長直管道閥門水擊壓強(qiáng)變化規(guī)律數(shù)值模擬研究

李　佳　蔣定國　王　煜

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

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長直管道閥門水擊壓強(qiáng)變化規(guī)律數(shù)值模擬研究

李佳蔣定國王煜

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

摘要：有壓管閥門的突然關(guān)閉通常伴隨水擊現(xiàn)象的發(fā)生，且不同閥門的關(guān)閉對水擊的影響也不同．本文利用Fluent軟件中的滑移網(wǎng)格技術(shù)對3種典型閥門(球閥、蝶閥和閘閥)在突然關(guān)閉引起的水擊現(xiàn)象進(jìn)行了三維數(shù)值模擬．計(jì)算結(jié)果表明：各個(gè)閥在關(guān)閥時(shí)間為0.5 s下的最大水擊壓強(qiáng)要比0.77 s下的高，其中蝶閥的最大水擊壓強(qiáng)對時(shí)間的敏感性相對較低，在一定范圍內(nèi)，通過延長關(guān)閥時(shí)間來降低水擊壓強(qiáng)，閘閥和球閥相對于蝶閥而言會(huì)更為有效；各閥在關(guān)閥時(shí)間一定的情況下，碟閥前壓強(qiáng)變化相對較緩，其水擊壓強(qiáng)高峰先于球閥和閘閥出現(xiàn)，且其最大水擊壓強(qiáng)值要遠(yuǎn)低于球閥和閘閥，其中閘閥的水擊壓強(qiáng)最大．在啟閉方式和關(guān)閥時(shí)間一定的情況下，為了減小管路系統(tǒng)遭受水擊壓強(qiáng)的危害，可優(yōu)先考慮蝶閥．

關(guān)鍵詞：水擊；壓強(qiáng)；Fluent；滑移網(wǎng)格；閥門

水擊作為有壓管路中一種重要的水力現(xiàn)象，是以一種壓力波的形式沿著管壁傳播，使得管壁、閥門或其它管路元件承受極大的動(dòng)水壓力，嚴(yán)重影響了管路系統(tǒng)的正常運(yùn)行和安全．國內(nèi)外對水擊現(xiàn)象的研究方法主要采用有圖解法、解析法和數(shù)值方法，其中以數(shù)值方法具有計(jì)算精度高、方法成熟且適用各類邊界條件等多種優(yōu)點(diǎn)的特征線法得到廣泛應(yīng)用[1-2]．然而，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)不斷發(fā)展，借助動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了閥門動(dòng)態(tài)開關(guān)過程中的流動(dòng)狀態(tài)和閥體受力情況的模擬，而且還對管道閥門水擊過程的壓力計(jì)算提供了新的方法和技術(shù)．沙海飛[3]采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對閘門開啟過程中的非恒定水流特性進(jìn)行了數(shù)值模擬．劉華坪、陳浮[4]采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對管路系統(tǒng)常見的4種典型閥門流場進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬．華曄[5]、Nikpour[6]分別運(yùn)用CFX和Fluent軟件對管道中的閥門關(guān)閉進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，并將計(jì)算結(jié)果與特征線法及試驗(yàn)進(jìn)行了對比分析，指出CFD技術(shù)可作為計(jì)算水擊壓強(qiáng)的一種方法．郭蘭蘭[7]運(yùn)用Fluent軟件對球閥變速關(guān)閉過程中的水擊壓強(qiáng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了關(guān)閥時(shí)間和關(guān)閥方式對水擊壓強(qiáng)的影響．以上表明，CFD技術(shù)在管路水擊壓強(qiáng)計(jì)算的應(yīng)用中具有可行性．

閥門是一種調(diào)節(jié)流量和改變壓力的調(diào)節(jié)元件和壓力元件，不同閥門具有不同的工作特性，對水流的調(diào)節(jié)作用不盡相同[8]．因此，有必要針對不同閥門對水擊壓強(qiáng)的影響進(jìn)行具體分析．本文在前人的基礎(chǔ)上利用滑移網(wǎng)格技術(shù)主要對3種典型閥門(球閥、蝶閥和閘閥)在兩種不同關(guān)閥時(shí)間下的水擊壓強(qiáng)進(jìn)行了計(jì)算，簡要地分析關(guān)閥時(shí)間和閥門型式對水擊壓強(qiáng)的影響．在一定程度上，可為有壓管閥門型式的選擇及設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一些參考．

1研究對象和基本參數(shù)

本文采用文獻(xiàn)[9]中實(shí)驗(yàn)管路為計(jì)算模型，針對3種閥門關(guān)閉過程所產(chǎn)生的水擊現(xiàn)象進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬．計(jì)算模型的基本參數(shù)如圖1所示，管道為一水平放置的直管，全段長24.97 m，直徑0.1 m，閥芯位置距離管道進(jìn)口端24.47 m，管道出口端0.5 m．管道進(jìn)口處為恒定水頭，壓力水頭為2 m，管道出口末端連通大氣，表壓為0．本文先采用ANSYS前處理軟件ICEM CFD對這3種閥門及管道進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，考慮到各個(gè)模型縱橫比較大及計(jì)算精度的要求，所有模型都采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對管壁處采用邊界層網(wǎng)格進(jìn)行加密，管道截面及閥門局部處網(wǎng)格如圖2所示．網(wǎng)格單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)見表1．

圖1　計(jì)算模型

圖2　各個(gè)閥的模型參數(shù)及局部網(wǎng)格

閥種球閥蝶閥閘閥網(wǎng)格單元數(shù)/個(gè)201.07萬157.17萬212.77萬節(jié)點(diǎn)數(shù)/個(gè)209.99萬164.34萬219.22萬最小體積/m36.12e-095.93e-111.01e-09最大體積/m32.43e-074.44e-072.31e-07

2數(shù)值模型及計(jì)算方法

2.1流體控制方程

閥門的啟閉是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，管道中流體呈非定常湍流流動(dòng)，湍流數(shù)值模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型，流體所遵循的控制方程[10]如下：連續(xù)方程

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

紊動(dòng)能方程(k方程)：

(3)

耗散率方程(ε方程)：

(4)

2.2計(jì)算方法

各閥芯的運(yùn)動(dòng)由滑移網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)．將閥芯與左右管道的接觸面分別定義為交界面，即滑移面，自定義函數(shù)(UDF)控制閥芯的運(yùn)動(dòng)，隨著閥芯與滑移面接觸面積的縮小直至變?yōu)榱?，?shí)現(xiàn)閥門由全開到完全關(guān)閉．其中，閘閥為位移隨時(shí)間的函數(shù)，蝶閥(啟閉角90°)和球閥(啟閉角60°)采用角速度隨時(shí)間的函數(shù)．為提高計(jì)算的收斂性和準(zhǔn)確性，每個(gè)模型先進(jìn)行閥門全開的定常計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果作為瞬態(tài)計(jì)算的初始值．為研究水擊壓強(qiáng)隨關(guān)閥時(shí)間的變化關(guān)系，設(shè)置了兩種不同的關(guān)閥時(shí)間，分別是0.77 s和0.5 s．由于閥門處水擊壓強(qiáng)最大且持續(xù)時(shí)間最長，因此取靠近閥門處的管道橫截面為監(jiān)測面，計(jì)算出該監(jiān)測面上所受壓強(qiáng)平均值即為最大水擊壓強(qiáng)．計(jì)算時(shí)選用耦合壓力求解器，二階迎風(fēng)格式，PISO瞬態(tài)算法，壁面采用無滑移邊界，近壁區(qū)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理．各個(gè)模型的計(jì)算時(shí)間步長為0.002 s，每隔0.02 s自動(dòng)保存一次計(jì)算結(jié)果．

2.3計(jì)算結(jié)果與分析

1)各個(gè)閥門在不同關(guān)閥時(shí)間下的水擊壓強(qiáng)變化過程分析

圖3中a，b和c分別是蝶閥，球閥和閘閥在關(guān)閥時(shí)間為0.77 s和0.5 s時(shí)計(jì)算的壓強(qiáng)變化曲線．

圖3　各個(gè)閥門在不同關(guān)閥時(shí)間下水擊壓強(qiáng)變化曲線

從圖3可以看出，在0.5 s關(guān)閥時(shí)間下的蝶閥、球閥和閘閥出現(xiàn)的最大水擊壓強(qiáng)都要比0.77 s下的大．顯然，以上3種閥門的水擊壓強(qiáng)隨關(guān)閥時(shí)間都呈相同的變化趨勢，說明結(jié)果具有普遍性，能反映客觀規(guī)律，通過延長關(guān)閥時(shí)間，能有效地降低水擊壓強(qiáng)．在關(guān)閥時(shí)間為0.77 s和0.5 s下各閥出現(xiàn)的最大水擊壓強(qiáng)及時(shí)刻見表2，其壓力云圖如圖4所示．從表中所顯示的兩種關(guān)閥時(shí)間下的前后最大壓強(qiáng)增率上看，閘閥和球閥前后最大壓強(qiáng)增率明顯高于蝶閥，閘閥的最高．從中可以分析出，閘閥和球閥由突然關(guān)閥引起的水擊壓強(qiáng)對于關(guān)閥時(shí)間的敏感性要高于碟閥．在一定范圍內(nèi)，通過延長關(guān)閥時(shí)間來降低出現(xiàn)的最大水擊壓強(qiáng)大小，閘閥和球閥相對于蝶閥而言會(huì)更為有效．

表2　不同關(guān)閥時(shí)間下出現(xiàn)最大水擊壓強(qiáng)及其時(shí)刻

圖4　各個(gè)閥的最大壓強(qiáng)云圖和相應(yīng)時(shí)刻

2)3種閥門在同一關(guān)閥時(shí)間下的水擊壓強(qiáng)變化過程分析

圖5是3種閥在同一關(guān)閥時(shí)間(0.77 s或0.5 s)下的壓強(qiáng)變化曲線．從圖中可以看出，在關(guān)閥時(shí)間一定的情況下，各個(gè)閥出現(xiàn)的水擊壓強(qiáng)變化曲線有所不同．在關(guān)閥時(shí)間為0.77 s和0.5 s時(shí)，閘閥出現(xiàn)的最大水擊壓強(qiáng)明顯要高于球閥和蝶閥，蝶閥的水擊壓強(qiáng)最?。霈F(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要與閥門處的流場有關(guān)．

圖5　不同關(guān)閥時(shí)間下各個(gè)閥前水擊壓強(qiáng)的變化曲線

圖6是以上3種閥門運(yùn)動(dòng)到某時(shí)刻下的流線圖，從圖6可以看出，3種閥門的流線分布差異較大．球閥和閘閥的拐角處出現(xiàn)了漩渦，部分流體被閥體阻隔；蝶閥處沒有漩渦，流線被分成兩股，以射流的形式從蝶板兩端折向下游．這種現(xiàn)象與實(shí)際情況非常符合，當(dāng)任一型式的閥門瞬時(shí)關(guān)閉時(shí)，都會(huì)阻礙緊靠閥門處的流體單元流向下游．由于動(dòng)量突然減小，壓強(qiáng)將迅速增大，同時(shí)，流體連續(xù)性被中斷的區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，這使得閥前后呈現(xiàn)明顯的壓強(qiáng)差．在壓強(qiáng)差的作用下，流體成為高速射流并從閥門與管道的空隙中射向下游，高速射流與低速流體發(fā)生剪切，摻混作用，形成漩渦．蝶閥前沒有出現(xiàn)漩渦，說明該鄰近層的流體單元間流速梯度不大，不足以發(fā)生剪切作用產(chǎn)生漩渦，自然水擊壓強(qiáng)上升的幅度不大．球閥和閘閥前雖有漩渦出現(xiàn)，但是兩者的差異在于球閥后的流線隨閥門轉(zhuǎn)動(dòng)有向上折的趨勢，縮小了閥上后方的負(fù)壓區(qū)范圍；閘閥后的流線則始終以平行于管軸線的方向從閥門下方射出，并未對閥上后方的負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生作用．因而，球閥前后壓強(qiáng)差沒有閘閥的大，當(dāng)壓強(qiáng)差減小時(shí)，漩渦強(qiáng)度、范圍隨之減小，被阻滯的流體也會(huì)相應(yīng)的減少，最終閥體的關(guān)閥能力減弱，即閥體受到的水擊壓強(qiáng)降低．所以，在關(guān)閥時(shí)間一定的情況下，蝶閥的水擊壓強(qiáng)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于球閥和閘閥，閘閥最大，球閥次之．從圖6(a)和圖6(b)可以看出，無論關(guān)閥時(shí)間為0.77 s還是0.5 s，3種閥門的水擊壓強(qiáng)變化趨勢基本一致，說明計(jì)算結(jié)果符合普遍規(guī)律，可以用來評估水擊壓強(qiáng)變化規(guī)律．為了有效降低水擊壓強(qiáng)，應(yīng)優(yōu)先選用蝶閥作為啟閉元件．同時(shí)，從圖6還可以看出，蝶閥的水擊壓強(qiáng)波峰出現(xiàn)的時(shí)間要先于球閥和閘閥，使得整個(gè)管路系統(tǒng)遭受水擊危害持續(xù)的時(shí)間最短，這充分說明了選擇蝶閥來降低水擊壓強(qiáng)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢．

圖6　3種閥門某瞬時(shí)流線圖

3結(jié)論

本文利用CFD技術(shù)對管路系統(tǒng)中的3種典型閥門的水擊壓強(qiáng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，通過對3種閥門壓強(qiáng)變化過程的對比，分析了不同閥門型式和關(guān)閥時(shí)間對水擊壓強(qiáng)的影響．結(jié)果表明：1)不同關(guān)閥時(shí)間下，各個(gè)閥在關(guān)閥時(shí)間為0.5 s下的最大水擊壓強(qiáng)要比0.77 s下的高，且閘閥和球閥的最大

水擊壓強(qiáng)增率顯著高于蝶閥，說明蝶閥的最大水擊壓強(qiáng)對時(shí)間的敏感性相對較低，在一定范圍內(nèi)，通過延長關(guān)閥時(shí)間來降低水擊壓強(qiáng)大小，閘閥和球閥相對于蝶閥而言會(huì)更為有效；2)在關(guān)閥時(shí)間一定的情況下，蝶閥的最大水擊壓強(qiáng)要低于球閥和閘閥，閘閥最大，球閥次之．同時(shí)，蝶閥的水擊壓強(qiáng)波峰出現(xiàn)的時(shí)間要先于球閥和閘閥，使得整個(gè)管路系統(tǒng)遭受水擊危害持續(xù)的時(shí)間最短．由于各個(gè)閥門在關(guān)閥時(shí)間為0.77 s或0.5 s時(shí)，產(chǎn)生的水擊壓強(qiáng)變化趨勢基本一致，說明計(jì)算結(jié)果符合普遍規(guī)律，可以用來評估水擊壓強(qiáng)變化規(guī)律．因此，在啟閉方式和關(guān)閥時(shí)間一定的情況下，為了降低管路系統(tǒng)遭受水擊壓強(qiáng)的危害程度，可優(yōu)先考慮蝶閥作為管路系統(tǒng)的啟閉元件．

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[責(zé)任編輯周文凱]

收稿日期：2015-12-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51409151)；三峽大學(xué)人才科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(KJ2012B031)

通信作者：蔣定國(1980-)，男，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算流體力學(xué)．E-mail：jiangdingguo@aliyun.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.002

中圖分類號(hào)：TV137

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-948X(2016)02-0007-04

Numerical Simulation of Change Rule of Water Hammer Pressure of a Long Straight Pipe Valve

Li JiaJiang DingguoWang Yu

(College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractSudden closing of the pressure pipe valve is usually accompanied by the occurrence of water hammer phenomenon; the impacts of different valves close on water hammer are also different. In this paper, the three-dimensional numerical simulation of the water hammer phenomenon caused by the sudden closure of three kinds of typical valves (ball valve, butterfly valve and gate valve) is carried out by using the sliding grid technology of Fluent software. The water hammer pressures of these three typical valves are calculated. The results show that the maximum water hammer pressure of the valve under closing time of 0.5s is higher than that of 0.77s; the maximum water hammer pressure of butterfly valve has a relatively low sensitivity to time; in a certain range, by extending the valve closure time to reduce the size of the water hammer pressure, the gate valve and ball valve relative to the butterfly valve are more effective. At the same time, when the valve closing at a certain time, the pressure change at the butterfly valve is relatively slow; and its water hammer pressure peak was ahead of ball valve and gate valve appeared; the maximum water hammer pressure of the butterfly value is lower than that of the ball valve and gate valve; and the maximum water hammer pressure of the gate valve is the highest. When the valve closing mode and closing time are fixed, in order to reduce the risk of water hammer pressure in the pipeline system, the butterfly valve has priority over other valves.

Keywordswater hammer;pressure;Fluent;sliding mesh;valve