田間電磁閥水力特性數(shù)值模擬研究

劉敏杰,白云崗, 張江輝, 崔春亮, 盧震林

(新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

作為農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉實現(xiàn)自動化控制的關(guān)鍵設(shè)備之一，電磁閥在田間灌溉自動化控制中得到了大量應(yīng)用[1-3]。田間電磁閥的性能和質(zhì)量直接影響到灌溉系統(tǒng)的運行狀況與使用壽命。崔春亮等[4]測試了田間電磁閥流量與水頭損失，并進(jìn)行了初步水力性能試驗分析。盛祥民等[5]研究了電磁閥隔膜深度偏差對電磁閥的水力性能的影響。田間電磁閥通過隔膜在圓球形腔內(nèi)垂直于管道上下移動，實現(xiàn)閥的開啟和閉合，屬于隔膜閥的一種。張逸芳等[6]對隔膜閥流量系數(shù) CFD 仿真計算，研究分析表明，CFD 方法能簡單便捷地獲得隔膜閥流量系數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)，而且能可視化地展示流場中的細(xì)節(jié)特征，從而更好地指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計，提高閥門流量系數(shù)。李忠等[7]研究了提升高度對膜片式電磁閥性能的影響，并運用計算流體力學(xué)軟件對其內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。作為微灌系統(tǒng)中自動化控制的關(guān)鍵設(shè)備，田間電磁閥還處于應(yīng)用開發(fā)階段[8-11]，目前尚未見著關(guān)于田間電磁閥不同工況下的過流特性和水流流態(tài)演變規(guī)律的報道。因此，研究該結(jié)構(gòu)型式下閥腔水流流態(tài)演變規(guī)律，為田間電磁閥的優(yōu)化設(shè)計和運行維護(hù)提供依據(jù)，對提升灌溉管網(wǎng)安全性和經(jīng)濟性具有重要意義。

1 研究方法

1.1 數(shù)值模擬計算

(1)數(shù)值計算方法。田間電磁閥內(nèi)水流存在漩渦流動，流線彎曲程度較大，考慮平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動情況，選擇RNGk-ε紊流模型[12-13]，采用基于壓力的分離式求解器，隱式算法，壁面采用無滑移光滑壁面，近壁區(qū)使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，進(jìn)口采用速度進(jìn)口的邊界條件，出口為自由出流，計算模型的水流出口處壓力設(shè)定為1個大氣壓。

(2)控制方程。通過閥體的水流流動為非定常流動，由于水的壓縮性很小，所以閥腔的水流屬于不可壓縮黏性流體，流動應(yīng)滿足連續(xù)性方程、動量方程、RNGk-ε流程模型k和ε的輸運方程。

(3)網(wǎng)格生成。本文研究的田間電磁閥閥體結(jié)構(gòu)大體呈“幾”字型，包括：圓管連接段—控制段—圓管連接段，控制段是閥門的核心?？刂贫斡砂雸A球形腔和平順過渡段組成，閥體幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)閥體結(jié)構(gòu)尺寸在Solidworks建立幾何模型，模型的上、下游計算尺寸分別取管徑40倍和50倍，利用GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了提高計算精度，在閥體坐標(biāo)中心上、下游2 d(d表示內(nèi)徑)范圍內(nèi)加密，加密部位采用以四面體網(wǎng)格形式為主，在適當(dāng)位置包含六面體、錐形和楔形網(wǎng)格，其余部位采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。電磁閥網(wǎng)格劃分及局部加密如圖2所示。最終DN110閥體網(wǎng)格劃分生成的網(wǎng)格數(shù)為587651，DN125閥體網(wǎng)格劃分生成的網(wǎng)格數(shù)為679642。

圖1 幾何模型

圖2 閥體網(wǎng)格劃分及局部加密

1.2 試驗驗證方案

試驗布置方案如圖3所示，試驗過程中利用離心泵向管路中供水，管路中水流流量利用控制臺設(shè)定，流量控制臺通過變頻器改變水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)管路中的水流流量。試驗中壓力測量采用精度為0.3級的SIN-P300擴散硅壓力變送器測定，壓力變送器配有顯示器，可以直接讀數(shù)。測試位置分別布設(shè)在測試閥體上、下游10倍和20倍處孔口處。通過流量控制臺依次設(shè)定不同流量，測量不同流速下各測點的壓力值。試驗操作重復(fù)三次，計算時數(shù)據(jù)取均值。

圖3 閥體試驗測試簡圖

驗證時，Hf1-2為斷面1-1到斷面2-2間的沿程水頭損失，Hf3-4表示斷面3-3到斷面4-4間的沿程水頭損失，H(f+ζ)2-3表示斷面2-2到斷面3-3間的沿程水頭損失和電磁閥閥體局部水頭損失之和，Hζ表示電磁閥閥體局部阻力。則：

閥腔的局部阻力系數(shù)按式(1)、式(2)計算

Hζ=H(f+ζ)2-3-Hf1-2-Hf3-4

(1)

(2)

式中:v為水流流速，m/s。

雷諾數(shù)Re通過式(3)計算：

(3)

式中：d為管道內(nèi)徑;v為水的流速；ν為水的運動黏滯性系數(shù)，計算時ν取1.003×10-6m2/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果驗證及分析

與試驗相比，數(shù)值模擬方法省時省工、操作方便，可以準(zhǔn)確地控制進(jìn)口雷諾數(shù)的大小[14]，采用RNGk-ε湍紊流模型分別對DN110和DN125兩種電磁閥在不同雷諾數(shù)條件下的局部阻力系數(shù)進(jìn)行數(shù)值計算，數(shù)值模擬與試驗測試結(jié)果如圖4所示。圖中曲線表明，數(shù)值模擬與試驗結(jié)果具有較高的一致性，其中DN110電磁閥最大相對誤差為10.2%，最小相對誤差為2.7%；DN125 電磁閥最大相對誤差為15.9%，最小相對誤差為1.2%。圖中模擬值和試驗值均隨著雷諾數(shù)增大，局部阻力系數(shù)均呈先減小最后保持基本不變的規(guī)律。在雷諾數(shù)Re≥105～2×105時，幾乎總是認(rèn)為所有的局部阻力系數(shù)都與Re無關(guān)，DN110電磁閥在Re≥2.2×105，局部阻力系數(shù)的值變化很小，變化幅度介于2.1%～5.6%；DN125電磁閥在Re≥2.0×105，局部阻力系數(shù)的值變化很小，變化范圍介于2.4%～6.3%。經(jīng)計算當(dāng)水流完全進(jìn)入阻力平方區(qū)， DN110電磁閥和DN125電磁閥局部阻力系數(shù)分別為7.38和7.62。

圖4 兩種規(guī)格田間電磁閥數(shù)值模擬與試驗結(jié)果

2.2 不同工況壓力變化分析

閥腔數(shù)值計算時，沿管道方向為Z軸，以水平向右為正；垂直管道水平方向為X軸，以水平向外為正；以垂直管道豎直方向為Y軸，向上為正。

兩種規(guī)格的田間電磁閥不同流速下Y-Z中心截面靜壓分布如圖5，田間電磁閥上游段壓力為正，進(jìn)口段壓力逐漸降低，閥腔下部和下游段存在負(fù)壓區(qū)，閥腔出口段，靜壓下降梯度非常明顯，閥腔進(jìn)口下轉(zhuǎn)折點和出口的上轉(zhuǎn)折點是壓力變化的兩個集中點。整個閥腔上表面沿流動方向靜壓呈逐漸增大的趨勢。不同管徑的田間電磁閥，隨著水流流速的增大，上游段壓力增大，閥腔上表面壓力增大，下游段負(fù)壓值增大。

圖5 不同工況下兩種規(guī)格電磁閥Y-Z截面靜壓分布

2.3 不同工況流態(tài)變化分析

2.3.1 流線變化規(guī)律分析

DN110和DN125兩種規(guī)格的電磁閥，在流速為1.19 m/s、2.21 m/s和3.23 m/s時，閥內(nèi)Y-Z中心截面流線圖如圖6所示。圖中表明，閥體上游段流線分布較均勻，閥體進(jìn)口處流線開始收縮，閥體上端有漩渦生成。閥體出口端兩側(cè)均有回流，中間部位流線急劇收縮，閥體下游段下側(cè)流體回旋撞擊管壁產(chǎn)生回流，上側(cè)流體因閥體出口流體的射流作用，發(fā)生急劇的漩渦和回流。不同管徑的水流，隨著流速增大，下游段流體形成的漩渦逐漸發(fā)展，漩渦直徑逐漸變大。

圖6 不同工況下兩種規(guī)格電磁閥Y-Z截面流線分布

在流速為2.21 m/s時，閥內(nèi)X-Y中心截面流線及流速分布如圖7所示。圖中顯示流線呈方向相反對稱出現(xiàn)，說明閥腔內(nèi)部水流運動劇烈，較大的紊動強度能導(dǎo)致很大的能量損失，且容易引起電磁閥的劇烈振蕩。

圖7 不同工況下兩種規(guī)格電磁閥X-Y截面流線分布

2.3.2 流速變化規(guī)律分析

兩種規(guī)格的電磁閥Y-Z截面速度分布如圖8，兩種規(guī)格的電磁閥速度分布特點呈如下規(guī)律:閥體上游段流體速度變化較小，閥體內(nèi)部和下游段速度變化激烈。水流流速在閥體進(jìn)口逐漸增大，在進(jìn)口段下側(cè)流體流速最大，進(jìn)口端上側(cè)流體流速最小，沿流體流動方向，閥腔上表面流速逐漸增大，下側(cè)流體流速呈遞減規(guī)律。閥體出口端上側(cè)流速最大，下側(cè)流速最小。隨著進(jìn)口流速增大，閥體內(nèi)各點流速均增大。

3 結(jié) 論

本文對DN110和DN125兩種規(guī)格的田間電磁閥進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，分析了不同流速下田間電磁閥流動特征。結(jié)果表明：

(1)沿流動方向，閥體上表面壓力逐漸增加，閥體下側(cè)有負(fù)壓，出口端壓力降低變化梯度較大，閥體下游段基本呈負(fù)壓狀態(tài)，隨著流速增大，上游段壓力增大，閥腔上表面壓力增大，下游段負(fù)壓值增大。

(2)閥體內(nèi)部進(jìn)口上側(cè)和下游段均有漩渦，閥體出口上下側(cè)有回流，回流使閥體出口流道面積減小，產(chǎn)生射流，隨著流速增大，射流激烈，漩渦直徑增大，管道內(nèi)流體紊動加劇。

(3)田間電磁閥具有結(jié)構(gòu)對稱，形式簡單，且便于加工成型的優(yōu)點，但閥體內(nèi)部進(jìn)口上側(cè)和下游段均有漩渦，整個下游段水流紊動強烈，整個閥體對水流能量消耗較大，DN110和DN125田間電磁閥局部阻力系數(shù)分別為7.38和7.62。管網(wǎng)中常用球閥、閘閥以及蝶閥完全開啟狀態(tài)下局部阻力系數(shù)為零或很小，所以田間電磁閥在灌溉管網(wǎng)推廣應(yīng)用，建議從閥體流道結(jié)構(gòu)開展進(jìn)一步降阻優(yōu)化研究。