田間電磁閥閥腔水流阻力特性和流動規(guī)律分析

曹 彪，白云崗，張江輝，崔春亮，盧震林

(新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049)

0 引 言

灌溉技術(shù)對作物的生產(chǎn)和水分利用效率起著顯著作用，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中自動化控制已成為灌溉技術(shù)研究的重要內(nèi)容。我國農(nóng)業(yè)高效節(jié)水向農(nóng)業(yè)高效用水轉(zhuǎn)變，對灌溉技術(shù)也提出了新的要求，近年來我國在節(jié)水灌溉技術(shù)推廣和應(yīng)用方面取得了巨大進(jìn)步，尤其微灌得到了大面積應(yīng)用，但各種關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵工藝還有待進(jìn)一步突破。特別是我國農(nóng)業(yè)灌溉自動化實施以來，相關(guān)控制設(shè)備得到了大量的研發(fā)，開發(fā)的產(chǎn)品基本能夠?qū)崿F(xiàn)自動化調(diào)控的功能。但是由于我國農(nóng)業(yè)灌溉自動化研究起步較晚，經(jīng)驗積累不足，研制的產(chǎn)品往往存在結(jié)構(gòu)不合理，引起水流局部水頭損失過大，造成高耗能，導(dǎo)致整個管網(wǎng)運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。直流脈沖電磁閥作為一種農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉自動化控制閥，可以實現(xiàn)對管道中的介質(zhì)進(jìn)行快速切斷及遠(yuǎn)程控制等功能[1]。田間電磁閥的性能直接影響灌溉工程的質(zhì)量和使用壽命。研究直流脈沖電磁閥水流阻力特性和流動規(guī)律對于田間灌溉自動化具有重要意義。

針對不同原理、作用和結(jié)構(gòu)形式閥門的阻力特性和流動規(guī)律等方面的研究較多。石喜等[2]利用試驗和數(shù)值模擬的研究方法，確定了聚氯乙烯球閥局部阻力系數(shù)與球閥相對開度間的關(guān)系。賀小峰[3]通過試驗對水壓球閥閥口的結(jié)構(gòu)參數(shù)與流量特性間的規(guī)律進(jìn)行了研究。伍悅濱等[4]通過實驗研究建立了給水管網(wǎng)中閘閥局部阻力系數(shù)與相對開度的數(shù)學(xué)模型。湯躍等[5]對閘閥開啟過程的非定常內(nèi)部流動進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了閥門開啟過程中閥芯運(yùn)動引起的流場變形。鄒亮等[6]基于CFD動網(wǎng)格技術(shù)研究了蝶閥的關(guān)閉特性。國外Leutwyler[7]、Park[8]等亦對蝶閥的性能系數(shù)及其他基本參數(shù)進(jìn)行了試驗與數(shù)值模擬研究。關(guān)于閥門的研究主要集中在手動啟閉的工況，對于依靠介質(zhì)自身作用進(jìn)行控制的自動閥門研究的較少。閥門實現(xiàn)自動控制須具備開閉力小、穩(wěn)定性好、便于控制等特點(diǎn)，自動控制閥體結(jié)構(gòu)具有不同于手動閥門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。特別是本文研究的直流脈沖電磁閥屬于隔膜閥的一種，其啟閉件是一塊用橡膠制成的隔膜，它將閥體內(nèi)腔與閥蓋內(nèi)腔隔開。利用隔膜上下運(yùn)動達(dá)到閉合止水的目的，其具有結(jié)構(gòu)緊湊，動作靈敏，性能可靠等特點(diǎn)，然而國內(nèi)田間隔膜閥處于設(shè)計定型階段[1,9-11]，針對其開展的流阻特性研究相對較少。

本文針對一種農(nóng)用低壓直流脈沖電磁閥，采用試驗并結(jié)合數(shù)值模擬的方法對阻力特性和流動規(guī)律開展了研究，并得出了相應(yīng)結(jié)論，以期為其推廣應(yīng)用和進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 閥體結(jié)構(gòu)和試驗設(shè)計

本文研究的田間電磁閥是新疆水利水電科學(xué)研究院自主研發(fā)的一種大田自動控制閥門，以橡膠作為介質(zhì)，通過橡膠在閥體內(nèi)部上下運(yùn)動，封底流道，實現(xiàn)閥體的開閉[1]。本文研究的田間電磁閥閥體幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。閥體結(jié)構(gòu)大體呈“幾”字型，包括：上游圓管連接段—控制段—下游圓管連接段，控制段是該閥門的核心段?？刂贫斡砂雸A球形腔和平順過度段組成，閥內(nèi)隔膜通過在圓球形腔內(nèi)垂直于管道上下移動，實現(xiàn)閥的開啟和閉合。

圖1 電磁閥實體Fig.1 The solenoid valve cavity

試驗在新疆水利水電科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)節(jié)水大廳開展，試驗布置如圖2所示。試驗過程中利用離心泵向管路中供水，管路中水流流量可以利用控制臺設(shè)定，流量控制臺主要通過變頻器改變水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)管路中的水流流量。壓力測量采用精度為0.3級的SIN-P300擴(kuò)散硅壓力變送器測定。測壓點(diǎn)分別布設(shè)在測試閥體上、下游10倍和20倍孔口處，通過流量控制臺依次設(shè)定不同流量，記錄不同流速下各測點(diǎn)的壓力值。為了提高試驗精確性，試驗操作重復(fù)3次，試驗數(shù)據(jù)取均值。

圖2 閥體試驗測試簡圖Fig.2 Schematic diagram of test system

2 數(shù)值模擬計算方法

2.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)閥體實測結(jié)構(gòu)尺寸在Solidworks建立幾何模型，圖3所示為田間電磁閥閥體的幾何模型。將繪制的模型導(dǎo)入GAMBIT中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于閥體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，流體在閥體附近變化激烈，所以在閥體中心上、下游2D(D表示閥體內(nèi)徑，下同)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。閥體網(wǎng)格劃分及局部加密結(jié)果如圖4所示。為保證數(shù)值模擬計算準(zhǔn)確性，閥體的上、下游計算尺寸分別取40D和50D。DN110和DN125的電磁閥內(nèi)徑分別為102 mm和116 mm， DN110閥體網(wǎng)格劃分生成的網(wǎng)格數(shù)為587 651，DN125閥體網(wǎng)格劃分生成的網(wǎng)格數(shù)679 642。

圖3 幾何模型Fig.3 Geometry model

圖4 閥體網(wǎng)格劃分及局部加密Fig.4 Grid mesh and Local encryption

2.2 基本控制方程

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，流動滿足以下方程。

連續(xù)性方程：

動量方程：

在電磁閥閥腔內(nèi)水流存在漩渦流動，所以考慮平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動情況，選用RNGk-ε湍流模型，k和ε的輸運(yùn)方程分別為：

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項。

2.3 邊界條件與解析方法

計算時模型壁面采用無滑移光滑壁面，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，出口為自由出流(outflow)。采用基于壓力的分離式求解器，隱式算法，計算對象設(shè)為空間三維，時間上設(shè)為穩(wěn)態(tài)。邊界條件進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口，方向垂直于水流斷面，大小根據(jù)電磁閥試驗時流量值除以斷面面積得到，壓力監(jiān)測點(diǎn)分別布設(shè)在測試閥體上、下游10倍和20倍孔口處。分別設(shè)定不同速度大小，通過計算，記錄壓力監(jiān)測點(diǎn)全壓值。

3 結(jié)果與分析

3.1 電磁閥閥腔流量特征試驗結(jié)果分析

流量系數(shù)是閥門重要工藝參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)。閥門的流量系數(shù)是衡量閥門流通能力的重要指標(biāo)，正確計算和選擇CV值是保障管道流量控制系統(tǒng)正常工作的重要步驟。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，閥門的流量系數(shù)按下式計算[15]：

(1)

其中：

ΔPv=ΔP1-ΔP2Cv=1.156Kv

(2)

式中：Q為通過閥門水的流量，m3/h；ρ為水的密度，kg/m3；ρ0為15 ℃時水的密度，kg/m3，試驗時水溫17 ℃，ρ/ρ0≈1；ΔP1表示閥門管道系統(tǒng)總壓差，kPa；ΔP2表示管道系統(tǒng)產(chǎn)生的壓差，kPa。

根據(jù)閥門的流量和阻力試驗，利用式(1)、(2)計算流量系數(shù)。計算結(jié)果如表1。

表1 兩種規(guī)格管徑的電磁閥流量系數(shù)Tab.1 Flow coefficient of solenoid valve with two specifications

閥門流量系數(shù)值大，說明閥門的流通能力大，流體流過閥門時的壓力損失小。DN110田間電磁閥流量系數(shù)為183 m3/h(國標(biāo))，DN125田間電磁閥流量系數(shù)為193 m3/h(國標(biāo))。說明不同管徑的田間電磁閥閥腔，管徑增大，過流能力增大，流經(jīng)閥腔的流體阻力損失減小。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果驗證及分析

在試驗的基礎(chǔ)上，采用RNGk-ε模型分別對DN110和DN125兩種電磁閥閥體進(jìn)行數(shù)值計算，數(shù)值模擬與試驗結(jié)果如圖5所示。從圖5可知，田間電磁閥閥腔局部阻力系數(shù)均隨雷諾數(shù)的增大而迅速降低，在雷諾數(shù)達(dá)到一定值后，局部阻力系數(shù)趨于一定值，隨雷諾數(shù)的變化很小。這與球閥[2]、彎頭(管)[13,14]等不同結(jié)構(gòu)管道形變件局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化規(guī)律相似。同時數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果較吻合。DN110閥腔最大相對誤差為20.2%，最小相對誤差為6.7%；DN125 閥腔最大相對誤差為25.9%，最小相對誤差為5.2%。

圖5 兩種規(guī)格閥腔數(shù)值模擬與試驗結(jié)果 Fig.5 Numerical simulation and test results of two specifications of valve cavity

閥門的局部阻力系數(shù)不僅與開度有關(guān)，還與管徑密切相關(guān)[6]。分別對DN63、DN75、DN90、DN140、DN160進(jìn)行數(shù)值計算，速度值取2.2 m/s，保證通過閥腔的流體流態(tài)處于阻力平方區(qū)，局部阻力系數(shù)變化不受雷諾數(shù)的影響[15]。閥腔的局部阻力系數(shù)按式(3)計算：

(3)

式中：Hζ為閥腔引起的局部水頭損失；v為管道平均流速。雷諾數(shù)通過公式(4)計算：

(4)

式中：d為管道內(nèi)徑；u為管道內(nèi)水流平均流速；υ為水的運(yùn)動黏度，計算時v取1.003×10-6m2/s。

表2 5種規(guī)格管徑的電磁閥閥腔局部阻力系數(shù)計算結(jié)果Tab. 2 Four sizes of pipe diameters calculation result of local resistance coefficient of solenoid valve body

利用最小二乘法對7種規(guī)格田間電磁閥閥腔局部阻力系數(shù)值與管徑尺寸進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如下式：

ζ=3.314D0.172 3

經(jīng)過誤差分析，相關(guān)系數(shù)R2為0.86，相關(guān)性較好，可以為田間電磁閥閥腔局部阻力系數(shù)計算提供參考。

3.3 閥體內(nèi)部阻力特點(diǎn)和流場分析

3.3.1 閥腔內(nèi)部壓力分析

閥腔數(shù)值計算時，沿管道方向為Z軸，以水平向左為正；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。將計算結(jié)果導(dǎo)入到Tecplot中，可視化處理結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 閥腔內(nèi)部靜壓分布Fig.6 Static pressure distribution in solenoid valve cavity

圖6為垂直進(jìn)口斷面，速度2.2 m/s時，兩種管徑的閥腔內(nèi)YZ截面內(nèi)部靜壓分布，圖中壓力值是相對于管道出口處壓強(qiáng)為一個大氣壓下的值。圖中結(jié)果可以看出不同管徑靜壓分布基本相同，壓力沿程逐漸減小，上游管段靜壓值呈正值，下游管段靜壓值基本為負(fù)，在閥腔與管道進(jìn)出口處靜壓變化出現(xiàn)較大的壓力梯度。上游管段下側(cè)受水流沖擊，壓力值最大，下游管道靠近閥體上側(cè)出現(xiàn)壓力最小值，閥腔內(nèi)部靜壓分布表明田間電磁閥安裝時上游管段主要防止管道內(nèi)壓，下游管段附近考慮防負(fù)壓對管壁的吸附作用。

圖7 閥腔內(nèi)部總壓分布Fig.7 Total pressure distribution in solenoid valve cavity

當(dāng)閥腔水流流速為2.2 m/s時，兩種管徑的閥腔內(nèi)部YZ截面總壓分布如圖7所示。流體總壓是靜壓和動壓之和?？倝悍磻?yīng)液體內(nèi)部具有的能量，圖7結(jié)果顯示，閥腔內(nèi)部流體中心位置動壓壓力梯度變化較明顯，且主要集中在閥體出口處。下游管段上部總壓為負(fù)值，流體流動主要集中在下游管段的底部，說明下游管段存在流體紊動、剪切和旋轉(zhuǎn)不規(guī)則流動。

3.3.2 閥腔內(nèi)部流場分析

圖8為DN110和DN125兩種管徑的電磁閥進(jìn)口水流速度為2.2 m/s時閥腔內(nèi)部YZ截面流線圖，閥腔內(nèi)液流整體呈中部流速較大，上下側(cè)流速較小的特點(diǎn)，上游管段流速分布較均勻，液體經(jīng)過閥腔液流逐漸收縮，同時閥腔內(nèi)部靠近進(jìn)口處有漩渦產(chǎn)生，閥腔內(nèi)部出口處流速梯度非常明顯，局部最大流速可達(dá)6 m/s，進(jìn)入下游管段液流繼續(xù)收縮，下游管段上側(cè)存在漩渦，同時水流撞擊流道邊壁發(fā)生折流在閥體下側(cè)產(chǎn)生回流區(qū)。所以引起閥體阻力損失的位置主要是閥體內(nèi)部和下游管段一段距離，主要原因是在整個閥腔和下游管道內(nèi)部存在漩渦、水流內(nèi)部紊動以及水流撞擊邊壁等引起的水流能量耗散的作用。

圖8 閥腔流線圖Fig.8 Streamline diagram in solenoid valve cavity

4 結(jié) 論

本文通過采用試驗和數(shù)值模擬的方法對田間電磁閥閥腔阻力特性和內(nèi)部流場開展了研究，得到以下結(jié)論。

(1)通過試驗確定了DN110田間電磁閥閥腔流量系數(shù)為183 m3/h(國標(biāo))，DN125田間電磁閥閥腔流量系數(shù)為193 m3/h(國標(biāo))。

(2)運(yùn)用RNGk-ε模型能很好的對田間電磁閥閥腔進(jìn)行了模擬，同時利用數(shù)值模擬計算了DN63、DN75、DN90、DN140、DN160 五種規(guī)格田間電磁閥閥腔局部阻力系數(shù)，擬合出閥腔內(nèi)水流處于阻力平方區(qū)時，田間電磁閥局部阻力系數(shù)與管徑的關(guān)系式。

(3)田間電磁閥閥腔阻力損失的位置主要是閥體內(nèi)部和下游管段一段距離，主要原因是閥腔內(nèi)部和下游管段存在漩渦、水流紊動以及水流撞擊邊壁等引起的水流能量耗散的作用。