基于UG-CFD聯(lián)合仿真計(jì)算下的抽水泵站進(jìn)水閥內(nèi)流場(chǎng)特征分析研究

馮淑琳，魏玉翠，袁曉淵

(鎮(zhèn)江市工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

在建設(shè)地面引水工程以及提水工程等水利工程時(shí)，常需要應(yīng)用抽水泵站這類水利設(shè)施，保證水泵安全運(yùn)營(yíng)是提升水資源供應(yīng)的重要方面[1-3]。泵站安全使用與其進(jìn)水閥結(jié)構(gòu)構(gòu)造有關(guān)，閥門使用壽命以及運(yùn)營(yíng)狀態(tài)實(shí)質(zhì)上就是水泵的運(yùn)營(yíng)壽命，因而，開展泵站進(jìn)水閥門的運(yùn)營(yíng)研究很有必要[4-6]。已有一些學(xué)者基于在泵站等水利工程現(xiàn)場(chǎng)安裝監(jiān)測(cè)傳感器，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析進(jìn)水閥內(nèi)流場(chǎng)以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為評(píng)價(jià)泵站安全運(yùn)營(yíng)提供參考[7-8]。這種監(jiān)測(cè)方法雖準(zhǔn)確度較高，但持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，因而有些水利工程師考慮引入數(shù)值仿真手段，基于CFD計(jì)算理論[9-11]，以有限元軟件計(jì)算各種復(fù)雜工況下進(jìn)水閥等水利設(shè)施內(nèi)流場(chǎng)分布特征，可為泵站等水利設(shè)施安全運(yùn)營(yíng)提供最佳設(shè)計(jì)方案，提升水利設(shè)施使用壽命。

1 工程概述

某抽水泵站為地區(qū)內(nèi)地表重要引水工程，承擔(dān)著區(qū)域內(nèi)水資源調(diào)度供應(yīng)，在地區(qū)水資源供應(yīng)中占比超過30.0%，主要面向農(nóng)業(yè)用水與工業(yè)用水，設(shè)計(jì)流量為22 m3/s，建設(shè)有輸水干渠至農(nóng)田灌區(qū)，保證農(nóng)業(yè)灌溉效率，在枯水季可保證灌區(qū)缺水率不超過2.5%。該泵站進(jìn)水口采用主進(jìn)水閥結(jié)構(gòu)，以液壓程序控制啟閉，閥門直徑為2.1 m，最大液壓可達(dá)6.3 MPa，啟動(dòng)閥門持續(xù)時(shí)間約為40 s，關(guān)閉閥門持續(xù)時(shí)間需100 s，由于泵站管理部門需要精確控制進(jìn)水閥開度，確保農(nóng)業(yè)與工業(yè)用水項(xiàng)目所需水資源高效利用，另閥門關(guān)閉時(shí)涉及到負(fù)載下多閥門共同關(guān)閉亦或是單個(gè)閥門甩荷關(guān)閉，不同關(guān)閉方式一定程度上會(huì)對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)變化產(chǎn)生影響。從進(jìn)水閥構(gòu)造來看，包括有上、下游延伸法蘭段與中間閥芯，其中中間閥芯為閥門重要控制設(shè)施，連接液壓主程序，為閥門的樞紐設(shè)備，各個(gè)部件之間連接界面均布置有密封圈構(gòu)件，保證進(jìn)水閥系統(tǒng)內(nèi)處于密閉狀態(tài)。在上述分析基礎(chǔ)上以進(jìn)水閥原設(shè)計(jì)圖紙為參照，借助三維模型軟件UG建立進(jìn)水閥物理模型，如圖1(a)所示，另給出進(jìn)水閥中心閥腔物理模型，如圖1(b)所示。

圖1 UG物理模型圖

根據(jù)該抽水泵站具體工程地質(zhì)調(diào)查分析得知，進(jìn)水閥所在泵站廠房面向進(jìn)水前池，水流方向與進(jìn)水閥內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)一致，泵站地基采用換土墊層后土層為持力層，保證泵站進(jìn)水閥開啟過程中產(chǎn)生振動(dòng)特性不會(huì)引起結(jié)構(gòu)沉降變形，原土體材料為淤泥質(zhì)黏土體，厚度約為3.5 m，處于上覆人工填土層的下方，換土材料為粉質(zhì)壤土，承載力較大，含水量較低，可滿足泵站進(jìn)水閥開啟振動(dòng)過程中位移變形。表面填土層較薄，最厚處僅為1.5 m，主要為人工活動(dòng)搬運(yùn)堆積土層，密實(shí)性較差，土體顆粒較為松散，最大顆粒粒徑為 3.6 mm，較大顆粒工程施工前已經(jīng)進(jìn)行填埋，保證大顆粒土體不會(huì)引起進(jìn)水閥內(nèi)流場(chǎng)擾動(dòng)。泵站下臥基巖層為弱風(fēng)化灰?guī)r，巖體完整性較好，現(xiàn)場(chǎng)取樣顯示表面無顯著大孔隙，強(qiáng)度較高，能承受泵站運(yùn)營(yíng)過程中自振影響，不會(huì)引起渦旋共振現(xiàn)象。在上述工程資料分析基礎(chǔ)上，本文將開展進(jìn)水閥流場(chǎng)特性計(jì)算分析。

2 仿真計(jì)算進(jìn)水閥流場(chǎng)特征

2.1 數(shù)值模型與研究工況

由于泵站主進(jìn)水閥涉及結(jié)構(gòu)構(gòu)件較多，本文在圖1物理模型基礎(chǔ)上，將部分對(duì)流場(chǎng)影響較弱的活門以及密封構(gòu)件簡(jiǎn)化，獲得進(jìn)水閥簡(jiǎn)化后計(jì)算模型如圖2所示。對(duì)工程地質(zhì)資料分析得知，巖土層等基礎(chǔ)材料對(duì)泵站以及進(jìn)水閥工作運(yùn)營(yíng)并無顯著影響，因而CFD仿真數(shù)值模型中不考慮閥門壁厚等，僅針對(duì)流體運(yùn)動(dòng)區(qū)域開展流場(chǎng)特征計(jì)算。

圖2 簡(jiǎn)化后計(jì)算模型

利用CFD網(wǎng)格劃分軟件ICEM獲得模型單元網(wǎng)格數(shù)共1 254 883個(gè)，其中上 、下游延伸段劃分單元網(wǎng)格數(shù)占比超過55%，整體劃分網(wǎng)格單元數(shù)值模型以及閥芯模型圖如圖3所示。限于模型計(jì)算收斂步長(zhǎng)，本文關(guān)閥時(shí)間設(shè)定為64 s，上游延伸段邊界流速與來水流量有關(guān)，另泵站轉(zhuǎn)速設(shè)定為0.025 rad/s。進(jìn)水閥流場(chǎng)與開度相關(guān)的研究工況選取開度分別為30°～90°，每個(gè)研究工況之間間隔10°，其他過水參數(shù)均為一致。

圖3 數(shù)值模型圖

2.2 開度影響流場(chǎng)特性

針對(duì)閥門不同開度對(duì)進(jìn)水閥內(nèi)流場(chǎng)特性影響，本文給出各開度工況下閥內(nèi)流場(chǎng)分布特性，并以各開度下進(jìn)水閥內(nèi)中心斷面處作為流場(chǎng)特征分析面，如圖4所示。從圖中可看出，在開度90°時(shí)，流線分布在閥內(nèi)均為水平狀態(tài)，即無顯著流速梯段變化，表明內(nèi)部流場(chǎng)分布處于較穩(wěn)定狀態(tài)；從流速值來看，閥內(nèi)上游段流速均為14.5 m/s，閥腔內(nèi)流速稍增大為17.4 m/s，在閥腔與下游段交界面處出現(xiàn)較大流速，最大流速約為23.2 m/s，分布在閥腔與上游延伸段交界面；整體來看閥門大開度值時(shí)進(jìn)水閥內(nèi)無顯著渦旋流等現(xiàn)象，流場(chǎng)穩(wěn)定。從壓力場(chǎng)分布來看，進(jìn)水閥內(nèi)壓力基本維持在7.15 MPa左右，僅在上、下游延伸段與閥腔過渡段處出現(xiàn)一定壓差變化，幅度最大變化僅為1.3%，整體壓力場(chǎng)分布印證了開度90°時(shí)進(jìn)水閥內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定。開度70°時(shí)流線分布云圖表明，進(jìn)水閥內(nèi)出現(xiàn)一定流速變化，在閥腔上部流速值較小，而下部流速值較大，超過19.9 m/s，下部大流速水流易壓縮低流速水流運(yùn)動(dòng)空間，造成閥腔上部水流滯留，一定程度會(huì)造成水流能量損失，另此種現(xiàn)象在下游延伸段下部區(qū)域亦出現(xiàn)，分析表明相比開度90°時(shí)，開度70°的高流速顯著增多，水流運(yùn)動(dòng)能量損耗增大。壓力場(chǎng)分布呈現(xiàn)沿上游至下游逐漸降低，其中上游最大壓力為7.50 MPa，位于上游與閥腔芯內(nèi)交界面，下游延伸段壓力相比降低了5.6%，即存在一定壓差分布，易助長(zhǎng)水流對(duì)下游延伸段法蘭的沖擊作用。

圖4 各開度下流場(chǎng)分布特征(左、右圖分別為流線、壓力分布)

相比前兩個(gè)開度工況，開度50°時(shí)流線分布較為紊亂，并出現(xiàn)渦流回旋現(xiàn)象，存在于閥芯中間區(qū)域，閥腔芯內(nèi)上部區(qū)域不僅存在水流滯留現(xiàn)象，流線回旋亦較為顯著，小流速值為8.0 m/s左右，而大流速超過19.9 m/s，相差幅度達(dá)148.8%，水流能耗較開度70°下有所增大。壓力場(chǎng)分布呈現(xiàn)多個(gè)壓力變化區(qū)域，且特別在閥芯內(nèi)分布較廣泛，最大壓力值出現(xiàn)在上游延伸段與閥腔交界面，達(dá)8.34 MPa，該區(qū)域內(nèi)水流無法過閥芯而進(jìn)入下游延伸段，在該區(qū)域內(nèi)造成類似于“壓力集中”現(xiàn)象。開度30°時(shí)上游延伸段流速顯著減低，相比前三個(gè)開度工況分別降低了13.1%、51.4%、60.4%，僅為12.6 m/s，低流速聚集在上游延伸段的上部區(qū)域，無法直接進(jìn)入下游延伸段內(nèi)，另在下游與閥芯腔內(nèi)交界面處存在較大流速，達(dá)70 m/s，即閥門小開度下流速梯度較大，流速穩(wěn)定性較差，下游流速相比上游較大，導(dǎo)致下游延伸法蘭段受水流磨損影響作用較大，閥門造成進(jìn)水閥內(nèi)水流能耗損耗較大。從壓力場(chǎng)可知，沿著上游至下游，壓力遞減，閥芯腔內(nèi)、下游延伸段相比上游段壓力分別降低了16.2%、25.6%，壓力分布處于較為紊亂狀態(tài)。

對(duì)比7個(gè)開度工況下進(jìn)水閥內(nèi)最大流速與最大壓力特征可知(圖5)，流速、壓力與開度為反相關(guān)變化，開度愈大，則進(jìn)水閥內(nèi)流速與壓力愈大，開度30°時(shí)最大壓力為9.80 MPa，而開度80°、90°下相比前者分別降低了24.9%、26.1%。分析表明，泵站工作運(yùn)行過程中應(yīng)減少進(jìn)水閥低開度運(yùn)行時(shí)間，減弱由于閥門開度對(duì)進(jìn)水閥延伸段磨損以及水流能耗。

圖5 開度與最大流速、壓力變化曲線

2.3 關(guān)閥方式影響流場(chǎng)特性

2.3.1 直線關(guān)閥

根據(jù)泵站所處工作運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)遇緊急情況時(shí)進(jìn)水閥主要采用直線關(guān)閥方式，實(shí)測(cè)表明閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)角度為84°時(shí)，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)約為60 s，此時(shí)進(jìn)水閥處于隔離上、下游延伸段狀態(tài)，以CFD開展計(jì)算，獲得直線關(guān)閥過程中流場(chǎng)變化特征，如圖6所示。

圖6 直線關(guān)閥下流場(chǎng)分布特征(左、右圖分別為流線、壓力分布)

本文以直線關(guān)閥持續(xù)過程中第5 s、35 s、55 s時(shí)刻的流場(chǎng)特性為例分析，直線關(guān)閥初期，即第5 s 時(shí)流線形態(tài)較好，流速在上、下游延伸段較穩(wěn)定，均為4.5 m/s，低流速水流滯留區(qū)域集中在閥芯腔內(nèi)上部區(qū)域。下游延伸段壓力高于上游段，此現(xiàn)象表明水流在下游延伸段的沖擊磨損作用大大降低。關(guān)閥開始后35 s時(shí)，流線形態(tài)變差，出現(xiàn)局部回流現(xiàn)象，大流速聚集在上游延伸段下部與閥芯腔內(nèi)上部區(qū)域，約為9.4 m/s左右，在閥芯腔內(nèi)下部區(qū)域聚集有水流渦旋，渦流中心區(qū)域流速較低，僅為1.9 m/s；壓差顯示下游段高于上游，壓差最大幅度為6.1%，閥芯腔內(nèi)壓力分布處于紊亂狀態(tài)，曲線變化較大，最大壓力達(dá)7.32 MPa。在接近直線關(guān)閥完成階段時(shí)，閥芯腔內(nèi)具有內(nèi)卷渦流分布，中心渦流流速值較低，外圍分布較大流速，最大流速達(dá)28.0 m/s，由于逼近閥門直線關(guān)閉時(shí)間，上游延伸段內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)只能借助閥芯外界面腔內(nèi)進(jìn)入下游延伸段，故而在外圍腔內(nèi)具有高流速聚集效應(yīng)。壓力段呈現(xiàn)，上游段高于下游延伸段，分析表明上、下游延伸段內(nèi)壓力分布呈下游高于上游段，逐漸在臨近完成關(guān)閥時(shí)，轉(zhuǎn)變成上游延伸段壓力高于下游段。

2.3.2 協(xié)同關(guān)閥

進(jìn)水閥門關(guān)閉方式亦可利用與泵站其他導(dǎo)葉閥門關(guān)聯(lián)性，協(xié)同關(guān)閉閥門，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)亦為34 s，本文以其中代表性時(shí)間節(jié)點(diǎn)開展分析，獲得圖7所示結(jié)果。從圖中可知，協(xié)同關(guān)閥初期流線分布形態(tài)較好，下游流速較大，約為10.5 m/s，壓力場(chǎng)亦是以下游延伸段為最大，閥腔內(nèi)高壓力分布集中在閥芯與外腔接觸界面，兩區(qū)域之間壓差梯度顯著。當(dāng)處于協(xié)同關(guān)閥后期時(shí)，此時(shí)上游流速較低，在閥芯內(nèi)流速回旋降低產(chǎn)生渦旋，下游流線具有回流特征，此時(shí)導(dǎo)葉閥基本接近關(guān)閉，水流在進(jìn)水閥內(nèi)逐漸降低運(yùn)動(dòng)速度，從壓力場(chǎng)分布亦可看出，上下游段壓差逐漸降低，壓力接近一致，均為6.37 MPa左右，閥腔內(nèi)壓力分布穩(wěn)定。分析表明，協(xié)同關(guān)閉下流速與壓力場(chǎng)相比直線關(guān)閥方式均有所降低，協(xié)同關(guān)閥最大流速為11.8 m/s，相比前者關(guān)閥工況降低了83.2%，另協(xié)同關(guān)閥方式可降低閥腔內(nèi)壓力分布，最大壓力僅為7.63 MPa，相比直線關(guān)閥方式處于較安全狀態(tài)，即兩種關(guān)閥方式以協(xié)同關(guān)閥對(duì)泵站進(jìn)水閥使用壽命保證具有更大作用。

圖7 協(xié)同關(guān)閥下流場(chǎng)分布特征(從上至下分別為流線、壓力、閥腔內(nèi)壓力分布特征)

3 結(jié) 論

針對(duì)某抽水泵站進(jìn)水閥內(nèi)流場(chǎng)特性，基于流場(chǎng)計(jì)算理論與湍流模型，利用UG-CFD開展聯(lián)合仿真建模計(jì)算，獲得了閥門開度與關(guān)閥方式對(duì)進(jìn)水閥內(nèi)流場(chǎng)影響特性，主要有以下三點(diǎn)結(jié)論：

(1)研究了各開度下進(jìn)水閥內(nèi)流場(chǎng)分布特征，流速、壓力與開度為反相關(guān)變化，開度30°時(shí)最大壓力為9.8 MPa，而開度80°、90°下相比前者分別降低了24.9%、26.1%；低開度下閥內(nèi)流場(chǎng)分布較為紊亂，水流在閥芯內(nèi)滯留區(qū)域顯著增多，下游段受水流沖擊磨損影響較大，開度30°時(shí)下游段最大流速達(dá)70 m/s，應(yīng)減少進(jìn)水閥低開度運(yùn)行時(shí)間。

(2)探討了直線關(guān)閥方式對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)特性影響，直線關(guān)閥時(shí)上下游段總存在壓差，關(guān)閥過程中閥芯下部聚集有回旋渦流，最大壓力達(dá)7.32 MPa，關(guān)閥初期下游壓力高于上游段，在臨近完成關(guān)閥時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樯嫌味螇毫Ω哂谙掠味?，該關(guān)閥方式對(duì)上、下游段沖擊磨損顯著。

(3)獲得了協(xié)同關(guān)閥方式下持續(xù)過程中流場(chǎng)特征，初期流線分布形態(tài)較好，流速較低，無顯著渦旋，關(guān)閥后期壓差減小，回旋渦流位于閥芯內(nèi)卷；最大流速相比直接關(guān)閥方式下降低了83.2%，該種關(guān)閥方式下閥腔內(nèi)壓力分布減弱，最大僅為7.63 MPa，協(xié)同關(guān)閥方式有助于延長(zhǎng)泵站進(jìn)水閥使用壽命。