游峻松，周大慶，郭俊勛，王胤淞

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210009；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 211100）

0 引言

拍門是泵站不可缺少的重要設(shè)備，通常安裝在排水管道尾端，其具有防止外水倒灌的功能，也兼?zhèn)溟T頁(yè)關(guān)閉的緩沖性能。拍門應(yīng)該具備啟閉可靠靈活，安全穩(wěn)定，密封性能好等技術(shù)特點(diǎn)。根據(jù)不同的拍門門頁(yè)開啟方式，拍門可分為上翻式拍門、側(cè)翻式拍門兩種。上翻式拍門具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、開啟靈活、成本低以及便于維修等優(yōu)點(diǎn)，在泵站中得到廣泛應(yīng)用［1-3］。對(duì)于拍門水力特性已有不少研究，主要為拍門撞擊相關(guān)理論研究和數(shù)值模擬研究［4-8］。洪順軍等［1］將上翻式拍門和側(cè)翻式拍門作為研究對(duì)象，對(duì)比分析拍門水力特性，得出同等工況下側(cè)翻式拍門的水力損失較小。唐敏嘉等［9］結(jié)合某泵站參數(shù)進(jìn)行三維建模，對(duì)拍門動(dòng)作過(guò)程中的不同角度進(jìn)行研究，結(jié)果表明拍門水力損失系數(shù)隨開啟角度的增加而減少，變化幅度趨于平緩。王志祥等［10］通過(guò)研究不同拍門形式，不同門頁(yè)數(shù)和不同材質(zhì)拍門的開啟角和撞擊力，對(duì)比得出自由側(cè)翻式拍門和復(fù)合材料拍門的較優(yōu)水力性能。目前對(duì)于上翻式拍門水力特性的研究，集中于分析不同拍門類型或不同拍門開度下的水力特性，但通常是將拍門固定在某一角度，不符合拍門在實(shí)際工程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。此外，現(xiàn)有研究也未考慮機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程對(duì)拍門水力特性的影響，故完整地模擬出拍門在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)對(duì)研究其水力特性是十分必要的。

依托國(guó)內(nèi)某泵站，應(yīng)用Realizablek-ε湍流模型，使用用戶自定義函數(shù)（UDF），應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格中的光順法和重構(gòu)法，并結(jié)合6DOF 算法，模擬出拍門在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)，分析上翻式拍門在開啟過(guò)程中的水力特性。

1 數(shù)值計(jì)算模型與方法

1.1 模擬計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

以某泵站為研究對(duì)象，該泵站主水泵采用1400ZLB 型立式半調(diào)節(jié)軸流泵，葉輪直徑1.30 m，額定轉(zhuǎn)速295 r∕min，設(shè)計(jì)流量6.04 m3∕s，建立了包括進(jìn)水池、進(jìn)水流道、泵段、出水流道、上翻式拍門、出水池等結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型。其整體示意圖如圖1所示，泵站模型入流方向?yàn)閤方向，定義重力加速度-9.81 m∕s2（指向y軸負(fù)方向）。

圖1 某泵站三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the three-dimensional structure of a pumping station

在求解過(guò)程中，控制方程會(huì)受到離散誤差、離散方法等因素的影響從而產(chǎn)生離散誤差，且誤差隨著網(wǎng)格數(shù)量的增多而減少，因此進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析是很有必要的。不同網(wǎng)格方案對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、機(jī)組揚(yáng)程值見表1。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果Tab.1 Grid independence verification results

由表1 可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到1×107級(jí)別時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量的變化已經(jīng)不足以引起單方面的影響，故本研究選取方案5，計(jì)算模型采用對(duì)幾何模型適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用四面體單元，并根據(jù)計(jì)算區(qū)域內(nèi)水流水力特性合理劃分，局部加密處理，參見圖2，最終生成總網(wǎng)格數(shù)為10 495 599。

圖2 計(jì)算模型非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of unstructured grid division of computational model

1.2 控制方程和湍流模型

本研究中考慮到泵站中流動(dòng)為湍流等問(wèn)題，選擇基于壓力法的求解器進(jìn)行計(jì)算，并考慮重力項(xiàng)。通過(guò)將非定常的湍流問(wèn)題轉(zhuǎn)化為定常問(wèn)題，則基于Boussinesq 渦團(tuán)黏性假設(shè)，選擇連續(xù)性方程和雷諾時(shí)均N-S方程，選擇Realizablek-ε湍流模型對(duì)控制方程進(jìn)行封閉［11］。

式中：ρ為流體密度；xi、xj為坐標(biāo)分量；ui、uj為速度分量；fj為質(zhì)量力分量；P為流體壓強(qiáng)；μ為動(dòng)力黏度系數(shù)；為湍流切應(yīng)力；μt為湍流黏性系數(shù)；k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)能耗散率；σk、σε分別為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)；Gk為湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；C1、C2為常數(shù)，C1=1.44、C2=1.92；υ為運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，計(jì)算精度為10-5。

1.3 邊界條件設(shè)置

本研究設(shè)置進(jìn)口為流速進(jìn)口，出口為壓力出口，除去交界面外統(tǒng)一設(shè)置為墻面邊界，湍動(dòng)能采用一階迎風(fēng)格式求解，采用有限體積法對(duì)本模型進(jìn)行離散化處理，方程求解采用耦合算法，利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001 s。

1.4 上翻式拍門結(jié)構(gòu)及啟動(dòng)模擬方法

傳統(tǒng)上翻式拍門結(jié)構(gòu)較為常見，一般由門座、門鉸、門頁(yè)以及密封件構(gòu)成，上翻式拍門在開啟過(guò)程中，拍門門頁(yè)自下而上運(yùn)動(dòng)，因此重力對(duì)水流流態(tài)影響較大。在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，上翻式拍門會(huì)先因所受合力作用不運(yùn)動(dòng)，之后會(huì)逐漸被水流沖開。當(dāng)機(jī)組停運(yùn)時(shí)，拍門受到自身重力的作用會(huì)下落，由于拍門受到水壓作用，拍門會(huì)緊緊貼合與出水流道末端，防止水倒流，此時(shí)拍門門頁(yè)與門座保持平行。拍門的材質(zhì)主要為鋼鐵、木材或人工復(fù)合材料，人工復(fù)合材料的密度為碳鋼密度的1∕4～1∕5，密度的差異主要體現(xiàn)在拍門所受浮重上，進(jìn)而會(huì)影響到拍門在運(yùn)動(dòng)過(guò)程的開度變化速率和開度大小。本研究將上翻式拍門簡(jiǎn)化為2.06 m×2.2 m×0.06 m 的長(zhǎng)方體門頁(yè)與圓柱體門鉸的組合結(jié)構(gòu)，拍門質(zhì)心到門鉸中心的距離為1.02 m，拍門體積為0.28 m3，上翻式拍門重量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，本研究設(shè)置拍門質(zhì)量為800 kg，拍門安裝傾角為5°。

應(yīng)用Fluent 軟件里的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變形問(wèn)題或流體邊界運(yùn)動(dòng)的模擬，通常將光順法和重構(gòu)法兩者結(jié)合使用。光順法是根據(jù)運(yùn)動(dòng)邊界節(jié)點(diǎn)的位移量來(lái)修改流體域內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)位移，使得到新一位置的節(jié)點(diǎn)達(dá)到平衡，從而保證模擬出流體單元的變形；當(dāng)位移過(guò)大時(shí)，網(wǎng)格會(huì)產(chǎn)生較為明顯的變形和傾斜，這會(huì)嚴(yán)重影響網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)而降低計(jì)算精度，此時(shí)再根據(jù)重構(gòu)法來(lái)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分。拍門在開啟過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)為6DOF 運(yùn)動(dòng)，可通過(guò)6DOF 算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其6 個(gè)自由度的控制，使其只能沿著z軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，其他方向固定。在本研究中，針對(duì)上翻式拍門進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)處理，應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格中的光順法和重構(gòu)法，來(lái)模擬機(jī)組開啟過(guò)程中的拍門實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；結(jié)合6DOF算法，在Fluent求解器計(jì)算過(guò)程中，明確上翻式拍門在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，建立上翻式拍門的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，即門鉸中心所在的z軸正方向。上翻式拍門在開啟時(shí)受到三種力的作用：拍門自重G、浮力W、水流沖力P。由已知各力，列出力矩平衡方程，可得拍門開啟角度計(jì)算方程如下［12］：

式中：α為拍門開啟角度；MG為浮重對(duì)拍門產(chǎn)生的力矩；Mc為水流沖力對(duì)拍門產(chǎn)生的力矩。

本研究是對(duì)上翻式拍門開啟過(guò)程的模擬，因此同樣需要對(duì)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速做設(shè)定，使用用戶自定義函數(shù)（UDF）對(duì)其進(jìn)行設(shè)定，將轉(zhuǎn)輪啟動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)化為轉(zhuǎn)速線性增加，于5 s 時(shí)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速（295 r∕min）。計(jì)算過(guò)程包含轉(zhuǎn)輪到達(dá)額定轉(zhuǎn)速之后的十個(gè)轉(zhuǎn)輪周期用時(shí)，因此總時(shí)長(zhǎng)為7.034 s，模擬拍門在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 上翻式拍門開啟過(guò)程外特性參數(shù)

機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速及上翻式拍門開度變化如圖3所示。將轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速增加過(guò)程簡(jiǎn)化為線性增加過(guò)程，從0 s 開始，用時(shí)5 s到達(dá)額定轉(zhuǎn)速，即點(diǎn)E。

圖3 拍門開度及轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Variation curve of flap valve opening and runner speed with time

上翻式拍門開啟過(guò)程可分為以下3 個(gè)階段：①A-B 快速開啟階段，上翻式拍門于0.021 s（點(diǎn)A）開啟轉(zhuǎn)動(dòng)，以較快速率開啟至0.654 s（點(diǎn)B），此時(shí)拍門開度為13.36°；②B-F 勻速開啟階段，上翻式拍門開啟速率較第一階段有所下降，在1.962 s（點(diǎn)C）-3.456 s（點(diǎn)D）這一時(shí)段內(nèi)拍門開啟速度有所上升，但整體開啟速率在該階段較為穩(wěn)定。拍門于5.064 s（點(diǎn)F）達(dá)到最大開度，最大開度為23.76°；③F-G 穩(wěn)定開啟階段，轉(zhuǎn)輪到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后，再計(jì)算10個(gè)轉(zhuǎn)輪周期來(lái)對(duì)拍門開啟狀態(tài)進(jìn)行研究。模擬機(jī)組開啟過(guò)程總時(shí)長(zhǎng)為7.034 s，拍門于7.018 s（點(diǎn)G）保持穩(wěn)定，拍門開度為20.36°。

圖4展示啟動(dòng)過(guò)程中拍門所受力矩變化，在機(jī)組啟動(dòng)之初，拍門因受到自身重力、浮力和水流沖力的合力作用沒有開啟。拍門在0.021 s 時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)因?yàn)樗鞣e壓，瞬時(shí)力矩為76 639.3 N·m。在0.021～0.654 s 這一拍門快速開啟階段，拍門平均力矩較高，在0.654 s 瞬時(shí)力矩為14 111.27 N·m。當(dāng)拍門開度達(dá)到最大，此時(shí)的瞬時(shí)力矩為10 893.82 N·m。之后拍門所受力矩趨向平穩(wěn)，當(dāng)拍門開度穩(wěn)定時(shí)的瞬時(shí)力矩為12 150.87 N·m。開啟過(guò)程中平均拍門所受力矩為11 746.17 N·m。

圖4 拍門所受力矩隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Variation curve of time-dependent torque on flap valve

2.2 上翻式拍門開啟過(guò)程不同時(shí)刻流態(tài)分析

圖5分別為拍門開始轉(zhuǎn)動(dòng)、拍門快速轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束、拍門勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程、拍門最大開度、拍門穩(wěn)定開度6個(gè)不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的機(jī)組流線分布。在圖5 中可以看出，在0.021 s 和0.654 s 這兩個(gè)時(shí)刻，流道內(nèi)流態(tài)正常，機(jī)組穩(wěn)定，存在小部分流線從拍門和出水流道的間隙中流出。在1.962 s和3.456 s這兩個(gè)時(shí)刻，流道內(nèi)出現(xiàn)小部分回流、漩渦等現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在出水池的壁面位置。在5.064 s 和7.018 s 這兩個(gè)時(shí)刻，機(jī)組內(nèi)包括泵段、進(jìn)水流道等結(jié)構(gòu)無(wú)不良流態(tài)，出水池內(nèi)出現(xiàn)漩渦、回流等現(xiàn)象，對(duì)拍門開度造成一定的影響。

圖5 不同時(shí)刻流道xy截面流線分布Fig.5 The velocity streamlines distribution at the xy section of the flow channel at different times

圖6 展示了不同時(shí)刻出水流道、出水池在xy截面處的速度場(chǎng)變化。圖6（a）可以看出，在出水流道出口和上翻式拍門交界處有較高流速水流，這是因?yàn)樵跈C(jī)組開啟之處，因?yàn)樗鞯臄D壓將拍門沖開。隨著拍門開度逐漸增大，出水段內(nèi)平均流速在增加，同時(shí)由于拍門和水流自重的雙重影響，水流主要運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檠刂拈T門頁(yè)下部表面向前流動(dòng)，此部分水流流速也是在流經(jīng)拍門時(shí)流速最大的。在流經(jīng)拍門之后，水流流速逐漸衰減；有部分水流沿拍門頁(yè)上部往拍門與出水流道連接縫隙出運(yùn)動(dòng)，主要是由于受到拍門對(duì)其的反作用力，并因?yàn)橹亓统鏊乇诿嬗绊?，造成部分回流、漩渦現(xiàn)象。

圖6 不同時(shí)刻出水段xy截面速度分布云圖Fig.6 The velocity distribution at the xy section of water outlet section at different times

圖7展示了不同時(shí)刻上翻式拍門在xy截面處的Q準(zhǔn)則渦量變化。由圖7（b）可以看出，有部分渦量出現(xiàn)在上翻式拍門門鉸與門頁(yè)連接的縫隙處，隨著拍門開度的增加，出水池上壁面靠近拍門的部分會(huì)產(chǎn)生回流、漩渦，導(dǎo)致此處Q值增大。由圖7（c）可以看出，因水流自重與拍門反作用力的共同影響，上翻式拍門前渦量明顯。拍門開度增大后，渦量集中在拍門門頁(yè)下部表面，在出水池下壁面會(huì)產(chǎn)生回流和漩渦，此部分水流流經(jīng)拍門之后，出水池部分的Q值有所降低。

圖7 不同時(shí)刻上翻式拍門處xy截面Q準(zhǔn)則渦量云圖Fig.7 The Q-criterion vorticity at the xy section of upturning flap valve at different times

2.3 水力損失分析

由于上翻式拍門門頁(yè)對(duì)水流的阻礙作用，使得出水流道出口處的水流流速和流向都發(fā)生變化，從而產(chǎn)生水力損失。圖8為上翻式拍門開啟過(guò)程中拍門前后水力損失隨時(shí)間變化的曲線，在拍門被水流沖開瞬間時(shí)的水力損失較大，且隨著拍門開度的增加，拍門前后水力損失逐漸降低并趨于穩(wěn)定，整個(gè)機(jī)組開啟過(guò)程平均拍門前后水力損失為0.20 m。

圖8 拍門前后水力損失隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Time curve of hydraulic loss before and after flap valve

由于拍門水力損失與拍門開度有關(guān)［13-15］，針對(duì)這一水力損失，對(duì)其進(jìn)行無(wú)量綱化處理，可按照下式計(jì)算［16］：

式中：ΔΗ為拍門前后水力損失，m；υ1為拍門前水流流速，m∕s；g為重力加速度，取9.81 m∕s2。

將拍門運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同時(shí)刻的拍門水力損失和拍門前流速代入式（7），可以得到如圖9展示的拍門水力損失系數(shù)隨時(shí)間變化曲線。上翻式拍門在啟動(dòng)過(guò)程中的水力損失系數(shù)主要為脫流損失，這是由于出水口處的水流受到拍門擠壓嚴(yán)重，產(chǎn)生一定的不良流態(tài)。機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中拍門水力損失平均值為1.43。

圖9 拍門前后水力損失系數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Time curve of hydraulic loss coefficient before and after flap valve

3 結(jié)論

采用Realizablek-ε湍流模型，通過(guò)用戶自定義函數(shù)（UDF）、動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)、6DOF 算法，能夠完整地模擬出拍門隨時(shí)間變化的開啟過(guò)程，進(jìn)而分析上翻式拍門的水力特性，以期為之后對(duì)該結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用提供參考。具體研究結(jié)論如下：

（1）在機(jī)組啟動(dòng)之初，拍門因受自身重力、浮力、水流沖力的合力作用不會(huì)打開，在開啟的瞬間拍門受到極大水流沖力的作用，開啟后水流沖力對(duì)于拍門的作用逐漸減弱。故本研究上翻式拍門于0.021 s 開啟轉(zhuǎn)動(dòng)，開啟速度先快后慢，于5.064 s 達(dá)到最大開度23.76°。轉(zhuǎn)輪到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后，拍門開度會(huì)趨于穩(wěn)定，本研究在轉(zhuǎn)輪在5 s達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后再計(jì)算10個(gè)轉(zhuǎn)輪周期，模擬機(jī)組開啟過(guò)程總時(shí)長(zhǎng)為7.034 s，拍門于7.018 s 保持穩(wěn)定，穩(wěn)定開度為20.36°。

（2）在拍門開啟過(guò)程的不同階段，機(jī)組內(nèi)部壓力和水流流線有較大差異。在機(jī)組啟動(dòng)之初，水流流態(tài)正常，由于拍門和水流自重的雙重影響，水流主要運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檠刂拈T門頁(yè)下部表面向前流動(dòng)，存在小部分流線從拍門和出水流道的間隙中流出。隨著時(shí)間推移，流道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)回流、漩渦等不良流態(tài)，集中出現(xiàn)在出水池壁面位置。這是因?yàn)榱黧w受到出水池的限制，不同流速的水流在交界面處會(huì)相互擠壓，產(chǎn)生反向流動(dòng)，進(jìn)而對(duì)拍門開度造成一定的影響。

（3）拍門開啟瞬間水力損失較大，隨著拍門開度的增加，水力損失會(huì)逐漸降低并趨于穩(wěn)定，原因?yàn)樯戏脚拈T門頁(yè)對(duì)水流的阻礙作用會(huì)嚴(yán)重影響水流流態(tài)，本研究過(guò)程平均拍門前后水力損失為0.20 m。對(duì)其進(jìn)行無(wú)量綱化處理，可以得到拍門水力損失系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系，本研究過(guò)程中拍門水力損失平均值為1.43。