王 聰，張健平，陳航宇，王 勇

（西南科技大學制造過程測試技術教育部重點實驗室，四川 綿陽621010）

1 引言

止回閥在消防系統(tǒng)中主要是控制消防用水的流動方向，根據(jù)《建筑設計防火規(guī)范》（GBJ16-87）第8、6、3條規(guī)定：發(fā)生火災時由消防水泵供給的消防用水不應進入消防水箱。為滿足此要求在消防水箱出水管上設置一個止回閥。通常為了防止停泵時水倒流使泵反轉損壞水泵還會在消防水泵的出口處安裝一個止回閥［1-2］。除此之外止回閥在消防系統(tǒng)中還擔任了分隔不同時期建造的消防系統(tǒng)的特殊作用［3］。

目前大部分建筑消防系統(tǒng)中通常在水泵出水管處安裝普通旋啟式止回閥或重錘式止回閥，這種止回閥雖然可以防止停泵時水倒流損壞水泵但是當止回閥關閉時可能產生很大的水錘壓力，容易發(fā)生水錘事故［4-5］。當水錘事故發(fā)生時會使水管劇烈震動，輕則使管道連接處斷開，破壞管路上的管件和設備，嚴重時管道可能破裂，破壞泵房內設備及管道，造成泵房淹沒，等重大事故。大部分事故由停泵水錘引起［6-7］。為了防止水錘對管路系統(tǒng)上的元件和水泵造成傷害，在泵出口安裝止回閥是一種防止停泵水錘的重要措施［8-9］。當止回閥閥瓣動作不靈活時，閥瓣關閉緩慢，水倒流使泵反轉容易損壞水泵。常用的緩閉式止回閥同樣存在停泵時水泵反轉的問題。而且緩閉止回閥的緩閉時間很難控制，防水錘能力存疑［10-11］。因此一些學者對傳統(tǒng)止回閥進行了研究并提出了改進改進措施，文獻［12］研究了在停泵時有無止回閥或不同類型止回閥對系統(tǒng)水錘的影響，主要研究了活塞-升降式止回閥，旋啟式止回閥和關閉控制止回閥，發(fā)現(xiàn)關閉控制止回閥比普通止回閥更好地解決了停泵水錘。文獻［13］結合數(shù)值模擬和實驗研究了緩閉式止回閥在防水錘中的應用。除此之外，一些研究者發(fā)現(xiàn)梭式止回閥關閉過程中泵出口水錘壓頭隨閥關閉而降低，相對于旋啟式和升降式止回閥有較好的水錘防護特性［14-15］。已經有大量學者對梭式止回閥進行了相關研究，文獻［16］采用數(shù)值模擬的方法研究了梭式止回閥內部流體的運動情況、氣穴的產生和氣穴對梭式止回閥內流場的影響。文獻［17］采用數(shù)值模擬的方法對梭式止回閥內部流場進行模擬并做了節(jié)能優(yōu)化設計。文獻［18］按照核潛艇對止回閥的要求對梭式止回閥做了結構優(yōu)化研究，綜上所述，目前的研究主要集中在普通止回閥和緩閉式止回閥在防止水錘的作用或梭式止回閥的流場分析和節(jié)能優(yōu)化上。結果表明：普通止回閥的防水錘效果差，緩閉式止回閥的關閉動作難以確定，關閉速度較慢會使泵反轉且防水錘效果不明確。梭式止回閥的水錘防護特性較普通止回閥更好，適用范圍更廣，安裝靈活，流體通過時壓降更低。但是目前研究成果中沒有涉及到在消防給水系統(tǒng)中的梭式止回閥防水錘優(yōu)化的研究，因此，對原梭式止回閥利用數(shù)值模擬的方法，以提高梭式止回閥的水錘防護特性為目標，對閥瓣和閥體進行優(yōu)化設計，使消防系統(tǒng)的可靠性得到改善，可為開發(fā)新梭式止回閥和改善現(xiàn)有梭式閥的防水錘特性提供理論依據(jù)。

2 梭式止回閥簡介

圖1 梭式止回閥結構示意圖Fig.1 Structure Diagram of Shuttle Check Valve

梭式止回閥主要由閥體、閥瓣、彈簧、導流罩構成。當閥門左端壓力上升到可以克服彈簧對閥瓣的壓力時，流體推開閥瓣向閥右端移動，閥瓣與閥進口出現(xiàn)空隙，流體可以通過閥門。當閥門左端壓力比右端低時，閥門左端流體不再能克服彈簧的預緊力推開閥瓣，此時彈簧推動閥瓣向左運動，使閥瓣與閥進口接觸，流體不能通過閥門。這個過程使流體只能單向通過閥門。梭式止回閥相較于旋啟式止回閥還有以下優(yōu)點，閥瓣不是靠重力關閉而是用彈簧力關閉即使在閥背壓很低的情況下也能關閉嚴密，而且閥芯內的緩沖器能減慢閥瓣的關閉速度降低水錘壓力沖擊波［19］，安裝在消防水箱前時，旋啟式止回閥和升降式止回閥要求水平安裝而梭式止回閥對安裝角度沒有要求［20］。

3 止回閥內流場的數(shù)值模擬

3.1 物理模型與邊界條件

在止回閥后端出口加長度為20D（D為管內徑）的管道，在止回閥入口端前加長度為5D的管道，因此整個計算區(qū)域包括了止回閥前端管路、后端管路和止回閥。與閥前和閥后的管道內區(qū)域相比較來說，梭式閥內部的幾何結構更復雜，有不規(guī)則的閥體和閥瓣，在流化床網格劃分的過程中，采用四面體非結構化網格進行網格劃分，除此之外，利用高級網格算法對閥門進口和閥瓣邊緣的區(qū)域進行局部加密。限于篇幅，此處僅展示了梭式止回閥外表面網格劃分情況，如圖2所示。

圖2 網格劃分情況Fig.2 Mesh Division Diagram

表1 計算域的網格數(shù)和節(jié)點數(shù)Tab.1 Number of Element and Node

3.2 邊界條件

DN200梭式止回閥的進口直徑為200 mm，數(shù)值模擬的流體為常溫水，模擬采用的進口邊界條件為velocity-inlet，進口速度設為1.062m/s，出口邊界設置為pressure-outlet，表壓為0 Pa，操作壓力為1.013×105Pa。

3.3 數(shù)學模型

運用FLUENT軟件模擬止回閥內部的流場，水是不可壓縮的粘性流體，流動過程中溫度變化對流體流動的影響可以忽略，其質量守恒方程和動量守恒方程如下：

連續(xù)性方程

動量守恒方程

式中：ρ—流體的密度，kg/m3；u→—流體的速度矢量，m s；p—壓強，Pa；F—單位體積流體上受到的體積力，N m3。

選擇標準化的k-ε模型，可以從根本上簡化操作的步驟，形式非常的簡單有效，且精度高、經濟有效等。因此，本研究采取標準的k-ε模型進行計算。在梭式止回閥內部的流體為粘性不可壓縮流體，流體流動為湍流，k-ε模型的詳細形式為：

式中：k—水的湍動能，m2s2；ε—水的耗散能，m2s3；vgi—第i組分在流體中的均速，m s；Gk—由水的平均速度梯度造成的湍動能項；μt—水的湍流粘度系數(shù)；C1ε、C2ε、C3ε—湍流模型的常數(shù)；σk—k對應的湍流普朗特數(shù)；σε—ε對應的湍流普朗特數(shù)；i、j—連續(xù)相中的組分。標準k-ε模型中的各常數(shù)項取值，如表2所示。

表2 k-ε模型中的常數(shù)Tab.2 Constants in the k-epsilon Model

4 梭式止回閥的優(yōu)化設計

4.1 原梭式止回閥的主要缺點

止回閥內流體的壓力分布情況、速度變化情況、漩渦的大小和流體通過梭式止回閥的流阻系數(shù)是評價止回閥防水錘能力的重要評價指標［15，21］。

可以由圖6中優(yōu)化前的壓力云圖看出：優(yōu)化前在閥門開度為5%-30%時，由于止回閥的入口處閥芯周圍較狹窄，導閥芯前局部壓力很高，而閥芯后壓力很低而且會在閥瓣與閥體內壁間產生較大面積的負壓區(qū)域；閥內流體壓力梯度非常大，容易使比較強的水錘現(xiàn)象發(fā)生，水錘會對閥瓣施加較大的水錘沖擊力。若梭式止回閥的開度為80%-100%時，閥進口到出口流體壓力分布不均勻，易使梭式止回閥產生震動，對梭式止回閥的穩(wěn)定運行不利，容易發(fā)生水錘現(xiàn)象。當止回閥開度在30%開度的基礎上繼續(xù)增大時，由于閥瓣后面的固定構件的作用，產生了較大的壓力變化，導致內部壓力的不穩(wěn)定，說明在閥門的開度不斷增大的過程中，雖然總體的壓降在逐漸降低，且流態(tài)趨于穩(wěn)定，但內部壓力的波動依舊對閥門內部構件可能產生了一定的程度的危害。

圖6 不同開度下的壓力云圖Fig.6 Pressure Cloud Diagram of Optimized Shuttle Check Valve

從圖5優(yōu)化前的速度矢量圖中可以看出優(yōu)化前梭式止回閥在開度為5%、20%和30%時閥瓣邊緣處速度分布不均勻，這說明這兩處流道線型畸變、不連續(xù)，流體在流道中流速減速慢；當開度為80%和100%時，優(yōu)化前梭式止回閥在左側出現(xiàn)了較大渦流，有限流通面積較小，能量損失較大，說明優(yōu)化前的流道對流體的流通能力較差，這時閥體內速度分布差異性較大，防水錘特性差，因此需要對梭式止回閥的流道進行優(yōu)化。

4.2 梭式止回閥的優(yōu)化

4.2.1 閥瓣的優(yōu)化

根據(jù)上述模擬結果，對于閥瓣和導流罩也應設計成流線型，這種流線型的閥瓣和導流罩可以使流體繞過它們的阻力減小，降低噪聲，避免邊界層分離［22］。閥瓣則去除閥瓣上圓弧與密封面之間的臺階，并在閥瓣的邊緣倒角。

圖3 梭式止回閥閥瓣輪廓線Fig.3 Shuttle Check Valve Disc Contour

4.2.2 閥體的優(yōu)化

與閥瓣的優(yōu)化同理，對于梭式止回閥在設計時應考慮到閥體的輪廓線應充分滿足過流能力和流線型設計，以減小流阻系數(shù)［23］。進行優(yōu)化時，對于閥體現(xiàn)增大閥體輪廓線的曲率使輪廓線更加符合流線形態(tài)，增強閥體的實際過流能力，同時在圓錐收口處圓角減小突變，以減小流體通過閥體的壓力損失。

圖4 梭式止回閥閥體輪廓線Fig.4 Shuttle Check Valve Body Contour

5 止回閥優(yōu)化前后計算結果分析

5.1 宏觀速度場

從圖5中可以看出，優(yōu)化后梭式止回閥在閥瓣邊緣處的流體流速勻稱，證明閥體內部流道體積突變削減，提升了內部流道的平滑度，流道中流體的流速減弱較為緩慢，表明針對閥體的流線型優(yōu)化使梭式止回閥的實際流通能力增大了。雖然優(yōu)化后沒有完全使閥瓣附近的漩渦消除，但與優(yōu)化前相比較優(yōu)化后的漩渦強度大大減小，說明流體通過梭式止回閥的壓力降將減小，流阻系數(shù)也將減小。證明閥體和閥瓣的輪廓線經過優(yōu)化，減小了進口處漩渦的大小，不但降低了流體通過能量損失，除此之外使得流體通過閥時的流速更穩(wěn)定，因此使防水錘特性增強。

圖5 不同開度下的速度失量圖Fig.5 Velocity Vector Diagram of Optimized Shuttle Check Valve

5.2 靜壓力場

從圖6中可以看出，經過優(yōu)化后，所有開度下閥瓣附近相對低壓的區(qū)域相比于優(yōu)化前都有減小，且低壓區(qū)域的壓力相對于整個閥體其他部分的壓力差異小，經過優(yōu)化后止回閥內流體的壓力分布相對于優(yōu)化前更均勻，減小了壓力梯度，不容易引閥門的震動。梭式止回閥的進口壓力隨著閥門開度增加而逐漸減小，閥的出口壓力逐漸增加，閥前與閥后的壓差慢慢變小，作用在止回閥上的水流沖擊力也相應減弱。優(yōu)化后的梭式止回閥在開度逐漸增加的過程中的壓力均小于優(yōu)化前，優(yōu)化前流體通過閥門的壓降比優(yōu)化后大。從靜壓力場分析中看出，優(yōu)化后閥瓣受到壓力較大的情況得到改善且閥內流道中壓力分布較均勻，壓力梯度較優(yōu)化前小。梭式止回閥在閥瓣動作過程中，閥瓣均勻受力，閥瓣受到流體產生的水擊力較小，優(yōu)化后提升了梭式止回閥的防水錘特性。

5.3 梭式止回閥的流阻系數(shù)

流阻系數(shù)是評價流體流經閥門時的能量損失大小和防水錘能力的重要指標，流阻系數(shù)通過流體流經閥門時的前后壓差和流體的流速計算，其計算關系式如下。

式中：ξ—流阻系數(shù)；Δp—閥門前后的壓力差，Pa；u—流體的流速，m s；ρ—流體的密度，kg/m3。

從圖7可以看出，隨著梭式止回閥開度的增加流阻系數(shù)劇烈地減小。在閥門開啟的整個過程中，優(yōu)化后的梭式止回閥對流體的阻力明顯減小。在閥門開度為5%～20%時優(yōu)化后的止回閥的流阻系數(shù)相對優(yōu)化前的梭式止回閥降低30%以上，流阻系數(shù)降低最少的開度為50%，在50%開度時流阻系數(shù)相對降低12%。優(yōu)化后梭式止回閥對流體流動的阻力降低，梭式止回閥內部的流體流動狀況得到了改善，經過優(yōu)化后新的梭式止回閥的防水錘能力得到了提高。

圖7 流阻系數(shù)與開度的關系Fig.7 Relation Between Flow Resistance Coefficient and Valve Opening

6 結論

（1）經過對梭式止回閥結構的分析，將閥體、閥瓣和導流罩優(yōu)化設計時采用流線型態(tài)，優(yōu)化后閥體的流道線的曲率半徑增加，流道線平滑過渡，流速較優(yōu)化前分布更均勻，漩渦減弱，增大了止回閥的流通能力。

（2）各個開度下梭式止回閥的流阻系數(shù)較優(yōu)化前均有很大的減小；優(yōu)化后的壓降比優(yōu)化前的壓降小，且壓降與流阻系數(shù)都呈現(xiàn)急速下降趨勢。優(yōu)化后梭式止回閥對流體流動的阻力降低。

（3）優(yōu)化后流體在梭式止回閥中速度和壓力分布更均勻，梭式止回閥的速度梯度明顯減少，且具有良好的對稱性，閥內速度和壓力變化在不同開度間過渡平緩，不會產生較大的沖擊，降低了水流沖擊閥瓣的噪聲，提高了止回閥的防水錘特性。