大口徑活塞套筒式調(diào)流調(diào)壓閥流動(dòng)特性分析

李燕輝，廖志芳，蔣 勁，王玉成，羅 爽

（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，湖北 武漢 430072；2.博納斯威閥門股份有限公司，天津 300350）

1 研究背景

隨著我國(guó)眾多長(zhǎng)距離引、調(diào)水項(xiàng)目的落成，大口徑調(diào)流調(diào)壓閥的需求不斷增加。其主要功能是滿足管線系統(tǒng)中各種特殊工況的調(diào)節(jié)要求，如水泵啟動(dòng)保護(hù)、重力流消能、流量控制和管網(wǎng)壓力平衡等。而活塞套筒式調(diào)流調(diào)壓閥因具有水位控制、流量調(diào)節(jié)和持壓泄壓等多種功能，且無(wú)空化、無(wú)振動(dòng)和耐泥沙等特點(diǎn)，在大型輸水工程中得到廣泛應(yīng)用［1］。通常情況下，在輸水管線起點(diǎn)設(shè)置調(diào)流調(diào)壓閥主要用于調(diào)壓，穩(wěn)定工作壓力，保證管道安全；而在出水口設(shè)置該閥主要用于調(diào)節(jié)流量，滿足不同工況下流量保持恒定的要求［2］。本次研究的2400LT-41X-10Q（DN2400）大口徑活塞套筒式調(diào)流調(diào)壓閥具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其主要由閥體、活塞套筒、活塞導(dǎo)軌、曲柄連桿機(jī)構(gòu)和其他閥內(nèi)零件組成，由驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)曲柄連桿帶動(dòng)活塞及節(jié)流套筒在閥腔內(nèi)軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以改變其出流面積。水流進(jìn)入閥內(nèi)首先通過(guò)軸向?qū)ΨQ的環(huán)形流道，然后在套筒處流出。套筒上設(shè)置多個(gè)節(jié)流長(zhǎng)孔，使噴出的水流對(duì)沖消能減壓，通過(guò)改變活塞套筒的行程，使節(jié)流孔參與出流的面積改變，從而控制調(diào)流調(diào)壓閥后的流量和壓力。

目前，對(duì)調(diào)流調(diào)壓閥的研究主要集中在工程應(yīng)用方案、數(shù)學(xué)模型理論和中小口徑閥型的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特性CFD 分析等。在工程應(yīng)用方面，楊富超等［3］介紹了套筒式調(diào)流調(diào)壓閥在水電站壓力鋼管放空系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，并就汽蝕系數(shù)與隔膜式水力控制閥、針型閥等進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，同時(shí)討論其在具體工程中的選型方案和運(yùn)行特點(diǎn)。閻秋霞［4］對(duì)比大口徑活塞型和錐形調(diào)流調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)、過(guò)流能力、消能效果等性能參數(shù)，并介紹國(guó)內(nèi)外具體工程實(shí)例，闡明該閥在大型輸水工程中使用的可靠性。靳衛(wèi)華等［5］根據(jù)具體供水工程分析了不同形式調(diào)流調(diào)壓閥的工作原理和性能特點(diǎn)，并總結(jié)調(diào)流調(diào)壓閥的選型經(jīng)驗(yàn)和布置方案。在理論分析方面，楊開(kāi)林［6］推導(dǎo)出多孔套筒式調(diào)流調(diào)壓閥理想無(wú)量綱流量系數(shù)與開(kāi)度和管路特性關(guān)聯(lián)的解析公式，并求解得出其理想水錘控制效果，為閥門優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)方向。

圖1 大口徑活塞套筒式調(diào)流調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)

在流動(dòng)特性CFD分析方面，目前主流還是針對(duì)中小型口徑的調(diào)流調(diào)壓閥，如向國(guó)玲［7］利用Fluent軟件分析了DN600的活塞套筒式調(diào)流調(diào)壓閥在不同開(kāi)度和不同流量下的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)特性，并計(jì)算其壓力損失及流阻系數(shù)，結(jié)果表明該閥流通能力過(guò)大導(dǎo)致減壓能力較小，調(diào)流調(diào)壓效果不明顯，建議減少出流孔數(shù)或減小孔徑。鄧君［8］在分析DN450活塞套筒式調(diào)流調(diào)壓閥在不同開(kāi)度下的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)特性的基礎(chǔ)上，提出多層套筒和出口引流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，并驗(yàn)證該方案對(duì)消除閥內(nèi)漩渦和空化的效果。另外，Chattopadhyay等［9］對(duì)比了標(biāo)準(zhǔn)k-ε和Realizable k-ε湍流模型對(duì)套筒式調(diào)流調(diào)壓閥湍動(dòng)能預(yù)測(cè)精度的影響，同時(shí)分析各特性參數(shù)之間的聯(lián)動(dòng)變化關(guān)系，包括流量系數(shù)、閥門開(kāi)度、壓降和湍流強(qiáng)度等。

可見(jiàn)，現(xiàn)有對(duì)活塞套筒式調(diào)流調(diào)壓閥水力特性的研究?jī)H依賴于穩(wěn)態(tài)分析，且未涉及大口徑閥型。因此，本文將對(duì)2400LT-41X-10Q型調(diào)流調(diào)壓閥（DN2400）進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，結(jié)合不同開(kāi)度的穩(wěn)態(tài)仿真及開(kāi)、關(guān)閥過(guò)程的瞬態(tài)仿真，全面分析大口徑活塞套筒式調(diào)流調(diào)壓閥的流動(dòng)特性，求得動(dòng)、靜態(tài)流量系數(shù)曲線、流阻系數(shù)曲線、閥芯瞬態(tài)側(cè)向力及相關(guān)的流場(chǎng)參數(shù)分布等。

2 仿真模型及參數(shù)設(shè)置

2.1 網(wǎng)格劃分及工況設(shè)置本次研究使用ICEM CFD 網(wǎng)格生成軟件對(duì)調(diào)流調(diào)壓閥的流體域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，采用混合網(wǎng)格方法，即對(duì)調(diào)流閥復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行剖分，其對(duì)復(fù)雜幾何具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，而在進(jìn)出口管段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。另外，考慮到套筒節(jié)流孔附近將產(chǎn)生較大的速度和壓力梯度，故在該處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，以保證網(wǎng)格質(zhì)量和求解精度，網(wǎng)格模型如圖2 所示。另外，選取若干種網(wǎng)格數(shù)量方案，以閥門全開(kāi)時(shí)的出口壓力值為參考，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，結(jié)果如圖3所示?？梢?jiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在420萬(wàn)以上時(shí)，計(jì)算結(jié)果不受網(wǎng)格量的影響。而本次研究最終采用的網(wǎng)格數(shù)量為550 萬(wàn)，達(dá)到無(wú)關(guān)性要求。同時(shí)，在閥門上下游添加一定長(zhǎng)度的進(jìn)出口管段流體域，以減小進(jìn)出口漩渦回流對(duì)設(shè)定的邊界條件的影響以及降低計(jì)算發(fā)散的風(fēng)險(xiǎn)［10-11］。為分析調(diào)流調(diào)壓閥的動(dòng)、靜態(tài)流動(dòng)特性，對(duì)以下3種工況進(jìn)行仿真：（1）穩(wěn)態(tài)工況。對(duì)40%～100%之間的7個(gè)閥門開(kāi)度進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析，進(jìn)、出口邊界條件分別設(shè)為閥前壓力6bar（工作壓力設(shè)計(jì)值）和出口流量25 500 m3/h（設(shè)計(jì)流量）。（2）關(guān)閥過(guò)程。設(shè)置閥門在5 s內(nèi)由100%至40%開(kāi)度，線性勻速關(guān)閉；進(jìn)出口邊界條件與穩(wěn)態(tài)工況相同。（3）開(kāi)閥過(guò)程。設(shè)置閥門在5 s 內(nèi)由40%至100%開(kāi)度，線性勻速開(kāi)啟；進(jìn)出口邊界條件也與穩(wěn)態(tài)工況相同。另外，對(duì)于開(kāi)、關(guān)閥兩種瞬態(tài)工況，閥芯的啟閉運(yùn)動(dòng)均通過(guò)設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格模型和用戶自定義函數(shù)（UDF）來(lái)實(shí)現(xiàn)，且根據(jù)最小網(wǎng)格尺寸設(shè)置固定時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，而每個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)的迭代次數(shù)為50次。

圖2 調(diào)流調(diào)壓閥流體域網(wǎng)格劃分（100%開(kāi)度）

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

2.2 數(shù)值方法本次研究使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對(duì)大口徑調(diào)流調(diào)壓閥進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，因涉及節(jié)流孔附近的對(duì)沖射流、分離流和旋流等復(fù)雜流動(dòng)，故采用RNG k-ε湍流模型。該模型可用于捕捉壓力梯度高、流線彎曲程度大及高應(yīng)變、強(qiáng)剪切等復(fù)雜流動(dòng)。此外，張征宇［12］等也通過(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RNG k-ε湍流模型對(duì)調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)分析的適用性。在該湍流模型中，湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程［13］為：

式中：Gk是由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能生成項(xiàng)；為對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；等效湍流黏度μeff和修正經(jīng)驗(yàn)常數(shù)表示為：。

在RNG k-ε湍流模型中，使用修正的等效湍流黏度μeff來(lái)考慮平均流動(dòng)中的旋流，而生成項(xiàng)則由流動(dòng)狀況和時(shí)間平均應(yīng)變率Eij的空間分布共同影響。另外，k-ε湍流模型主要用于模擬充分發(fā)展的湍流運(yùn)動(dòng)，而在閥內(nèi)壁面邊界處湍流脈動(dòng)影響不如分子黏性大，即可能處于層流狀態(tài)，因此使用非平衡壁面函數(shù)來(lái)考慮邊界處的壓力梯度效應(yīng)和分離、再附著等復(fù)雜流動(dòng)。為提高計(jì)算精度，對(duì)壓力、動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率等的離散均使用二階精度格式，而壓力和速度的耦合方案采用PISO算法。

3 流動(dòng)特性仿真結(jié)果分析

3.1 流量系數(shù)、流阻系數(shù)及側(cè)向力流量特性和阻力特性是調(diào)節(jié)閥的主要技術(shù)指標(biāo)［14-15］，對(duì)應(yīng)的量化評(píng)價(jià)參數(shù)為流量系數(shù)和流阻系數(shù)。一般通過(guò)試驗(yàn)或數(shù)值模擬得到閥門某個(gè)開(kāi)度下的穩(wěn)態(tài)流量和壓差，從而求得對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)和流阻系數(shù)［16-18］。而單用穩(wěn)態(tài)的流量系數(shù)和流阻系數(shù)評(píng)價(jià)調(diào)流調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)特性是不全面的，應(yīng)同時(shí)結(jié)合開(kāi)關(guān)閥瞬態(tài)過(guò)程來(lái)綜合考慮。閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)的計(jì)算公式如下：

流量系數(shù)：

式中：Q 為體積流量，m3/h；ρ 為對(duì)應(yīng)工況的水密度，kg/m3；ρ0為15 ℃時(shí)水的密度，kg/m3；Δp 為閥門前后凈壓差，bar。

流阻系數(shù)：

式中：Δp為閥門前后凈壓差，Pa；v 為管道平均流速，m/s。

本次研究中，設(shè)定了固定的進(jìn)口壓力（6 bar）和過(guò)流量（25 500 m3/h），只需提取動(dòng)、靜態(tài)工況中不同開(kāi)度的閥后壓力便可求得對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)和流阻系數(shù)。該活塞套筒式調(diào)流調(diào)壓閥的閥后壓力、動(dòng)靜態(tài)流量和流阻系數(shù)變化曲線如圖4所示。由圖4（a）可知，大開(kāi)度下（＞80%）調(diào)流調(diào)壓閥的靜態(tài)閥后壓力與開(kāi)關(guān)閥過(guò)程的瞬態(tài)值基本相等，且隨開(kāi)度變化壓力曲線相對(duì)平直，即大開(kāi)度的調(diào)壓效果不明顯。隨著開(kāi)度減小，調(diào)流調(diào)壓閥阻力增大，閥后壓力均明顯下降。相對(duì)于穩(wěn)態(tài)工況，閥芯的啟閉動(dòng)作對(duì)閥門過(guò)流產(chǎn)生較大的流動(dòng)阻礙和壓力損失，故開(kāi)閥和關(guān)閥過(guò)程的閥后瞬態(tài)壓力小于穩(wěn)態(tài)工況。當(dāng)開(kāi)、關(guān)閥過(guò)程結(jié)束，隨著時(shí)間推移，閥后壓力將會(huì)逐漸恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值。另外，開(kāi)閥過(guò)程中閥后壓力是逐漸增大的趨勢(shì)而關(guān)閥過(guò)程則逐漸減小，因受上一開(kāi)度的壓力狀況影響明顯，在小開(kāi)度時(shí)（＜50%）開(kāi)閥壓力顯著小于關(guān)閥壓力。

在圖4（b）中可見(jiàn)開(kāi)、關(guān)閥過(guò)程的動(dòng)態(tài)流量系數(shù)曲線基本重合，而兩者均小于靜態(tài)值。說(shuō)明相對(duì)于穩(wěn)態(tài)工況，活塞套筒的開(kāi)、關(guān)運(yùn)動(dòng)均短暫減小了調(diào)流調(diào)壓閥的過(guò)流能力。另外，隨著閥門開(kāi)度增大，動(dòng)態(tài)流量系數(shù)曲線的波動(dòng)逐漸增大，這是由于在較大的過(guò)流量中活塞套筒的運(yùn)動(dòng)對(duì)流動(dòng)的擾動(dòng)更大。根據(jù)靜態(tài)流量系數(shù)曲線，可知該調(diào)流調(diào)壓閥流量特性的整體線性度較好。由于需要固定節(jié)流套筒而在全開(kāi)度附近保留了一段閥芯空行程，所以流量系數(shù)曲線在最大開(kāi)度附近變化平緩，這也與圖4（a）中閥后壓力曲線的大開(kāi)度平直段相對(duì)應(yīng)，變化較小的過(guò)流量使閥的阻力損失變化不大。而線性的流量特性說(shuō)明該大口徑調(diào)流調(diào)壓閥在小開(kāi)度時(shí)流量變化明顯（流量變化量相對(duì)值較大），調(diào)節(jié)靈敏度高；而在大開(kāi)度時(shí)，流量變化緩慢（流量變化量相對(duì)值較小），調(diào)節(jié)靈敏度低，即大開(kāi)度下調(diào)節(jié)能力不足，可能不能滿足某些工況的調(diào)節(jié)要求。在圖4（c）中，動(dòng)態(tài)流阻系數(shù)均大于靜態(tài)值，這與流量系數(shù)相對(duì)應(yīng)，運(yùn)動(dòng)的活塞套筒使瞬態(tài)流動(dòng)阻力大于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)阻力，則瞬態(tài)過(guò)流能力比穩(wěn)態(tài)情況要小。值得注意的是，在小開(kāi)度下，關(guān)閥過(guò)程的動(dòng)態(tài)流阻系數(shù)略大于開(kāi)閥過(guò)程，而設(shè)定的邊界條件為固定的進(jìn)口壓力和體積流量，且圖4（a）中開(kāi)閥的出口壓力要小于關(guān)閥出口壓力，即開(kāi)閥壓力損失Δp要大于關(guān)閥工況，而流阻系數(shù)公式（8）中v 為速度模量，固定的體積流量意味著進(jìn)口流速的軸向分量vx保持一致，但關(guān)閥過(guò)程使其徑向和切向分量（vy和vz）減小，所以總體速度模量v關(guān)比開(kāi)閥過(guò)程v開(kāi)小，這就導(dǎo)致了關(guān)閥流阻系數(shù)計(jì)算結(jié)果大于開(kāi)閥情況?？傮w來(lái)說(shuō)，在同一開(kāi)度，關(guān)閥運(yùn)動(dòng)使過(guò)流面積趨于減小，而開(kāi)閥則使過(guò)流面積趨于增大，所以關(guān)閥流阻系數(shù)略大于開(kāi)閥工況。

圖4 動(dòng)、靜態(tài)工況閥后壓力及特性曲線

圖5 開(kāi)、關(guān)閥過(guò)程活塞套筒瞬態(tài)側(cè)向力對(duì)比

在調(diào)節(jié)閥開(kāi)、關(guān)過(guò)程中，閥芯會(huì)受到不平衡的瞬態(tài)側(cè)向力，影響驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的操作能力或造成閥芯在某個(gè)方向上的卡塞，而瞬態(tài)側(cè)向力與閥內(nèi)流向、壓差、閥芯運(yùn)動(dòng)速度和閥門開(kāi)度等因素有關(guān)［19-21］。在本次研究中，對(duì)活塞套筒表面X、Y、Z方向的壓力差值進(jìn)行積分，求得開(kāi)、關(guān)閥過(guò)程中各方向的瞬態(tài)側(cè)向力，如圖5所示。因?yàn)樗髟谡{(diào)流調(diào)壓閥的軸向（X向）進(jìn)出，而開(kāi)關(guān)閥過(guò)程中活塞套筒也沿軸向運(yùn)動(dòng)（-X方向開(kāi)閥，+X方向關(guān)閥），故軸向側(cè)向力整體上比豎向（Y向）和水平（Z向）側(cè)向力大一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，因開(kāi)、關(guān)閥過(guò)程活塞套筒的運(yùn)動(dòng)方向相反，其各向的側(cè)向力作用方向也相反。就軸向側(cè)向力而言，開(kāi)、關(guān)閥過(guò)程中在80%開(kāi)度附近均出現(xiàn)局部峰值，即需要相應(yīng)地增大驅(qū)動(dòng)力來(lái)保持活塞套筒的運(yùn)動(dòng)。而在開(kāi)閥過(guò)程，60%開(kāi)度附近出現(xiàn)軸向側(cè)向力峰值，說(shuō)明在水流中逆向運(yùn)動(dòng)的活塞套筒在該位置受到最大的水流沖擊擠壓作用。另外，由于閥芯空行程的存在，開(kāi)閥過(guò)程對(duì)應(yīng)的豎向和水平側(cè)向力均在100%開(kāi)度附近出現(xiàn)陡升峰值，而驅(qū)動(dòng)力僅作用于軸向，故調(diào)流調(diào)流閥在將要完全開(kāi)啟時(shí)可能出現(xiàn)卡塞，此時(shí)應(yīng)減小開(kāi)閥速度使流態(tài)緩慢過(guò)渡，以減小閥芯受到的瞬態(tài)不平衡力。

3.2 流場(chǎng)分布首先通過(guò)開(kāi)、關(guān)閥過(guò)程及穩(wěn)態(tài)工況的三維速度場(chǎng)分布來(lái)分析大口徑活塞套筒式調(diào)流調(diào)壓閥的流動(dòng)特性，因篇幅限制，只選取50%開(kāi)度和90%開(kāi)度情況進(jìn)行說(shuō)明，分別如圖6和7所示。

圖6 50%開(kāi)度下動(dòng)、靜態(tài)三維速度場(chǎng)對(duì)比

圖7 90%開(kāi)度下動(dòng)、靜態(tài)三維速度場(chǎng)對(duì)比

由圖6（c）和7（c）可見(jiàn)，該調(diào)流調(diào)壓閥各開(kāi)度下的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀況類似，水流首先平穩(wěn)通過(guò)環(huán)形流道，流道中的平均流速分別約為1.5 m/s（50%開(kāi)度工況）和2.5 m/s（90%開(kāi)度工況），然后在套筒節(jié)流孔處對(duì)沖出流，并在對(duì)沖區(qū)域下游形成局部高速尾流區(qū)。因節(jié)流孔處過(guò)流面積最小，則該處產(chǎn)生最大流速，50%和90%開(kāi)度對(duì)應(yīng)的最大流速分別為13.2 m/s和8.7 m/s。另外，小開(kāi)度下閥門壓差大，尾流核心區(qū)內(nèi)的射流速度更高，本次研究中50%和90%開(kāi)度下對(duì)應(yīng)的射流速度分別為8.5 m/s和5.8 m/s左右。調(diào)整活塞套筒行程，將改變對(duì)節(jié)流孔沖射流速度，從而改變消能效果，達(dá)到調(diào)流調(diào)壓的目的。與穩(wěn)態(tài)工況不同，在閥門開(kāi)、關(guān)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，進(jìn)口段均產(chǎn)生局部高速區(qū)域。由于重力的影響，上側(cè)環(huán)形流道的阻力略小于下側(cè)，故開(kāi)、關(guān)閥過(guò)程進(jìn)口段的局部高速區(qū)域主要分布在上側(cè)。對(duì)比圖6（a）和7（a）、圖6（b）和7（b），當(dāng)開(kāi)度增大時(shí)，無(wú)論開(kāi)閥還是關(guān)閥過(guò)程，因過(guò)流能力增大而導(dǎo)致局部高速入流區(qū)域向整個(gè)進(jìn)口段進(jìn)行擴(kuò)張。另外，開(kāi)、關(guān)閥過(guò)程由于活塞套筒的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生推動(dòng)作用，節(jié)流孔處的射流速度均大于穩(wěn)態(tài)工況。而三者出口下游流態(tài)相同，高速尾流均集中在管軸中心區(qū)域，未與管壁區(qū)域的低速流動(dòng)充分混合。

調(diào)流調(diào)壓閥實(shí)際上在固定開(kāi)度下工作，且根據(jù)不同工況要求來(lái)調(diào)整開(kāi)度。下文將通過(guò)不同開(kāi)度的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分布來(lái)了解該大口徑活塞套筒式調(diào)流調(diào)壓閥的工作原理和流動(dòng)特性。不同開(kāi)度的流速及壓力分布如圖8和9所示，各開(kāi)度下，水流通過(guò)節(jié)流孔前的速度和壓力均勻分布，大小與進(jìn)口參數(shù)基本相同，說(shuō)明環(huán)形流道具有平穩(wěn)導(dǎo)流作用，但不參與增速降壓過(guò)程。小開(kāi)度時(shí)，套筒出口處節(jié)流程度強(qiáng)烈，形成噴射對(duì)沖，速度增大，壓力急劇下降，消能降壓效果明顯；大開(kāi)度時(shí)，節(jié)流孔通流面積增大，射流速度下降，對(duì)沖消能減弱，出口壓力增大并逐漸恢復(fù)至接近入口壓力。

圖8 不同開(kāi)度的速度分布對(duì)比

圖9 不同開(kāi)度的壓力分布對(duì)比

圖10 不同開(kāi)度的出口壓力等值面分布對(duì)比

另外，由于慣性作用，水流經(jīng)過(guò)環(huán)形流道向節(jié)流孔噴射出流時(shí)將在套筒中心偏下游位置處匯合，如圖8（a）中箭頭所示，該高速對(duì)沖區(qū)域與周圍低流速區(qū)域發(fā)生混合，產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切效應(yīng)，使低速區(qū)域形成渦流，如圖8（b）中箭頭所示。又因?qū)_區(qū)的匯合轉(zhuǎn)向流態(tài)阻礙了其上游區(qū)域的流動(dòng)，所以在上游區(qū)域形成流速極低的“低速空穴區(qū)”，如圖8中圓圈標(biāo)記所示，且“低速空穴區(qū)”隨著閥門開(kāi)度增大而擴(kuò)展。而對(duì)沖區(qū)內(nèi)部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，形成局部高壓區(qū)，如圖9中標(biāo)記所示，隨著開(kāi)度增大，高壓區(qū)壓力值與周邊壓力逐漸接近，最后閥后整體壓力趨于進(jìn)口壓力值。取閥門不同開(kāi)度下的出口壓力作等值面圖，如圖10所示，隨著開(kāi)度增大，套筒下游的等壓力區(qū)域聚集明顯，說(shuō)明沿軸向的壓力過(guò)渡自然，壓力梯度變化較??；而小開(kāi)度時(shí)等壓力區(qū)分布零散，表明存在局部高、低壓區(qū)域阻礙壓力的均勻過(guò)渡，即壓力梯度變化較大。

圖11 穩(wěn)態(tài)工況不同開(kāi)度的湍動(dòng)能分布對(duì)比

圖12 穩(wěn)態(tài)工況不同開(kāi)度的湍流耗散率分布對(duì)比

不同開(kāi)度對(duì)應(yīng)的湍動(dòng)能和湍流耗散率如圖11和12所示。小開(kāi)度下，對(duì)沖出流湍動(dòng)劇烈，大部分湍流動(dòng)能未被耗散而帶往下游，隨著開(kāi)度增加過(guò)流量增大，湍流能量減弱。而進(jìn)口段及環(huán)形流道因過(guò)流平穩(wěn)，并未產(chǎn)生明顯的湍流流動(dòng)。另外，湍流耗散基本只產(chǎn)生在套筒節(jié)流孔處，并隨開(kāi)度增大而耗散作用減弱，側(cè)面印證了大開(kāi)度下流阻減小、消能降壓效果變差的結(jié)論。

4 結(jié)論

本文通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent，對(duì)2400LT-41X-10Q型大口徑活塞套筒式調(diào)流調(diào)壓閥在設(shè)計(jì)工況（進(jìn)口壓力6 bar，過(guò)流量25 500 m3/h）下的流動(dòng)特性進(jìn)行全面分析，分別考慮了不同開(kāi)度的穩(wěn)態(tài)工況和閥門啟、閉過(guò)程的瞬態(tài)工況，求得其動(dòng)、靜態(tài)流量系數(shù)、流阻系數(shù)、閥芯瞬態(tài)側(cè)向力以及各開(kāi)度下的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分布等。具體結(jié)論如下：

（1）開(kāi)、關(guān)閥過(guò)程的動(dòng)態(tài)流量系數(shù)小于靜態(tài)值，且隨開(kāi)度增大，動(dòng)態(tài)流量系數(shù)曲線波動(dòng)增大。該調(diào)流調(diào)壓閥流量特性線性度較好，小開(kāi)度時(shí)調(diào)節(jié)靈敏度高而大開(kāi)度時(shí)靈敏度減小。

（2）開(kāi)、關(guān)閥過(guò)程的動(dòng)態(tài)流阻系數(shù)大于靜態(tài)值，三者隨開(kāi)度增大而減小。關(guān)閥過(guò)程時(shí)過(guò)流面積趨于減小，開(kāi)閥則使過(guò)流面積趨于增大，故關(guān)閥流阻系數(shù)略大于開(kāi)閥工況。

（3）開(kāi)、關(guān)閥過(guò)程中，活塞套筒在軸向、豎向和水平方向均受到作用方向相反的瞬態(tài)側(cè)向力，軸向側(cè)向力比另外兩個(gè)方向力大一個(gè)數(shù)量級(jí)，其在60%和80%開(kāi)度附近產(chǎn)生波動(dòng)峰值，可能影響閥門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的操作能力。開(kāi)閥工況中，受全開(kāi)度附近的閥芯空行程影響，豎直和水平瞬態(tài)側(cè)向力在調(diào)流調(diào)壓閥將要完全開(kāi)啟時(shí)出現(xiàn)陡升峰值，需注意閥芯的卡塞問(wèn)題。

（4）就速度場(chǎng)分布而言，各開(kāi)度下的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)類似，較高流速主要集中在套筒節(jié)流孔出口的對(duì)沖區(qū)及閥后尾流區(qū)，而開(kāi)、關(guān)閥過(guò)程則增加了進(jìn)口段的局部高速區(qū)域。另外，在對(duì)沖匯流區(qū)上游側(cè)形成“低速空穴區(qū)”，隨閥門開(kāi)度增大而擴(kuò)展。在50%和90%開(kāi)度下，閥體環(huán)形流道的平均流速分別為1.5 m/s和2.5 m/s，套筒節(jié)流孔最大射流速度分別為13.2 m/s和8.7 m/s，而尾流核心區(qū)的射流速度分別為8.5 m/s和5.8 m/s左右。

（5）調(diào)流調(diào)壓閥通過(guò)改變套筒節(jié)流孔的過(guò)流面積來(lái)實(shí)現(xiàn)流量和壓力的調(diào)節(jié)，文中通過(guò)流速、壓力、出口壓力等值面、湍動(dòng)能和湍流耗散率等變量的分布，綜合分析了該閥門在不同開(kāi)度下的流動(dòng)特性。

總體而言，2400LT-41X-10Q型大口徑活塞套筒式調(diào)流調(diào)壓閥具有較好的流量線性特性和較大的壓力調(diào)節(jié)范圍。對(duì)實(shí)際工程需要的其他流量和流阻特性線型，后續(xù)可從節(jié)流孔形狀、數(shù)量和分布規(guī)律等方向進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。