典型控流調(diào)壓閥后突擴(kuò)體的壓力特性

摘要： 為了研究突擴(kuò)體對控流調(diào)壓閥門的增壓減振作用，以典型控流調(diào)壓閥門（活塞式調(diào)流閥和固定式錐形閥）為研究對象，采用物模試驗(yàn)和三維數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，重點(diǎn)對2類閥門在不同突擴(kuò)體型、閥門開度及空化強(qiáng)度下的閥后流態(tài)及管壁壓力特性進(jìn)行了觀測分析，探究突擴(kuò)比與閥后穩(wěn)定壓力的定量關(guān)系，試驗(yàn)閥門通徑為150 mm，閥門直徑為150～370 mm，突擴(kuò)體長度為1 000 mm.結(jié)果表明，突擴(kuò)體能提升閥后管壁時(shí)均壓力、減弱壓力脈動(dòng)的基本原理是水墊層效應(yīng).綜合物模與數(shù)模試驗(yàn)結(jié)果，擬合得到了突擴(kuò)比與閥后管壁穩(wěn)定時(shí)均壓力的關(guān)系式.突擴(kuò)體可以提升閥門的工作背壓，提升程度隨突擴(kuò)比的增大而漸緩.當(dāng)突擴(kuò)比為4.00時(shí)，閥后管壁穩(wěn)定時(shí)均壓力的增幅已非常平緩，趨于穩(wěn)定.不同閥型試驗(yàn)結(jié)果差異小，說明突擴(kuò)體的增壓減振作用具有普適性.研究結(jié)果可供輸水調(diào)壓工程閥門段管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考借鑒.

關(guān)鍵詞： 控流調(diào)壓閥；突擴(kuò)體；突擴(kuò)比；管壁壓力

中圖分類號(hào)： TV672.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674-8530（2024）10-1011-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0030

王蛟，胡亞安，段金宏，等.典型控流調(diào)壓閥后突擴(kuò)體的壓力特性[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，42（10）：1011-1017.

WANG Jiao， HU Yaan， DUAN Jinhong， et al. Pressure characteristics of sudden expansion pipe behind typical regulating valves[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（10）：1011-1017.（in Chinese）

Pressure characteristics of sudden expansion pipe

behind typical regulating valves

WANG Jiao1*，HU Yaan2，DUAN Jinhong3，ZHOU Jiayu1

（1. Southwest Research Institute for Hydraulic and Water Transport Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400016， China；2. Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing， Jiangsu 210029， China; 3. Chongqing Xike Water Transport Engineering Consulting Co.， Ltd.， Chongqing 400016， China）

Abstract： In order to study the pressurization and deactivation effect of sudden expansion on the valve， the typical valves （plunger valve and fixed cone valve） were taken as the research objects， and a research method combining physical model test and three-dimensional numerical simulation was adopted to observe and analyze the flow pattern as well as the wall pressure characteristics of the two types of valves under different sudden expansion size， valve opening， and cavitation strength. Then the quantitative relationship between the burst expansion ratio and the stable pressure behind the valve was investigated on a test valve diameter of 150 mm， valve diameter of 150-370 mm， and a sudden expansion pipe length of 1 000 mm. The test results show that the sudden expansion can raise the uniform pressure on the wall and weaken the pressure pulsation because sudden expansion will form water cushion. Based on the results of the physical test and numerical simulation， the relationship between the sudden expansion ratio and the time-average pressure on the wall was obtained by fitting. The sudden expansion can increase the working back pressure of the valve， and the promotion is gradually slow with the increase of the sudden expansion ratio. When the sudden expansion ratio is 4.00， the average pressure increase on the wall is very gentle and tends to be stable. The difference between the test results of different valve types is very small， which indicates that the supercharging and damping effect of sudden expansion has universal applicability. The research results can be used as a reference for the design of pipeline systems in the valve section of water conveyance and pressure regulation engineering.

Key words： regulating valve;sudden expansion;sudden expansion ratio;wall pressure

工業(yè)閥門具有精準(zhǔn)控流、便于電氣化集成等優(yōu)點(diǎn)，在控流調(diào)壓管道系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛.但控流調(diào)壓管道系統(tǒng)中閥門的工作條件一般較為惡劣，節(jié)流元件結(jié)構(gòu)突變處常形成負(fù)壓區(qū)，易誘生空化[1-4].強(qiáng)空化在潰滅時(shí)會(huì)侵蝕流道，甚至引發(fā)閥體及管道振動(dòng)[5-6]、聲振等不利現(xiàn)象，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)維.例如，蝶閥在小開度下壓力損失較大且易形成負(fù)壓區(qū)[7]，進(jìn)而誘生空化，甚至引發(fā)門體振動(dòng)和工作噪聲.錐形閥的倒錐體后緣容易形成低壓區(qū)，亦容易導(dǎo)致空化初生[8].景洪水力式升船機(jī)采用了德國VAG公司生產(chǎn)的活塞閥作為輸水系統(tǒng)的控制閥門，試驗(yàn)成果表明，活塞閥控流精確但空化強(qiáng)度大，噪聲尖銳[9].可見，由于工業(yè)閥門的工作壓差高、流速大，閥門空化很難避免，因此采取適當(dāng)?shù)姆揽栈夹g(shù)措施十分必要.

在工業(yè)閥門領(lǐng)域，常見的防空化技術(shù)措施是優(yōu)化閥體流道結(jié)構(gòu).例如球閥通過優(yōu)化閥座型式來提升抗空化性能[10-11]，錐形閥通過設(shè)置閥口環(huán)形孔板[12]或優(yōu)化錐體型式來改善閥錐后緣低壓區(qū)的空化強(qiáng)度[13]，活塞閥通過增設(shè)閥口出流套筒來抑制閥內(nèi)空化[14-15]等，針對特定閥型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以顯著提升其抗空化性能，但該類措施的普適性一般較差.在水工閥門領(lǐng)域，常利用廊道突擴(kuò)體型（頂擴(kuò)+底擴(kuò)）來改善閥門段的抗空化性能[16-17].景洪水力式升船機(jī)借鑒了水工閥門突擴(kuò)體防空化的技術(shù)思想，對輸水系統(tǒng)進(jìn)行了防空化技術(shù)改造，在控制閥門（活塞閥）后增設(shè)突擴(kuò)體，使閥門段的空化強(qiáng)度得到了明顯改善，閥后流道的時(shí)均壓力有所提升，壓力脈動(dòng)顯著下降[18].可見，利用突擴(kuò)體來改善閥門空化性能對工業(yè)閥門同樣適用，但由于工業(yè)閥門一般采用等管徑輸水管道，已有的對閥后突擴(kuò)體的相關(guān)研究較少，突擴(kuò)體對閥門段壓力特性的影響規(guī)律尚不清楚.

由于綜合性能較優(yōu)，活塞式調(diào)流閥與固定式錐形閥已在控流調(diào)壓管道系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[19].文中針對這2種典型控流調(diào)壓閥門，通過物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，深入研究閥后突擴(kuò)管道的壓力特性，綜合分析閥型、閥后流態(tài)等因素對突擴(kuò)體管壁壓力特性的影響規(guī)律，通過擬合得到突擴(kuò)比與閥后管壁時(shí)均壓力的關(guān)系式，以期為相關(guān)工程提供參考.

1 模型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

1.1 物理模型設(shè)計(jì)

文中物理模型試驗(yàn)裝置如圖1所示，該裝置主要由離心泵、調(diào)節(jié)閥、穩(wěn)壓箱、試驗(yàn)段（試驗(yàn)閥門和透明玻璃管道）以及循環(huán)水庫等組成.試驗(yàn)過程中，離心泵和循環(huán)水庫作為供水供壓系統(tǒng)，與調(diào)節(jié)閥和穩(wěn)壓箱一同為試驗(yàn)提供穩(wěn)定的試驗(yàn)條件，流量、壓力通過電磁流量計(jì)和電子壓力表監(jiān)測；為保證試驗(yàn)安全，增設(shè)了防爆泄壓閥；試驗(yàn)突擴(kuò)體采用有機(jī)玻璃材質(zhì)，便于觀察閥后水流流態(tài)及空化形態(tài)，突擴(kuò)體管壁沿程安裝數(shù)個(gè)高精度壓力傳感器，配合水力學(xué)分析系統(tǒng)，可研究管壁沿程壓力特性；空化噪聲特性則利用水聽器監(jiān)測，配合空化噪聲采集及分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理.

物模試驗(yàn)對象包含2種工業(yè)閥門：一是活塞式調(diào)流閥，二是固定式錐形閥.閥門照片如圖2所示.

研究定制了3種不同突擴(kuò)比的圓形突擴(kuò)管道，圖3為突擴(kuò)體示意圖.

突擴(kuò)比R的定義為

R=AeA，（1）

式中：Ae為突擴(kuò)管道斷面面積;A為閥門出口斷面面積.

1.2 三維數(shù)模及驗(yàn)證

1.2.1 湍流模型

考慮到模擬范圍內(nèi)，紊動(dòng)射流對突擴(kuò)體邊壁的沖擊會(huì)形成明顯的回流、渦旋，因此采用可以模擬平均流動(dòng)中的旋渦流、分離流等復(fù)雜流動(dòng)的RNG k-ε模型作為計(jì)算模型.RNG k-ε模型是在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基礎(chǔ)上，對ε方程進(jìn)行了改進(jìn)，增加了附加項(xiàng)Rε，可提高快速應(yīng)變流的計(jì)算精度.

k方程為

（ρk）t+（ρkui）xi=xjαkμeffkxj+Gk+ρε，（2）

ε方程為

（ρε）t+（ρεui）xi=xjαkμeffkxj+

C1εεkGk-C2ερε2k-Rε，（3）

式中：ρ為流體密度；k為湍動(dòng)能；t為時(shí)間；ui為速度矢量；xi，xj為空間坐標(biāo)；Gk為平均流速梯度引起的湍流動(dòng)能；ε為湍動(dòng)能耗散項(xiàng)；μeff為有效黏性系數(shù)； αk為k有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；C1ε，C2ε為常數(shù)，取值分別為1.42和1.68.

Rε=Cμρη31（1-η1/η0）1+Ψη31ε2k，（4）

式中：η1=kε2（Jij·Jij），其中Jij為轉(zhuǎn)動(dòng)速度張量，Jij=12uixj+ujxi；η0，Ψ，Cμ為常數(shù)，取值分別為4.377，0.012和0.0845.

1.2.2 三維模型及網(wǎng)格劃分

三維數(shù)學(xué)模型主要包括閥前整流段、試驗(yàn)閥門、圓形突擴(kuò)體以及出流段.為更準(zhǔn)確地模擬突擴(kuò)管道內(nèi)部的水力特性，閥前整流段和出流段均取10倍閥門通徑長度，以穩(wěn)定進(jìn)出口邊界條件.以突擴(kuò)比4.00為例，三維數(shù)模示意圖如圖4所示.

數(shù)學(xué)模型采用混合網(wǎng)格劃分方法，嘗試多種網(wǎng)格尺度，進(jìn)行網(wǎng)格有效性分析.隨閥口區(qū)域網(wǎng)格的不斷加密，閥門流量系數(shù)不斷增大，當(dāng)劃分尺度≤5 mm時(shí)，流量系數(shù)基本穩(wěn)定，表明模型在該劃分尺度下，網(wǎng)格對計(jì)算結(jié)果不會(huì)再造成明顯影響，即劃分尺度合理.網(wǎng)格的最終劃分尺度：整體采用10 mm，過渡段采用5 mm，閥口等流速梯度較大區(qū)域采用2 mm.網(wǎng)格劃分如圖5所示.

1.2.3 模型驗(yàn)證

通過對比閥后圓形突擴(kuò)管道的管壁壓力來驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的可靠性，壓力測點(diǎn)與物模試驗(yàn)測點(diǎn)保持一致，如圖6所示，對比結(jié)果如表1所示，表中p′1和p′2分別為閥門前、后的穩(wěn)定壓力.可見，在不同背壓及壓差下，數(shù)學(xué)模型的計(jì)算值Sv與試驗(yàn)值Ev的偏差Cv基本在5%以內(nèi)，滿足試驗(yàn)?zāi)M精度要求.

1.3 試驗(yàn)工況

文中數(shù)值模擬作為物模試驗(yàn)的輔助手段，進(jìn)行擴(kuò)展計(jì)算.具體試驗(yàn)工況如表2所示.閥門通徑a為150 mm，閥門直徑Rv為150～370 mm，突擴(kuò)體長度L為1 000 mm.試驗(yàn)過程中，重點(diǎn)對2類閥門在不同突擴(kuò)體體型、開度及空化強(qiáng)度下的閥后流態(tài)及管壁壓力特性進(jìn)行了觀測分析.

2 成果分析

2.1 閥后流態(tài)

由圖6不同突擴(kuò)體條件下的閥后典型流態(tài)可見，不同閥型閥后水流流態(tài)具有較大差異.活塞閥出流會(huì)形成扭繩型渦帶，渦帶圍繞管道中心旋轉(zhuǎn)形成旋渦流；錐形閥在導(dǎo)流罩的整流作用下出流則較為均勻，未見明顯不良流態(tài).突擴(kuò)體的突擴(kuò)比不同造成的影響體現(xiàn)在：R=1.00時(shí)，可見霧狀空化云布滿全管，空泡潰滅時(shí)直接作用于管壁而形成空蝕破壞；R=2.15時(shí)，空化射流與管壁間將形成不穩(wěn)定水墊層；R=4.00時(shí)，空化射流與管壁間已形成穩(wěn)定的水墊層，空泡潰滅對管壁的沖擊將得到緩沖.但相對而言，突擴(kuò)體形成的水墊層效應(yīng)對錐形閥的作用更明顯，這從閥后的空化流態(tài)中可以看出，主要是因?yàn)榛钊y出流為旋渦流，渦帶會(huì)隨突擴(kuò)體的增大而增大，更難形成穩(wěn)定的水墊層；而錐形閥則近乎為等斷面出流，空化射流沿管軸擴(kuò)散，增大的突擴(kuò)體斷面將形成穩(wěn)定的水墊層.

2.2 突擴(kuò)體管壁壓力特性

管壁壓力特性參數(shù)主要包含時(shí)均壓力pav和脈動(dòng)壓力prms.時(shí)均壓力表征閥后管壁的相對靜壓大小，從防空化角度而言，閥后管壁時(shí)均壓力越高越有利于抑制空化；脈動(dòng)壓力表征壓力的脈動(dòng)強(qiáng)弱，其值越小越有利于管道安全.試驗(yàn)過程中，保持上游壓力p上和下游壓力p下不變，待壓力穩(wěn)定后采集一段時(shí)間，然后按下式計(jì)算時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力.為了便于分析規(guī)律，可以對時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力進(jìn)行量綱一化處理.

pav=1N∑Ni=1pi，（5）

prms=∑Ni=1（pi-pav）2N-1，（6）

p′rms=prms/（0.5ρu2），（7）

p′av=（pav-p下）/（0.5ρu2），（8）

式中：pi為測點(diǎn)瞬時(shí)壓力；i為具體采樣樣本；N為樣本總數(shù)；p′av為時(shí)均壓力量綱一值；p′rms為脈動(dòng)壓力量綱一值；u為斷面平均流速.

為了便于分析，在每個(gè)突擴(kuò)體沿程相同位置布設(shè)了4個(gè)壓力觀測點(diǎn)，如圖7所示，水流方向從左到右.

2.2.1 開度對突擴(kuò)體管壁壓力特性的影響

圖8為不同開度n下典型工況閥后突擴(kuò)段的管壁壓力量綱一值，以“活塞閥+R=2.15突擴(kuò)體”為例.L/a為突擴(kuò)體長度與閥門通徑的比值.對比沿程時(shí)均壓力特性可知，不同開度下，閥后沿程時(shí)均壓力的分布情況在不斷改變，說明閥后流場結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，但隨開度的增大，整體管壁時(shí)均壓力不斷回升.對比壓力脈動(dòng)特性可知：閥門脈動(dòng)壓力沿程的分布規(guī)律類似，在閥口附近最大，而后逐步減小.無論是時(shí)均壓力還是脈動(dòng)壓力，當(dāng)開度≥0.3以后，壓力特征值的變幅明顯減小，分布規(guī)律也基本穩(wěn)定，說明開度增大后，閥后流態(tài)已逐步趨于穩(wěn)定.

2.2.2 閥型對突擴(kuò)體管壁壓力特性的影響

由前文分析可知，閥門在大開度條件下，突擴(kuò)體管壁壓力特性將趨于穩(wěn)定，相對而言，1#測點(diǎn)距離閥口最近，脈動(dòng)壓力最強(qiáng)，4#測點(diǎn)壓力最穩(wěn)定，趨于下游穩(wěn)定壓力.圖9為不同突擴(kuò)比條件下，2類閥門在典型工況下的突擴(kuò)體管壁壓力特性.物模試驗(yàn)成果表明，與活塞閥相比，錐形閥脈動(dòng)壓力的變化幅度較小，活塞閥在等管徑條件下的脈動(dòng)壓力明顯更大，說明活塞閥的旋渦流態(tài)對閥后管道的沖擊更強(qiáng)，但當(dāng)突擴(kuò)比增至4.00時(shí)，2類閥門的脈動(dòng)壓力基本降至同一水平，結(jié)合突擴(kuò)比從2.15增至4.00時(shí)脈動(dòng)壓力的降幅明顯下降現(xiàn)象，說明突擴(kuò)比為4.00時(shí)，突擴(kuò)體對閥門的減振作用已趨于穩(wěn)定.對比2類閥門在不同突擴(kuò)比下的時(shí)均壓力可知，隨突擴(kuò)比的增大，突擴(kuò)體管壁的時(shí)均壓力在不斷增加，但增幅有所減緩，且2類閥門的時(shí)均壓力量綱一特征值較為接近，說明突擴(kuò)體對閥門的增壓作用具有普適性.

2.2.3 突擴(kuò)比對突擴(kuò)體管壁壓力特性的影響

由于物模試驗(yàn)突擴(kuò)體型有限，為了更充分地研究突擴(kuò)體對閥門段時(shí)均壓力的增壓作用，進(jìn)一步利用三維數(shù)學(xué)模型對不同突擴(kuò)比下的閥門段時(shí)均壓力特性進(jìn)行了計(jì)算分析.數(shù)模閥門開度選擇全開，以4#測點(diǎn)的管壁時(shí)均壓力作為分析對象.圖10為物模與數(shù)模突擴(kuò)體管壁時(shí)均壓力的對比圖.

由圖10可見，數(shù)值模擬結(jié)果與物模試驗(yàn)成果吻合度較好.隨突擴(kuò)比的增大，時(shí)均壓力不斷增大，但增幅不斷減小，R=4.00時(shí)，時(shí)均壓力的增幅已非常平緩.由閥門段阻力系數(shù)隨突擴(kuò)比的變化規(guī)律可知，閥后管壁壓力的增幅與阻力系數(shù)的變化相似，說明突擴(kuò)管道的增壓效果主要與突擴(kuò)管道的阻力變化有關(guān).隨突擴(kuò)比的增大，其阻力系數(shù)增幅不斷降低，因此閥后管壁壓力的增幅也不斷減小，趨于穩(wěn)定.據(jù)此可以擬合得到閥后管壁穩(wěn)定時(shí)均壓力與突擴(kuò)比的關(guān)系式為

pav=p下+0.5ρv2（1.325-6.188e-1.542R）.（9）

3 結(jié) 論

1） 閥后流態(tài)分析表明，突擴(kuò)體具有增壓減振作用的主要原因之一是突擴(kuò)體形成了水墊層效應(yīng)，增加了管壁時(shí)均壓力，減弱了主流脈動(dòng)強(qiáng)度.不同閥型出流流態(tài)有差異，活塞閥出流均勻性較差，會(huì)形成扭繩型渦帶.錐形閥在導(dǎo)流罩的整流作用下，出流較為均勻.

2） 對比時(shí)均壓力可知，隨開度增大，活塞閥閥后時(shí)均壓力的分布特性在不斷改變，說明活塞閥閥后流場結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定；錐形閥閥后時(shí)均壓力分布則較為穩(wěn)定，不同開度下的區(qū)別較小.對比脈動(dòng)壓力可知，2類閥門脈動(dòng)壓力沿程的分布規(guī)律類似，在閥口附近最大，而后逐步減小.但無論是時(shí)均壓力還是脈動(dòng)壓力，當(dāng)開度≥0.3以后，壓力特征值的變幅均明顯減小，分布規(guī)律也趨于穩(wěn)定.

3） 物模試驗(yàn)成果表明，與活塞閥相比，錐形閥脈動(dòng)壓力的幅度較小，但當(dāng)突擴(kuò)比增至4.00時(shí)，2類閥門的脈動(dòng)壓力降至同一水平，結(jié)合突擴(kuò)比從2.15增至4.00時(shí)脈動(dòng)壓力的降幅明顯下降的現(xiàn)象，說明突擴(kuò)比為4.00時(shí)，突擴(kuò)體對閥門的減振作用已趨于穩(wěn)定.對比2類閥門的時(shí)均壓力可知，隨突擴(kuò)比的增大，突擴(kuò)體管壁的時(shí)均壓力不斷增加，但增幅減緩，且2類閥門的時(shí)均壓力量綱一特征值較為接近，說明突擴(kuò)體對閥門的增壓作用具有普適性.

4） 基于物模試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果，擬合得到了突擴(kuò)比與閥后管壁穩(wěn)定時(shí)均壓力的擬合關(guān)系式，當(dāng)突擴(kuò)比為4.00時(shí)，閥后管壁時(shí)均壓力的增幅已趨于穩(wěn)定，即控流調(diào)壓閥后突擴(kuò)體的突擴(kuò)比選為4.00較優(yōu)，進(jìn)一步增大突擴(kuò)比會(huì)明顯增加工程投資，但對閥門的增益漸微.

文中研究對象為單閥門及閥后圓形突擴(kuò)體，在復(fù)雜輸水管道系統(tǒng)中，常有多閥匯流情況，此時(shí)閥門的空間組合型式、閥后突擴(kuò)體的型式（圓形、矩形或異形）對壓力特性的影響均有待進(jìn)一步深入研究.

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（責(zé)任編輯 朱漪云）