空氣閥浮球吹堵特性分析

彭 楓，李志鵬，張程鈔，廖志芳，王東福，謝 科

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004；2.博納斯威閥門股份有限公司，天津 301802）

0 引言

空氣閥在輸送管線系統(tǒng)中重要的安全元件，在坡度起伏較大的輸送系統(tǒng)中，空氣閥的主要作用是在輸水管道的排水階段從外部吸入空氣，避免管道由于真空而造成坍塌，在輸水管道的充水階段排出管道中的空氣，防止管道中的空氣對(duì)供水造成阻礙?？諝忾y的另一個(gè)重要功能是防止水錘，水錘會(huì)在斷電、泵停機(jī)等事故情況下導(dǎo)致水柱分離和水柱彌合［1-3］。

ROBERTO等［4］指出在空氣閥內(nèi)部應(yīng)該放置緩沖裝置或者節(jié)流孔板，可以用來(lái)減少管道中空氣閥突然關(guān)閥會(huì)引起內(nèi)部壓力劇烈變化。ZLOCZOWER［5］認(rèn)為空氣閥在運(yùn)行時(shí)的進(jìn)排氣都會(huì)對(duì)防水錘效果有較大的影響，從而指出空氣閥進(jìn)排氣口徑應(yīng)該有適中的規(guī)格，太大或者太小都會(huì)影響空氣閥水錘防護(hù)效果，進(jìn)而造成水錘現(xiàn)象加劇。CARLOS等［6］建立了一套基于西城/代爾夫特液壓的完整試驗(yàn)?zāi)Ｐ停糜诮鉀Q空氣閥各個(gè)參數(shù)中對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)值模型的不確定性。OSCAR等［7］就關(guān)于管路中水流放空時(shí)遇到的問(wèn)題做了深入的研究，發(fā)現(xiàn)在管路中設(shè)置空氣閥就可以解決管路水流放空而導(dǎo)致的負(fù)壓。BALACCO等［8-9］研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)下游空氣閥閥門打開部分時(shí)，排氣孔直徑對(duì)壓力峰值影響較小，其最大壓力大概是作用壓頭的1.5倍。杜建軍［10］就空氣閥在長(zhǎng)距離輸水管道中的設(shè)置原則做了歸納總結(jié)，并研究了空氣閥的特性參數(shù)、種類類型、技術(shù)規(guī)范以及設(shè)置原則作用。胡建永等［11］經(jīng)過(guò)實(shí)際工程分析，結(jié)果表明對(duì)于空氣閥的設(shè)置，從理論分析得到的關(guān)于空氣閥進(jìn)排氣孔口直徑和布置間距要比依據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出的值小。高潔等［12-13］模擬計(jì)算了空氣閥的進(jìn)排氣特性。結(jié)果表明，空氣閥的流通面積和進(jìn)排氣流量系數(shù)之乘積隨壓差的變化規(guī)律；并且通過(guò)不同壓差的流通面積和進(jìn)排氣流量系數(shù)的乘積值，對(duì)不同進(jìn)氣流量系數(shù)下的進(jìn)排氣流通面積進(jìn)行了計(jì)算。王玲等［14］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選用微量排氣和大口徑進(jìn)氣的空氣閥，能夠防止空管在注水時(shí)產(chǎn)生的水柱分離甚至彌合高壓水錘。徐放等［15］通過(guò)實(shí)際工程計(jì)算驗(yàn)證了，傳統(tǒng)高速進(jìn)排氣閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的水錘防護(hù)效果明顯是要優(yōu)于傳統(tǒng)的高速進(jìn)排氣閥。

由于空氣閥浮球的重力小于浮球的氣動(dòng)力，從而被快速吹起導(dǎo)致排氣口被堵塞，空氣閥內(nèi)部的氣體無(wú)法排出，造成空氣閥失效。為了解決浮球的吹堵問(wèn)題，對(duì)空氣閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，然后模擬分析空氣閥排氣特性，計(jì)算分析不同護(hù)筒高度下輸入不同壓力下空氣閥排氣量大小和浮球升力大小，為浮球式空氣閥的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

空氣閥的排氣和吸氣是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，這2個(gè)不同的階段過(guò)程中涉及到氣液兩相流。當(dāng)前對(duì)空氣閥的數(shù)值模擬依舊采用WYLIE等［16］和 STREETER 等［17］所提出的數(shù)學(xué)模型，該模型需建立在下列4個(gè)假設(shè)條件上［18-22］：

（1）空氣等熵地流入流出閥門；

（2）通過(guò)空氣閥進(jìn)入管道中的空氣一直處于等溫狀態(tài)，由于管道內(nèi)空氣相對(duì)較少，同時(shí)與管壁和液體的接觸面積很大，因此管道中空氣和液體的溫度相同；

（3）通過(guò)空氣閥進(jìn)入管道內(nèi)的空氣停留在空氣閥位置的管道周圍；

（4）液體表面高度基本不變，空氣體積與管段內(nèi)液體體積相比很小。

基于以上4個(gè)假設(shè)，流過(guò)閥的空氣質(zhì)量取決于管外大氣的絕對(duì)壓力P0、絕對(duì)溫度T0以及管內(nèi)的絕對(duì)壓力P和絕對(duì)溫度T，分成以下4種情況建立模型。

（1）空氣以亞音速流入（P0＞P＞0.528P0）：

（2）空氣以臨界流速流入（P≤0.528P0）：

（3）空氣以亞音速流出（P0/0.528＞P＞P0）：

（4）空氣以臨界速度流出［（P＞（P0/0.528）］：

（5）空氣閥流量系數(shù)c為實(shí)際流量大小與同孔徑噴管理論流量大小之比，其表達(dá)式如下：

C1——進(jìn)氣時(shí)空氣閥的流量系數(shù)；

A1——進(jìn)氣時(shí)空氣閥的流通面積；

ρ0——大氣密度；

P/P0——壓力比；

C2——排氣時(shí)空氣閥的流量系數(shù)；

A2——排氣時(shí)空氣閥的流通面積；

R ——?dú)怏w常數(shù)；

c ——進(jìn)排氣質(zhì)量流量系數(shù)；

m ——通過(guò)空氣閥實(shí)際質(zhì)量流量，kg/s。

2 數(shù)值模型

2.1 幾何模型

本文研究的空氣閥結(jié)構(gòu)圖1所示，該空氣閥是一種復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，進(jìn)行空氣閥模型處理，由于只關(guān)心空氣閥流動(dòng)特性，因此應(yīng)先對(duì)模型的非關(guān)鍵部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，確保流速變化劇烈區(qū)域的幾何特征不變，對(duì)流體域中圓角倒角進(jìn)行填平處理，采用Solidworks三維軟件按照1：1大小繪制三維模型，繪制后的三維模型簡(jiǎn)化了空氣閥的結(jié)構(gòu)，分析空氣閥排氣特性，通過(guò)對(duì)空氣閥護(hù)筒高度進(jìn)行調(diào)整，將分為3種模型，護(hù)筒高度分別為285，380，440 mm。

圖1 空氣閥護(hù)筒模型Fig.1 Model diagram of air valve protective sleeve

2.2 網(wǎng)格與邊界條件

對(duì)簡(jiǎn)化后的空氣閥三維模型采用Fluent meshing繪制多面體網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格后的模型如圖2，3所示，逐步增加網(wǎng)格數(shù)量，當(dāng)網(wǎng)格劃分后網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到240萬(wàn)時(shí)，空氣閥排氣速度和浮球升力均不再明顯增加，此時(shí)說(shuō)明再增大網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算的精度不會(huì)有提高，因此對(duì)該空氣閥模型，采用網(wǎng)格數(shù)量為240萬(wàn)時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到最佳值，最小網(wǎng)格尺寸0.2 mm，最大網(wǎng)格尺寸10 mm，網(wǎng)格質(zhì)量良好，能夠保證模擬計(jì)算相對(duì)準(zhǔn)確。

圖2 空氣閥外殼網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing diagram of air valve housing

圖3 浮球閥座網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh division diagram of float valve seat

空氣閥在進(jìn)排氣過(guò)程中流體域的工作介質(zhì)為空氣，空氣閥的流體域介質(zhì)設(shè)為理想氣體，并對(duì)空氣閥壁面設(shè)置為固定的無(wú)滑移壁絕熱壁面，由于空氣閥在運(yùn)行時(shí)流速較大，是屬于湍流模型，因此對(duì)空氣閥采用標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)Fluent軟件對(duì)能量、動(dòng)量、質(zhì)量守恒方程進(jìn)行求解。對(duì)空氣閥邊界參數(shù)設(shè)置，空氣閥護(hù)筒高285，380，440 mm 3組模型分別采用相同的處理方式，計(jì)算模型進(jìn)口邊界選擇壓力入口分別設(shè)置35，70，100 kPa，出口邊界選擇壓力出口，出口相對(duì)壓力設(shè)置為0 Pa，對(duì)空氣閥3種模型進(jìn)行FLUENT數(shù)值模擬。

3 流場(chǎng)計(jì)算及分析

對(duì)3組護(hù)筒高度空氣閥模型分別設(shè)置入口壓力35，70，100 kPa計(jì)算，收斂后取3組護(hù)筒高度空氣閥不同入口壓力的流體域壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行分析。根據(jù)流體域云圖，主要得出的數(shù)據(jù)為空氣閥在排氣過(guò)程中排氣量大小、速度大小以及吹動(dòng)氣流對(duì)浮球的升力大小，并且分析空氣閥排氣量、速度以及浮球升力的變化規(guī)律。

3.1 壓力場(chǎng)分析

圖4～6分別示出空氣閥護(hù)筒高度為285，380，440 mm 時(shí)，入口壓力分別為 35，70，100 kPa的壓力云圖。

圖4 空氣閥護(hù)筒285 mm壓力云圖Fig.4 Pressure nephograms at the height of the protective sleeve of 285 mm

圖5 空氣閥護(hù)筒380 mm壓力云圖Fig.5 Pressure nephograms at the height of the protective sleeve of 380 mm

圖6 空氣閥護(hù)筒440 mm壓力云圖Fig.6 Pressure nephograms at the height of the protective sleeve of 440 mm

當(dāng)壓力為35 kPa時(shí)，空氣閥護(hù)筒高度285，380，440 mm 的最大壓力分別為 36.542，36.461，36.216 kPa；在排氣過(guò)程中，氣體流經(jīng)浮球產(chǎn)生的壓差力與浮球的重力，二者的合力向下。由于空氣流繞過(guò)浮球閥座，浮球底部表面壓力比頂部表面壓力大，受壓較大的主要集中在浮球底部；當(dāng)壓力為70 kPa時(shí)，空氣閥護(hù)筒高度285，380，440 mm的最大壓力分別為 73.093，72.865，71.863 kPa，在相同的排氣壓差下，隨著護(hù)筒高度的增加，空氣閥表面壓力逐漸降低。

3.2 速度場(chǎng)分析

圖7～9為空氣閥護(hù)筒高度為285，380，440 mm時(shí)，入口壓力分別為35，70，100 kPa的速度云圖。

圖7 空氣閥護(hù)筒285 mm速度云圖Fig.7 Velocity nephograms at the height of the protective sleeve of 280 mm

圖8 空氣閥護(hù)筒380 mm速度云圖Fig.8 Velocity nephograms at the height of the protective sleeve of 380 mm

圖9 空氣閥護(hù)筒440 mm速度云圖Fig.9 Velocity nephograms at the height of the protective sleeve of 440 mm

結(jié)合圖7～9可以看出，當(dāng)壓力為35 kPa時(shí)，護(hù)筒高度285，380，440 mm的最大速度分別為210.74，296.50，284.30 m/s；當(dāng)壓力為 70 kPa 時(shí)，護(hù)筒高度285，380，440 mm的最大速度分別為302.29，348.12，337.03 m/s，在相同的排氣壓差下，隨著護(hù)筒高度的增加，空氣閥內(nèi)流場(chǎng)最大速度先增加后微量的減小，說(shuō)明隨著護(hù)筒高度的增加空氣閥節(jié)流通徑變小。

4 排氣特性分析

根據(jù)GB/T 36523—2018《供水管道復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥》要求排氣閥的排氣量應(yīng)不小于表1所列的數(shù)值。其中DN300空氣閥排氣壓差為35 kPa，排氣量為38 000 m3/h，排氣壓差為70 kPa時(shí)，排氣量為49 400 m3/h。從表2排氣量計(jì)算結(jié)果可得，空氣閥排氣壓差為35 kPa時(shí)，護(hù)筒高度285，380，440 mm均大于排氣量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，偏差量分別為4.3%，3.4%，0.4%；空氣閥排氣壓差為70 kPa時(shí)，護(hù)筒高度285，380，440 mm的偏差分別為14.4%，13.5%，8.1%，滿足規(guī)范要求。

表1 排氣閥排氣量Tab.1 Air displacement of exhaust valve

表2 空氣閥排氣量計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of air displacement of the air valve

從圖10可以看出，當(dāng)護(hù)筒高度從285 mm增加到380 mm時(shí)，雖然隨著護(hù)筒高度的增加，空氣閥排氣量在逐漸降低，但空氣閥排氣量較為接近，變化不大；而護(hù)筒高度從380 mm增加到440 mm時(shí)，空氣閥排氣量變化較為明顯，隨著護(hù)筒高度的增加，排氣量顯著降低。在相同的護(hù)筒高度下，隨著排氣壓差的增大，空氣閥排氣量在逐漸增大，成正比；在相同的排氣壓差下，隨護(hù)筒高度的增加，排氣量逐漸減小，因此護(hù)筒高度不宜過(guò)高。

圖10 空氣閥排氣量隨排氣壓差變化Fig.10 Variation curve of air displacement of the air valve with exhaust pressure difference

排氣流量計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 排氣流量計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of exhaust flow

由表3可知，隨著壓差的增大空氣閥排氣量逐漸增大，在相同護(hù)筒高度下，實(shí)際質(zhì)量流量、理論質(zhì)量流量以及排氣流量系數(shù)都隨著排氣壓差的增加而增加；在相同壓差下的壓力比相同，但實(shí)際質(zhì)量流量、理論質(zhì)量流量以及排氣流量系數(shù)都隨著護(hù)筒高度的增加而減小。

空氣閥浮球升力變化如圖11所示。由圖11可知，空氣閥浮球升力全都為負(fù)值，說(shuō)明力是向下的，排氣壓差為70 kPa時(shí)，空氣閥護(hù)筒高度為285，380，440 mm時(shí)，向下的力分別為312.63，449.7，335.4 N，在相同的排氣壓差下，隨護(hù)筒高度的增加，空氣閥浮球向下的力是先增加后減少的；空氣閥護(hù)筒高度為285 mm時(shí)，在35，70，10 kPa的排氣壓差下，浮球向下的力分別為312.63，675.6，885.6 N，在相同的護(hù)筒高度下，隨著排氣壓差的增大，空氣閥浮球向下的力在逐漸增大，說(shuō)明排氣過(guò)程中浮球不會(huì)上升堵塞排氣孔。在工程實(shí)際應(yīng)用中，隨著氣體的排出，空氣閥內(nèi)液面不斷上升，水對(duì)浮球產(chǎn)生的浮力遠(yuǎn)大于浮球向下的壓力，浮球會(huì)上升堵住排氣孔，防止液體流出，保證空氣閥安全運(yùn)行。

圖11 空氣閥浮球升力隨排氣壓差變化Fig.11 Variation of floating ball lift of the air valve with exhaust pressure difference

5 結(jié)論

（1）空氣閥護(hù)筒高度為285，380，440 mm時(shí)，空氣閥排氣量均大于規(guī)范要求的排氣量，達(dá)到規(guī)范使用標(biāo)準(zhǔn)。

（2）在相同護(hù)筒高度情況下，排氣流量系數(shù)隨著排氣壓力增大而增大，在258 mm護(hù)筒高度，進(jìn)出口壓差100 kPa時(shí)，達(dá)到最大排氣流量系數(shù)0.980；在相同排氣壓差情況下，空氣閥隨護(hù)筒高度的增加，排氣量逐漸減小，在440 mm護(hù)筒高度，進(jìn)出口壓差為35 kPa時(shí)，最小排氣流量系數(shù)為0.868，因此護(hù)筒高度不宜過(guò)高。

（3）空氣閥在排氣過(guò)程中，浮球升力為負(fù)值，方向是向下的，并且排氣差壓越大浮球向下的力越大，空氣閥護(hù)筒高度為285 mm時(shí)，浮球向下的力分別為312.63，675.6，885.6 N，不會(huì)由于浮球的氣動(dòng)力上升，導(dǎo)致堵塞排氣孔，并且隨著氣體排出，水位升高使浮球堵住排氣孔，避免水體流出，確保空氣閥正常運(yùn)行。