三河口水利樞紐調(diào)流調(diào)壓閥模型試驗(yàn)研究

柯嘯

摘?要：三河口水利樞紐供水系統(tǒng)選用DN2000大口徑調(diào)流調(diào)壓閥，該類型大口徑調(diào)流閥目前尚無實(shí)際應(yīng)用先例，因此借助模型試驗(yàn)對(duì)閥門進(jìn)行仿真試驗(yàn)并對(duì)原型機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。按幾何相似準(zhǔn)則設(shè)置了比尺為1∶5的相似模型，采用DN400調(diào)流閥模型對(duì)原型機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明DN2000大口徑調(diào)流閥具有較好的流量及壓力調(diào)節(jié)能力。模型試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果吻合較好，模型滿足相似設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

關(guān)鍵詞：調(diào)流調(diào)壓閥;相似準(zhǔn)則;模型試驗(yàn);CFD計(jì)算;三河口水利樞紐

中圖分類號(hào)：TV66;TV131.6?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.023

Study on Model Test of Regulating Valve of Sanhekou Water Control Project

KE Xiao

（Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Xian 710010， China）

Abstract：The water supply system of Sanhekou Water Control Project adopts DN2000 large diameter regulating valve， which has not been used in practice. Therefore， the model test is used to simulate the valve and verify the prototype design. In this paper， a 1∶5 scale model was set up according to the geometric similarity criterion， and the DN400 model was used to simulate the prototype. The results show that the DN2000 large caliber valve has better capacity of flow and pressure regulation. The test results of the model parts are in good agreement with the CFD calculation results and the model parts meet the similar design criteria.

Key words： flow regulating and pressure regulating valve; similarity criterion; model test; CFD computing; Sanhekou Water Control Project

調(diào)流調(diào)壓閥具有在線調(diào)節(jié)管線壓力、流量及適用于各種特殊工況的調(diào)節(jié)要求的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用廣泛，常用于火電、石油、水電等行業(yè)。近年來國內(nèi)陸續(xù)建成多項(xiàng)長(zhǎng)距離飲水工程，最大調(diào)流閥使用口徑達(dá)1 800 mm，而對(duì)于口徑2 000 mm的調(diào)流閥國內(nèi)暫無使用先例[1]。目前對(duì)大口徑活塞式調(diào)流調(diào)壓閥的研究基本在理論及數(shù)值分析方面。李燕輝等[2]對(duì)大口徑活塞套筒調(diào)流閥流動(dòng)特性進(jìn)行了分析，靳衛(wèi)華等[3]主要介紹了調(diào)流閥的選型及應(yīng)用情況，楊富超等[4]介紹了調(diào)流閥的工程應(yīng)用情況。對(duì)于閥門開度與管路特性的關(guān)系，楊開林[5-6]推導(dǎo)出了相關(guān)的解析公式。目前尚未有試驗(yàn)論證大口徑調(diào)流閥相關(guān)性能參數(shù)。筆者針對(duì)三河口水利樞紐采用的DN2000調(diào)流閥，建立閥門相似模型，進(jìn)行閥門水力性能試驗(yàn)，并將模型機(jī)、原型機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比，對(duì)原型機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1?工程概況

三河口水利樞紐主要承擔(dān)供水、調(diào)蓄功能，兼顧發(fā)電任務(wù)，是整個(gè)引漢濟(jì)渭調(diào)水工程的調(diào)蓄中樞。水庫正常蓄水位643.0 m，最高洪水位644.7 m，根據(jù)工程設(shè)計(jì)，在電站廠房設(shè)置2條供水管線，每條管線上沿水流方向依次設(shè)置蝶閥、調(diào)流調(diào)壓閥及偏心半球閥。受三河口水利樞紐上游來水影響，水庫水位變化幅度較大，調(diào)流調(diào)壓閥工作水頭高差范圍為15.35～99.30 m，單臺(tái)閥門的流量為2.0～15.5 m3/s。閥門公稱通徑2 000 mm，公稱壓強(qiáng)1.6 MPa，采用電動(dòng)啟閉方式，可在線調(diào)節(jié)流量計(jì)壓力。閥芯采用鼠籠結(jié)構(gòu)，在鼠籠上分別開設(shè)不同類型及數(shù)量的噴水孔，實(shí)現(xiàn)閥門在不同開度下的流量成兩段線性關(guān)系，并有效降低噪音及振動(dòng)。

2?模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

2.1?模型設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)應(yīng)盡可能地對(duì)閥門實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有實(shí)際條件，本次模型試驗(yàn)試件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照原型機(jī)的1/5比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，閥門流道及鼠籠開孔均完全嚴(yán)格按照5∶1的比例進(jìn)行縮放設(shè)計(jì)。試件三維實(shí)體模型見圖1。

2.2?試驗(yàn)裝置

根據(jù)模型設(shè)計(jì)比例，制作DN400 PN16調(diào)流調(diào)壓閥模型以驗(yàn)證CFD數(shù)值分析的準(zhǔn)確性，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)段由2個(gè)直管段組成，如圖2所示，直管段公稱通徑D均為400 mm，上游直管線長(zhǎng)度L2≥8 m，下游直管線長(zhǎng)度L4≥4 m。閥門上游壓力計(jì)距離閥門L1=0.8 m，閥門下游壓力計(jì)距離閥門L3=2.4 m。

2.2.1?主要測(cè)量?jī)x器

精密壓力表，量程0～1.6 MPa，精度0.4級(jí)，數(shù)量6個(gè);差壓變送器，量程0～1.6 MPa，準(zhǔn)確度0.1級(jí)，數(shù)量1個(gè);靜態(tài)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，量程150 t，精度0.031 6%，數(shù)量1套;溫度計(jì)，量程0～50 ℃，分度值1 ℃，最大允許誤差±1 ℃，數(shù)量1個(gè)。試驗(yàn)前對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，使其滿足試驗(yàn)要求。

2.2.2?測(cè)量誤差

閥門開度，測(cè)量誤差不得超出實(shí)際開度的±1%;上游壓力P1，測(cè)量誤差不得超出實(shí)際值的±2%;下游壓力P2，測(cè)量誤差不得超出實(shí)際值的±2%;流量Q，測(cè)量誤差不得超出實(shí)際值的±2%;溫度T，試驗(yàn)過程中，流體入口的溫度應(yīng)保持恒定，且溫度變化應(yīng)保證在±3 ℃以內(nèi)。

2.2.3?流阻系數(shù)的計(jì)算依據(jù)

流阻系數(shù)ζ計(jì)算式為

ζ=2 000ΔPρv2

式中：ΔP為被試閥門的凈壓差，kPa;ρ為水的密度，kg/m3;v為流速，m/s。

2.2.4?流量系數(shù)的計(jì)算公式

流量系數(shù)Kv計(jì)算式為

Kv=10QρΔPρ0

式中：Q為測(cè)得的水流量，m3/h;ρ0為15 ℃時(shí)水的密度，kg/m3。

2.2.5?氣蝕系數(shù)的計(jì)算公式

氣蝕系數(shù)δ計(jì)算式為

δ=H2+HAT-HdH1-H2+v2/2g

式中：H1為閥門上游壓力水頭，m;H2為閥門下游壓力水頭，m;HAT為大氣壓，m;Hd為液體飽和度，m;g為重力加速度，取9.81 m/s2。

2.3?試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

利用試驗(yàn)臺(tái)上靜態(tài)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，將閥門全開，啟動(dòng)水泵使系統(tǒng)充滿水。根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目分別調(diào)整閥門開度，通過系統(tǒng)中水泵調(diào)整管道流量、上下游壓差等參數(shù)，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，分別代入公式演算數(shù)據(jù)結(jié)果。

2.3.1?流阻系數(shù)試驗(yàn)

以10%均勻遞增調(diào)整閥門開度，在每個(gè)開度位置通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，測(cè)量4組數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)代入流阻系數(shù)公式，計(jì)算各個(gè)開度的流阻系數(shù)算術(shù)平均值，繪制閥門開度與流阻系數(shù)關(guān)系圖（見圖3）?？芍?，閥門流阻系數(shù)與開度近似為指數(shù)關(guān)系，隨著開度的增大，流阻系數(shù)迅速減小。

2.3.2?流量系數(shù)和流量調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)

以10%開度均勻遞增調(diào)整閥門開度，并使下游壓強(qiáng)穩(wěn)定在110～120 kPa，調(diào)節(jié)閥前流量，使閥門前后壓差為100 kPa（誤差±1 kPa），分別讀取并記錄流量計(jì)、壓力表、差壓變送器及溫度計(jì)的讀數(shù)。將數(shù)據(jù)代入流量系數(shù)公式，計(jì)算流量系數(shù)。以橫坐標(biāo)為閥門開度，縱坐標(biāo)為流量，繪制100 kPa壓差下閥門的流量—開度曲線（見圖4），可以看出，流量與開度關(guān)系為以開度為30%分界的兩段直線。模型試驗(yàn)表明原型機(jī)設(shè)計(jì)的流量與開度呈兩段線性關(guān)系。

2.3.3?最大流量試驗(yàn)

將試驗(yàn)系統(tǒng)按閥門的設(shè)計(jì)工況參數(shù)設(shè)定后，調(diào)節(jié)閥門的開度至全開位置，測(cè)量流量Q。分別測(cè)得閥門前后壓差為160 kPa時(shí)，最大流量為2 642.98 m3/h;閥門前后壓差為110 kPa時(shí)，最大流量為2 192.40 m3/h。

閥門的設(shè)計(jì)工況參數(shù)如下：①閥前壓強(qiáng)320 kPa，閥后壓強(qiáng)160 kPa，壓差160±1 kPa，流量2 232 m3/h;②閥前壓強(qiáng)270 kPa，閥后壓強(qiáng)160 kPa，壓差110±1 kPa，流量2 016 m3/h。

可見，模型試驗(yàn)測(cè)得的最大流量值大于閥門設(shè)計(jì)流量值，符合模型試驗(yàn)相似準(zhǔn)則。

2.3.4?氣蝕試驗(yàn)

將閥門全開，調(diào)節(jié)閥前流量，使閥門上游壓力為400 kPa。以5%開度均勻遞減調(diào)整閥門開度，觀察各開度下閥門出口是否產(chǎn)生氣泡，氣泡是否破裂，以及氣泡破裂的位置，用攝像機(jī)拍攝記錄，直至閥門開度為5%。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入氣蝕系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算氣蝕系數(shù)，結(jié)果見圖5。小開度時(shí)，閥門前后壓差較大，此時(shí)最容易發(fā)生氣蝕，根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)計(jì)算此時(shí)氣蝕系數(shù)最小為0.56，對(duì)應(yīng)的臨界氣蝕系數(shù)為0.15。根據(jù)氣蝕系數(shù)計(jì)算結(jié)果及通過高速攝像頭觀察，閥門氣蝕試驗(yàn)過程未發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，表明閥門設(shè)計(jì)抗氣蝕能力較強(qiáng)。

2.3.5?原型機(jī)CFD計(jì)算結(jié)果與設(shè)置值對(duì)比

原型機(jī)采用了流量與開度呈兩段線性關(guān)系的設(shè)計(jì)方案，三維模擬圖如圖6所示。采用Ansys Fluent14.5對(duì)原型機(jī)進(jìn)行CFD模擬。調(diào)流調(diào)壓閥套筒上有數(shù)量非常多的小孔，它們是消能的關(guān)鍵角色。小孔附近射流的流速和壓力的梯度很大，因此小孔附近需要精細(xì)的網(wǎng)格。但小孔數(shù)目非常多，且閥體空間巨大，采用四面體網(wǎng)格容易導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量巨大，使計(jì)算難以收斂或者計(jì)算誤差大。為了解決這個(gè)問題，計(jì)算時(shí)全部采用了疏密合理、數(shù)量合理、質(zhì)量好的六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量500萬～760萬個(gè)，小孔數(shù)目越多，網(wǎng)格數(shù)目越大。

選取原型機(jī)16 m水頭時(shí)流阻系數(shù)、流量計(jì)算結(jié)果與設(shè)置值進(jìn)行對(duì)比，見表1?？芍?，CFD計(jì)算流阻系數(shù)及流量與預(yù)先設(shè)置值差異很小，表明原型機(jī)設(shè)計(jì)合理。

2.3.6?模型試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比

在水頭為16 m時(shí)流量及流阻系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表2。

可以看出，除100%開度外，其余開度的流量試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果相對(duì)差異都在5%以內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在70%開度以上，流量的CFD計(jì)算結(jié)果小于試驗(yàn)結(jié)果，隨著開度增大二者流量相對(duì)差異有波動(dòng)。試驗(yàn)數(shù)值偏大可能與模型機(jī)鼠籠與閥座之間出現(xiàn)泄漏有關(guān)。另外，根據(jù)數(shù)據(jù)繪圖可直觀看到模型試驗(yàn)件流量呈兩段線性變化，與原型機(jī)設(shè)計(jì)流量與開度兩段線性關(guān)系吻合，說明試驗(yàn)件滿足相似設(shè)計(jì)要求。

對(duì)比模型試驗(yàn)件在水頭16 m時(shí)流阻系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果可知，相對(duì)差異基本在10%以內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。模型試驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)方案的合理性。

2.3.7?模型試驗(yàn)件與原型機(jī)CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比

為了研究模型與原型機(jī)是否對(duì)應(yīng)，將模型16 m水頭時(shí)CFD計(jì)算結(jié)果與原型機(jī)CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表3。由表3可以看出，模型試驗(yàn)件與原型機(jī)CFD計(jì)算結(jié)果相差很小，說明模型試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)基本達(dá)到了相似設(shè)計(jì)的要求。模型試驗(yàn)件與原型機(jī)各開度的流量比值基本等于1∶25，說明模型試驗(yàn)件滿足了相似設(shè)計(jì)的要求。

3?結(jié)?論

通過設(shè)計(jì)采用DN400調(diào)流閥模型對(duì)原型機(jī)DN2000進(jìn)行模擬試驗(yàn)，對(duì)閥門模型在各種工況下的流動(dòng)特性進(jìn)行了分析。具體結(jié)論如下：

（1）分析模型試驗(yàn)件和原型機(jī)的CFD結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模型試驗(yàn)件的流阻系數(shù)與原型機(jī)的相差很小，模型試驗(yàn)件與原型機(jī)在各個(gè)開度下的流量比值基本等于1∶25，模型試驗(yàn)流阻系數(shù)—開度曲線與CDF分析數(shù)據(jù)的偏差≤5%，說明模型試驗(yàn)件滿足了相似設(shè)計(jì)的要求。

（2）模型試驗(yàn)件流阻系數(shù)、流量系數(shù)及最大流量數(shù)據(jù)表明原型機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）通過氣蝕試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，在所有工況范圍內(nèi)，閥籠前后均沒有發(fā)生氣蝕，顯示閥門整體設(shè)計(jì)方案具有優(yōu)良的抗氣蝕特性。

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【責(zé)任編輯?張華巖】