陳宗杰，鄭榮部，蔣 威，鄭積泉

(國家閥門產品質量監(jiān)督檢驗中心(福建)，福建 泉州 362800)

隨著社會經濟快速發(fā)展，城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴大，人民生活不斷改善，對城市供水質量與安全要求也越來越高[1]。倒流防止器作為保護供水水質安全的有效設備，得到了高度重視和廣泛使用[2]。在市政供水管網中，生活飲用水管道與其他用途供水管道連接時，通常會設置倒流防止器，從而有效隔斷不同水質系統(tǒng)，防止回流污染[3]。

近年來，韓同祝分析了低阻力倒流防止器的結構特點和工作原理，以及安裝、維護和使用事項[4]；靳衛(wèi)華等人介紹了減壓型和低阻型倒流防止器的作用和結構，并進行性能試驗分析[5,6]；林海等人討論了倒流防止器在城市供水管網的應用，從技術和管理方面綜合分析，確保其安全性能[7]；杜金海等人探討地鐵車站消防給水倒流防止器設置問題，分析了常見的錯誤設置，并給出了2種正確設置方法[8]；馮衛(wèi)明等人運用CFD對新型大流量減壓閥進行數值模擬，分析了其流量流阻特性[9,10]；汪志琨研究發(fā)現大渦模擬相比標準k-ε湍流模型更加耗費計算資源和時間，且對仿真精度提高效果不大，綜合考慮采用標準k-ε湍流模型結合自適應技術對閥門的流通能力進行仿真更具優(yōu)勢[11]。目前國內外有關倒流防止器流通性能分析方面的研究較少[12,13]，因此本文開展低阻力倒流防止器壓力損失試驗，驗證壓力損失符合設計要求，開展全開狀態(tài)下內部流場數值模擬，繪制流速～壓力損失曲線，對比分析試驗與模擬結果，驗證倒流防止器工作在全開狀態(tài)，也為其工程應用及結構優(yōu)化提供有效參考。

1 結構特點及工作原理

1.1 結構特點

低阻力倒流防止器由閥體、閥蓋、進水止回閥、出水止回閥、中腔、排水器和相關附件等組成，其中出水止回閥又由閥座、閥瓣、導向套和復位彈簧等組成。低阻力倒流防止器具有密封性能好、壓力損失小等優(yōu)點。本文以LHS743X-16Q DN100低阻力倒流防止器為研究對象，該倒流防止器結構模型如圖1所示。

圖1 LHS743X DN100低阻力倒流防止器結構Fig.1 LHS743X DN100 low resistance backflow preventer注：1、8-進、出水止回閥閥桿；2、9-進、出水止回閥復位彈簧；3、10-進、出水止回閥導向套；4、11-進、出水止回閥閥座；5、12-進、出水止回閥閥瓣；6-閥體中腔；7-閥蓋；13-閥體；14-外連接管；15-排水器閥瓣；16-排水器彈簧；17-排水管。

1.2 工作原理

由圖1可知：p1表示進口壓力，p2表示中腔壓力，p3表示出口壓力。當供水管網壓力正常時，則p1>p2>p3，進、出水止回閥開啟，排水器關閉，管路正常供水。當供水管網壓力出現異常時，則p3>p1，此時出水口止回閥在復位彈簧和反向壓差的作用下關閉。這種情況下，如果出水止回閥沒有出現滲漏，高壓水不會回流到中腔，中腔內保持流動壓力，則p1>p2，排水器仍處于關閉狀態(tài)；如果出水止回閥出現滲漏，高壓水回流到中腔，使得中腔壓力升高，則p2>p1，排水器開啟，將回流流體排出，同時空氣進入中腔形成隔斷，當達到一定值時排水器自動關閉。

2 壓力損失試驗

2.1 閥門流量流阻試驗裝置

低阻力倒流防止器的壓力損失試驗按GB/T 30832-2014《閥門流量系數和流阻系數試驗方法》的要求進行試驗。本單位閥門流量流阻試驗裝置檢測公稱直徑范圍DN15～DN500，該試驗裝置包含循環(huán)水源、動力系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、測試管路、數據采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，上、下游取壓孔都是由同一截面上4個對稱布置的取壓孔匯集合成，上、下游取壓孔與測試閥門距離分別為5倍和10倍管徑，流量、壓力測量儀表精度不低于1.0級，溫度測量儀表分辨值不低于±1 ℃。閥門流量流阻試驗裝置如圖2所示。

圖2 閥門流量流阻試驗裝置Fig.2 Valve flow resistance device注：1-上游閥門；2-溫度傳感器；3-電磁流量計；4-壓力傳感器；5-壓差測量儀；6-上游取壓孔；7-測試閥門；8-下游取壓孔；9-下游調節(jié)閥門。

2.2 壓力損失試驗結果評價

倒流防止器內部介質流動要處于湍流狀態(tài)，雷諾數應大于40 000。雷諾數計算公式為：

式中：Re為雷諾數；v為平均流速，m/s；d為管道內徑，m；u為運動黏度，m2/s。

常溫水與15 ℃水密度基本相同，取其比值為1。流量系數計算公式為：

式中：KV為流量系數；Δp為閥門凈壓差，kPa。

流阻系數計算公式為：

式中：ζ為流阻系數；ρ為常溫水密度，kg/m3。

運用閥門流量流阻試驗裝置對低阻力倒流防止器進行壓力損失試驗，調整下游調節(jié)閥控制流量以符合試驗要求。壓力損失試驗結果如表1所示。

表1 不同流速下試驗的壓力損失Tab.1 Test pressure loss at different flow rates

根據JB/T 11151-2011《低阻力倒流防止器》設計要求，用于防止有害和輕微污染的倒流防止器，在流速v=1 m/s時，凈壓差Δp<0.02 MPa；在流速v=2 m/s時，凈壓差Δp<0.03 MPa。由表1可知，該倒流防止器壓力損失符合設計要求，同時驗證其低阻力特性。

3 流場數值模擬

3.1 流動控制方程

對于所有的流動，都需要求解質量守恒方程和動量守恒方程，涉及湍流問題，還需要選擇求解相應的湍流模型。

質量守恒方程可表示為：

式中：ρ為密度；t為時間；ui為速度張量；xi為坐標張量；Sm為稀疏相增加到連續(xù)相中的質量源項；n為維數。

動量守恒方程可表示為：

式中：ρ為密度；t為時間；μ為黏性系數；ui和uj為速度張量；xi和xj為坐標張量；Fi為重力體積力或其他體積力源項；δij為克羅內克符號。

標準k-ε湍流模型計算精度高，應用簡單，節(jié)省計算時間，具有通用性，是最常用的湍流模型之一。標準k-ε湍流模型湍動能方程和耗散率方程可分別表示為：

式中：k為湍動能量；ε為耗散率；ρ為密度；t為時間；μ為黏性系數；xi為坐標張量；Gk為平均速度梯度引起的湍動能；Gb為浮力影響引起的湍動能；YM為可壓速湍流脈動膨脹對總耗散率的影響。

3.2 流場數值模擬

運用PTC Creo軟件創(chuàng)建倒流防止器的流道模型。為了使仿真結果更貼近實際工況，閥前加長5倍管徑，閥后加長10倍管徑，確保內部流體流動具有充分發(fā)展空間。倒流防止器及加長管道內部流道三維模型如圖3所示。

圖3 流道幾何模型Fig.3 Geometric model of flow channel

運用ANSYS軟件的Fluent模塊進行流場計算，將三維流道結構模型導入進行對稱設置，選取一半進行計算，以減少計算時間。進行網格劃分，對流動變化劇烈區(qū)域進行加密處理，以確保計算結果更精確，可生成66 997個節(jié)點和337 919個單元。查看給定單元的體積與邊長的比值，1時網格質量最佳，0時網格質量最差。檢查網格質量顯示比值為1，檢查網格最小體積為正數，并且計算時所有曲線都能穩(wěn)定收斂，說明網格質量已達到最佳，符合工程計算的標準。倒流防止器及加長管道內部流道網格劃分如圖4所示。

圖4 流道網格劃分Fig.4 Mesh generation of flow channel

選擇標準k-ε湍流模型，采用SIMPLE算法，設置進口流速、出口壓力邊界，顯示結果選取倒流防止器內腔流道。不同進口流速、出口壓力下的速度分布云圖如圖5所示，壓力分布云圖如圖6所示。

采用多次拾取求平均值方法，分別在不同進口流速及出口壓力的壓力分布云圖中拾取進、出口端部壓力值，計算求取各自的凈壓差。壓力損失模擬結果如表2所示。

表2 不同流速下模擬的壓力損失Tab.2 Simulated pressure loss at different flow rates

圖5 不同進口流速、出口壓力下的速度分布云圖Fig.5 Velocity distribution cloud diagram under different inlet velocity and outlet pressure

圖6 不同進口流速、出口壓力下的壓力分布云圖Fig.6 Pressure distribution cloud diagram under different inlet velocity and outlet pressure

3.3 數值模擬結果分析

由圖5和圖6可知，倒流防止器在全開狀態(tài)，不同進口流速和出口壓力下的流場速度分布云圖及壓力分布云圖的變化規(guī)律都基本一致，不同位置的速度值及壓力值隨著邊界條件的不同而有具體區(qū)別。由圖5和圖7可以看出流場速度分布情況，流體通過過流部件，產生復雜繞流，2止回閥之間中腔流體流動狀態(tài)較為復雜，出現多處繞流并呈現S形流動路徑，局部繞流區(qū)域形成旋渦，繞流中心區(qū)域流體流速較低。受邊界層影響，在近壁面的流體流速一般也較低，流體流速最大位置位于出口止回閥瓣與出口端變徑部位之間的縮流流道上。由圖6可以看出流場壓力分布情況，整個內流道流場壓力變化較為平緩，以2個止回閥瓣為分割，基本呈現3段式壓力分布，進口、中腔、出口壓力依次降低，進口端縮頸處、止回閥導向桿、止回閥瓣背部等區(qū)域受流體沖刷，壓力較高，而在2止回閥之間中腔的局部繞流區(qū)域，壓力較周圍的低。

圖7 流線分布云圖Fig.7 Streamline distribution cloud diagram

4 試驗與模擬結果對比驗證

對比倒流防止器不同流速下的試驗結果和模擬結果，建立流速～壓力損失試驗與模擬對比曲線，見圖8。

圖8 流速～壓力損失試驗與模擬對比曲線Fig.8 Velocity～pressure loss curve of test and simulation

由圖8可知，倒流防止器流速越大，壓力損失越大，試驗結果與模擬結果變化趨勢一致。通過對比試驗與模擬所得壓力損失，試驗值略高于模擬值，誤差為3.09～4.81 kPa，在同類工程研究中，該差值在可接受范圍內。數值模擬結果基本能夠反映倒流防止器內部真實流動狀態(tài)，數值模擬方法可靠，且結果準確、有效。通過分析倒流防止器內部流場壓力分布云圖和速度分布云圖，可見不同流速下的顏色變化非常接近。由于數值模擬都是基于倒流防止器前后止回閥瓣達到全開狀態(tài)的工況，因此綜合研判該倒流防止器在試驗過程中處于全開狀態(tài)，同時也反映了該倒流防止器具有低阻力特性。

5 結 論

(1)低阻力倒流防止器有效解決了城鎮(zhèn)供水管網回流、倒流污染的問題，同時具有低阻力特性，不僅能夠保障人們生活飲用水的安全與衛(wèi)生，還有利于節(jié)能降耗。隨著科技水平的不斷提高，低阻力倒流防止器的受關注度及使用范圍將不斷地提升。

(2)通過分析低阻力倒流防止器結構特點和工作原理，并進行壓力損失試驗，驗證LHS743X-16Q DN100倒流防止器符合低阻力設計要求，適用于防止有害和輕微污染水介質回流。

(3)進行低阻力倒流防止器數值模擬，研究內部流場速度分布規(guī)律和壓力分布規(guī)律，流體通過內部過流部件產生了復雜繞流，形成S形流動路徑，從進口端至出口端壓力大致呈現3段式分布，并依次降低，正面受沖刷區(qū)域壓力較高，近壁面及繞流旋渦處流速較低，突變縮頸節(jié)流間隙會出現較高流速。

(4)對比倒流防止器不同流速下的試驗結果和模擬結果，建立對比曲線，發(fā)現2條曲線的變化趨勢一致，誤差較小且在可接受范圍內，判定該低阻力倒流防止器試驗過程中可達全開，并驗證數值模擬的準確性與可行性，所得流場可直觀反映內部真實流動規(guī)律，今后在倒流防止器結構設計與優(yōu)化過程可加以應用，以縮短產品開發(fā)周期，提高研究效率。

(5)止回閥是倒流防止器的關鍵過流部件，下一步將嘗試設計不同類型的止回部件結構，通過試驗與模擬相結合的手段，研究內部流動規(guī)律及壓力損失情況，優(yōu)選壓力損失小、節(jié)能效果好，并且運行可靠的止回部件結構，推動倒流防止器研發(fā)技術創(chuàng)新。