消防水系統(tǒng)梭式止回閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王 聰，張健平，陳航宇，王 勇

（西南科技大學(xué)制造過程測(cè)試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng)621010）

1 引言

止回閥在消防系統(tǒng)中主要是控制消防用水的流動(dòng)方向，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GBJ16-87）第8、6、3條規(guī)定：發(fā)生火災(zāi)時(shí)由消防水泵供給的消防用水不應(yīng)進(jìn)入消防水箱。為滿足此要求在消防水箱出水管上設(shè)置一個(gè)止回閥。通常為了防止停泵時(shí)水倒流使泵反轉(zhuǎn)損壞水泵還會(huì)在消防水泵的出口處安裝一個(gè)止回閥［1-2］。除此之外止回閥在消防系統(tǒng)中還擔(dān)任了分隔不同時(shí)期建造的消防系統(tǒng)的特殊作用［3］。

目前大部分建筑消防系統(tǒng)中通常在水泵出水管處安裝普通旋啟式止回閥或重錘式止回閥，這種止回閥雖然可以防止停泵時(shí)水倒流損壞水泵但是當(dāng)止回閥關(guān)閉時(shí)可能產(chǎn)生很大的水錘壓力，容易發(fā)生水錘事故［4-5］。當(dāng)水錘事故發(fā)生時(shí)會(huì)使水管劇烈震動(dòng)，輕則使管道連接處斷開，破壞管路上的管件和設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)管道可能破裂，破壞泵房?jī)?nèi)設(shè)備及管道，造成泵房淹沒，等重大事故。大部分事故由停泵水錘引起［6-7］。為了防止水錘對(duì)管路系統(tǒng)上的元件和水泵造成傷害，在泵出口安裝止回閥是一種防止停泵水錘的重要措施［8-9］。當(dāng)止回閥閥瓣動(dòng)作不靈活時(shí)，閥瓣關(guān)閉緩慢，水倒流使泵反轉(zhuǎn)容易損壞水泵。常用的緩閉式止回閥同樣存在停泵時(shí)水泵反轉(zhuǎn)的問題。而且緩閉止回閥的緩閉時(shí)間很難控制，防水錘能力存疑［10-11］。因此一些學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)止回閥進(jìn)行了研究并提出了改進(jìn)改進(jìn)措施，文獻(xiàn)［12］研究了在停泵時(shí)有無止回閥或不同類型止回閥對(duì)系統(tǒng)水錘的影響，主要研究了活塞-升降式止回閥，旋啟式止回閥和關(guān)閉控制止回閥，發(fā)現(xiàn)關(guān)閉控制止回閥比普通止回閥更好地解決了停泵水錘。文獻(xiàn)［13］結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了緩閉式止回閥在防水錘中的應(yīng)用。除此之外，一些研究者發(fā)現(xiàn)梭式止回閥關(guān)閉過程中泵出口水錘壓頭隨閥關(guān)閉而降低，相對(duì)于旋啟式和升降式止回閥有較好的水錘防護(hù)特性［14-15］。已經(jīng)有大量學(xué)者對(duì)梭式止回閥進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)［16］采用數(shù)值模擬的方法研究了梭式止回閥內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)情況、氣穴的產(chǎn)生和氣穴對(duì)梭式止回閥內(nèi)流場(chǎng)的影響。文獻(xiàn)［17］采用數(shù)值模擬的方法對(duì)梭式止回閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬并做了節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［18］按照核潛艇對(duì)止回閥的要求對(duì)梭式止回閥做了結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，綜上所述，目前的研究主要集中在普通止回閥和緩閉式止回閥在防止水錘的作用或梭式止回閥的流場(chǎng)分析和節(jié)能優(yōu)化上。結(jié)果表明：普通止回閥的防水錘效果差，緩閉式止回閥的關(guān)閉動(dòng)作難以確定，關(guān)閉速度較慢會(huì)使泵反轉(zhuǎn)且防水錘效果不明確。梭式止回閥的水錘防護(hù)特性較普通止回閥更好，適用范圍更廣，安裝靈活，流體通過時(shí)壓降更低。但是目前研究成果中沒有涉及到在消防給水系統(tǒng)中的梭式止回閥防水錘優(yōu)化的研究，因此，對(duì)原梭式止回閥利用數(shù)值模擬的方法，以提高梭式止回閥的水錘防護(hù)特性為目標(biāo)，對(duì)閥瓣和閥體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使消防系統(tǒng)的可靠性得到改善，可為開發(fā)新梭式止回閥和改善現(xiàn)有梭式閥的防水錘特性提供理論依據(jù)。

2 梭式止回閥簡(jiǎn)介

圖1 梭式止回閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure Diagram of Shuttle Check Valve

梭式止回閥主要由閥體、閥瓣、彈簧、導(dǎo)流罩構(gòu)成。當(dāng)閥門左端壓力上升到可以克服彈簧對(duì)閥瓣的壓力時(shí)，流體推開閥瓣向閥右端移動(dòng)，閥瓣與閥進(jìn)口出現(xiàn)空隙，流體可以通過閥門。當(dāng)閥門左端壓力比右端低時(shí)，閥門左端流體不再能克服彈簧的預(yù)緊力推開閥瓣，此時(shí)彈簧推動(dòng)閥瓣向左運(yùn)動(dòng)，使閥瓣與閥進(jìn)口接觸，流體不能通過閥門。這個(gè)過程使流體只能單向通過閥門。梭式止回閥相較于旋啟式止回閥還有以下優(yōu)點(diǎn)，閥瓣不是靠重力關(guān)閉而是用彈簧力關(guān)閉即使在閥背壓很低的情況下也能關(guān)閉嚴(yán)密，而且閥芯內(nèi)的緩沖器能減慢閥瓣的關(guān)閉速度降低水錘壓力沖擊波［19］，安裝在消防水箱前時(shí)，旋啟式止回閥和升降式止回閥要求水平安裝而梭式止回閥對(duì)安裝角度沒有要求［20］。

3 止回閥內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬

3.1 物理模型與邊界條件

在止回閥后端出口加長(zhǎng)度為20D（D為管內(nèi)徑）的管道，在止回閥入口端前加長(zhǎng)度為5D的管道，因此整個(gè)計(jì)算區(qū)域包括了止回閥前端管路、后端管路和止回閥。與閥前和閥后的管道內(nèi)區(qū)域相比較來說，梭式閥內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，有不規(guī)則的閥體和閥瓣，在流化床網(wǎng)格劃分的過程中，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，除此之外，利用高級(jí)網(wǎng)格算法對(duì)閥門進(jìn)口和閥瓣邊緣的區(qū)域進(jìn)行局部加密。限于篇幅，此處僅展示了梭式止回閥外表面網(wǎng)格劃分情況，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分情況Fig.2 Mesh Division Diagram

表1 計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)Tab.1 Number of Element and Node

3.2 邊界條件

DN200梭式止回閥的進(jìn)口直徑為200 mm，數(shù)值模擬的流體為常溫水，模擬采用的進(jìn)口邊界條件為velocity-inlet，進(jìn)口速度設(shè)為1.062m/s，出口邊界設(shè)置為pressure-outlet，表壓為0 Pa，操作壓力為1.013×105Pa。

3.3 數(shù)學(xué)模型

運(yùn)用FLUENT軟件模擬止回閥內(nèi)部的流場(chǎng)，水是不可壓縮的粘性流體，流動(dòng)過程中溫度變化對(duì)流體流動(dòng)的影響可以忽略，其質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程如下：

連續(xù)性方程

動(dòng)量守恒方程

式中：ρ—流體的密度，kg/m3；u→—流體的速度矢量，m s；p—壓強(qiáng)，Pa；F—單位體積流體上受到的體積力，N m3。

選擇標(biāo)準(zhǔn)化的k-ε模型，可以從根本上簡(jiǎn)化操作的步驟，形式非常的簡(jiǎn)單有效，且精度高、經(jīng)濟(jì)有效等。因此，本研究采取標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型進(jìn)行計(jì)算。在梭式止回閥內(nèi)部的流體為粘性不可壓縮流體，流體流動(dòng)為湍流，k-ε模型的詳細(xì)形式為：

式中：k—水的湍動(dòng)能，m2s2；ε—水的耗散能，m2s3；vgi—第i組分在流體中的均速，m s；Gk—由水的平均速度梯度造成的湍動(dòng)能項(xiàng)；μt—水的湍流粘度系數(shù)；C1ε、C2ε、C3ε—湍流模型的常數(shù)；σk—k對(duì)應(yīng)的湍流普朗特?cái)?shù)；σε—ε對(duì)應(yīng)的湍流普朗特?cái)?shù)；i、j—連續(xù)相中的組分。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中的各常數(shù)項(xiàng)取值，如表2所示。

表2 k-ε模型中的常數(shù)Tab.2 Constants in the k-epsilon Model

4 梭式止回閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 原梭式止回閥的主要缺點(diǎn)

止回閥內(nèi)流體的壓力分布情況、速度變化情況、漩渦的大小和流體通過梭式止回閥的流阻系數(shù)是評(píng)價(jià)止回閥防水錘能力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)［15，21］。

可以由圖6中優(yōu)化前的壓力云圖看出：優(yōu)化前在閥門開度為5%-30%時(shí)，由于止回閥的入口處閥芯周圍較狹窄，導(dǎo)閥芯前局部壓力很高，而閥芯后壓力很低而且會(huì)在閥瓣與閥體內(nèi)壁間產(chǎn)生較大面積的負(fù)壓區(qū)域；閥內(nèi)流體壓力梯度非常大，容易使比較強(qiáng)的水錘現(xiàn)象發(fā)生，水錘會(huì)對(duì)閥瓣施加較大的水錘沖擊力。若梭式止回閥的開度為80%-100%時(shí)，閥進(jìn)口到出口流體壓力分布不均勻，易使梭式止回閥產(chǎn)生震動(dòng)，對(duì)梭式止回閥的穩(wěn)定運(yùn)行不利，容易發(fā)生水錘現(xiàn)象。當(dāng)止回閥開度在30%開度的基礎(chǔ)上繼續(xù)增大時(shí)，由于閥瓣后面的固定構(gòu)件的作用，產(chǎn)生了較大的壓力變化，導(dǎo)致內(nèi)部壓力的不穩(wěn)定，說明在閥門的開度不斷增大的過程中，雖然總體的壓降在逐漸降低，且流態(tài)趨于穩(wěn)定，但內(nèi)部壓力的波動(dòng)依舊對(duì)閥門內(nèi)部構(gòu)件可能產(chǎn)生了一定的程度的危害。

圖6 不同開度下的壓力云圖Fig.6 Pressure Cloud Diagram of Optimized Shuttle Check Valve

從圖5優(yōu)化前的速度矢量圖中可以看出優(yōu)化前梭式止回閥在開度為5%、20%和30%時(shí)閥瓣邊緣處速度分布不均勻，這說明這兩處流道線型畸變、不連續(xù)，流體在流道中流速減速慢；當(dāng)開度為80%和100%時(shí)，優(yōu)化前梭式止回閥在左側(cè)出現(xiàn)了較大渦流，有限流通面積較小，能量損失較大，說明優(yōu)化前的流道對(duì)流體的流通能力較差，這時(shí)閥體內(nèi)速度分布差異性較大，防水錘特性差，因此需要對(duì)梭式止回閥的流道進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 梭式止回閥的優(yōu)化

4.2.1 閥瓣的優(yōu)化

根據(jù)上述模擬結(jié)果，對(duì)于閥瓣和導(dǎo)流罩也應(yīng)設(shè)計(jì)成流線型，這種流線型的閥瓣和導(dǎo)流罩可以使流體繞過它們的阻力減小，降低噪聲，避免邊界層分離［22］。閥瓣則去除閥瓣上圓弧與密封面之間的臺(tái)階，并在閥瓣的邊緣倒角。

圖3 梭式止回閥閥瓣輪廓線Fig.3 Shuttle Check Valve Disc Contour

4.2.2 閥體的優(yōu)化

與閥瓣的優(yōu)化同理，對(duì)于梭式止回閥在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到閥體的輪廓線應(yīng)充分滿足過流能力和流線型設(shè)計(jì)，以減小流阻系數(shù)［23］。進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，對(duì)于閥體現(xiàn)增大閥體輪廓線的曲率使輪廓線更加符合流線形態(tài)，增強(qiáng)閥體的實(shí)際過流能力，同時(shí)在圓錐收口處圓角減小突變，以減小流體通過閥體的壓力損失。

圖4 梭式止回閥閥體輪廓線Fig.4 Shuttle Check Valve Body Contour

5 止回閥優(yōu)化前后計(jì)算結(jié)果分析

5.1 宏觀速度場(chǎng)

從圖5中可以看出，優(yōu)化后梭式止回閥在閥瓣邊緣處的流體流速勻稱，證明閥體內(nèi)部流道體積突變削減，提升了內(nèi)部流道的平滑度，流道中流體的流速減弱較為緩慢，表明針對(duì)閥體的流線型優(yōu)化使梭式止回閥的實(shí)際流通能力增大了。雖然優(yōu)化后沒有完全使閥瓣附近的漩渦消除，但與優(yōu)化前相比較優(yōu)化后的漩渦強(qiáng)度大大減小，說明流體通過梭式止回閥的壓力降將減小，流阻系數(shù)也將減小。證明閥體和閥瓣的輪廓線經(jīng)過優(yōu)化，減小了進(jìn)口處漩渦的大小，不但降低了流體通過能量損失，除此之外使得流體通過閥時(shí)的流速更穩(wěn)定，因此使防水錘特性增強(qiáng)。

圖5 不同開度下的速度失量圖Fig.5 Velocity Vector Diagram of Optimized Shuttle Check Valve

5.2 靜壓力場(chǎng)

從圖6中可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后，所有開度下閥瓣附近相對(duì)低壓的區(qū)域相比于優(yōu)化前都有減小，且低壓區(qū)域的壓力相對(duì)于整個(gè)閥體其他部分的壓力差異小，經(jīng)過優(yōu)化后止回閥內(nèi)流體的壓力分布相對(duì)于優(yōu)化前更均勻，減小了壓力梯度，不容易引閥門的震動(dòng)。梭式止回閥的進(jìn)口壓力隨著閥門開度增加而逐漸減小，閥的出口壓力逐漸增加，閥前與閥后的壓差慢慢變小，作用在止回閥上的水流沖擊力也相應(yīng)減弱。優(yōu)化后的梭式止回閥在開度逐漸增加的過程中的壓力均小于優(yōu)化前，優(yōu)化前流體通過閥門的壓降比優(yōu)化后大。從靜壓力場(chǎng)分析中看出，優(yōu)化后閥瓣受到壓力較大的情況得到改善且閥內(nèi)流道中壓力分布較均勻，壓力梯度較優(yōu)化前小。梭式止回閥在閥瓣動(dòng)作過程中，閥瓣均勻受力，閥瓣受到流體產(chǎn)生的水擊力較小，優(yōu)化后提升了梭式止回閥的防水錘特性。

5.3 梭式止回閥的流阻系數(shù)

流阻系數(shù)是評(píng)價(jià)流體流經(jīng)閥門時(shí)的能量損失大小和防水錘能力的重要指標(biāo)，流阻系數(shù)通過流體流經(jīng)閥門時(shí)的前后壓差和流體的流速計(jì)算，其計(jì)算關(guān)系式如下。

式中：ξ—流阻系數(shù)；Δp—閥門前后的壓力差，Pa；u—流體的流速，m s；ρ—流體的密度，kg/m3。

從圖7可以看出，隨著梭式止回閥開度的增加流阻系數(shù)劇烈地減小。在閥門開啟的整個(gè)過程中，優(yōu)化后的梭式止回閥對(duì)流體的阻力明顯減小。在閥門開度為5%～20%時(shí)優(yōu)化后的止回閥的流阻系數(shù)相對(duì)優(yōu)化前的梭式止回閥降低30%以上，流阻系數(shù)降低最少的開度為50%，在50%開度時(shí)流阻系數(shù)相對(duì)降低12%。優(yōu)化后梭式止回閥對(duì)流體流動(dòng)的阻力降低，梭式止回閥內(nèi)部的流體流動(dòng)狀況得到了改善，經(jīng)過優(yōu)化后新的梭式止回閥的防水錘能力得到了提高。

圖7 流阻系數(shù)與開度的關(guān)系Fig.7 Relation Between Flow Resistance Coefficient and Valve Opening

6 結(jié)論

（1）經(jīng)過對(duì)梭式止回閥結(jié)構(gòu)的分析，將閥體、閥瓣和導(dǎo)流罩優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)采用流線型態(tài)，優(yōu)化后閥體的流道線的曲率半徑增加，流道線平滑過渡，流速較優(yōu)化前分布更均勻，漩渦減弱，增大了止回閥的流通能力。

（2）各個(gè)開度下梭式止回閥的流阻系數(shù)較優(yōu)化前均有很大的減小；優(yōu)化后的壓降比優(yōu)化前的壓降小，且壓降與流阻系數(shù)都呈現(xiàn)急速下降趨勢(shì)。優(yōu)化后梭式止回閥對(duì)流體流動(dòng)的阻力降低。

（3）優(yōu)化后流體在梭式止回閥中速度和壓力分布更均勻，梭式止回閥的速度梯度明顯減少，且具有良好的對(duì)稱性，閥內(nèi)速度和壓力變化在不同開度間過渡平緩，不會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，降低了水流沖擊閥瓣的噪聲，提高了止回閥的防水錘特性。