節(jié)閥允許汽蝕系數(shù)應(yīng)小于該值。

(2)流開(kāi)型結(jié)構(gòu)使活塞式調(diào)節(jié)閥的軸向閥芯液動(dòng)力在啟閉過(guò)程均作用于開(kāi)閥方向，且開(kāi)閥液動(dòng)力遠(yuǎn)小于關(guān)閥液動(dòng)力。同時(shí)兩者均在小開(kāi)度時(shí)有躍升階段，開(kāi)度增大后，啟、閉液動(dòng)力均有保持平穩(wěn)。

(3)以穩(wěn)態(tài)工況不同開(kāi)度的流速、流線、壓力和湍動(dòng)能等變量的分布來(lái)綜合分析了活塞式調(diào)節(jié)閥的工作原理和流動(dòng)特性。