消能錐形閥過流狀態研究與優化

秦武+李志鵬+喻哲欽+童成彪+巨偉

摘要：消能錐形閥是一種用于中、高水頭下的消能控流閥門，其內部結構設計的好壞直接影響著控流效果。為探究消能錐形閥在不同開度下，過流流量及內部流場的變化情況。進行了模型試驗與CFD數值模擬計算，試驗中發現開度從100%關至85%時出現了流量反而上升、進口壓力下降的情況。利用CFD數值模擬的方法對內部流場進行了可視化研究。研究結果表明，在全開狀態下錐形閥內部存在以下問題：過強的局部高速高壓區域、低速流動死區范圍過大、渦流區過度影響高速過流部分。并對錐形閥進行了一定的結構改進，優化了其內部流場情況。

關鍵詞：錐形閥；試驗；CFD；開度；過流能力；內部結構；優化設計

中圖分類號：TV131.4文獻標志碼：A文章編號：1672-1683（2017）01-0193-06

Abstract：Energy dissipating fixed cone valve is used under medium or high water head，and the design of its internal structure directly affects its flow control efficiency.To study the changes of the valve′s internal flow field and flow rate when the closed switch is opened to varied degrees，the writer conducted model tests and CFD numerical simulation computation，and found that when the switch was turned down from 100% open to 85% open，the flow rate increased and pressure around the inlet dropped.The writer also conducted visualization research on the valve′s internal flow field through CFD numerical simulation，and the results showed the following problems inside the valve when the switch was fully open：excessively high speed and high pressure in partial areas，extensive low-flow stagnation areas，excess impact of eddy area on the high-speed flow area.Finally，the writer optimized the valve′s structure and its internal flow field.

Key words：fixed cone valve；test；CFD；opening degree；flow capacity；internal structure；optimal design

泄水消能建筑是水利水電工程建設中的重要組成部分。在水利水電工程中，泄水消能建筑的建設成本達到了總建設成本的三成以上[1]， 所以優化泄水消能設備使其在相同的條件下達到更好的使用效果具有重要的工程應用價值。消能錐形閥一般應用于較高水頭、大流量下的消能控流工作，其內部流場較為復雜，通過內部消能結構促生高速流撞擊、漩渦、摩擦、擴散等現象，以此將過大的出流能量轉化消除[2-3]。魏文禮等人研究并提出了利用嵌套式結構提高錐形閥的消能效果[4-5]。Dallin Stephens，Michael C.Johnson等人為提高錐形閥的性能效果，創新地在錐形閥內部增加了金屬罩部件。 [6-7]。李穎，楊東升在對內流式錐形閥的流場情況進行了仿真計算，并對結構進行了優化[8-9]。鄭淑娟等人對錐形閥內部流場進行了預測得到了更精確的液動力計算公式[10-12]。Ji Kang Bo在應用研究中驗證了流固耦合的多學科聯合優化設計在錐形閥領域的可行性[13]。國外科研團隊則通過大量的試驗研究認為消能錐形閥可以對高水頭出流達到70%以上的消能效果[14-15]。蘭州理工大學閔為等人利用流固耦合的模擬方法得出合理選取半錐角度可以改善錐形閥的穩定性、優化出流條件[16-17]。Jalal M.Jalil等對錐形閥數值研究和試驗進行了聯合研究，對閥芯位置、渦流半徑及強度等對錐形閥整體性能影響進行了探討[18]。Kelly Roes則通過研究認為消能錐形閥內部結構尺寸與部件的選擇設計對消能錐形閥的整體消能效果起到關鍵作用[19]。

消能錐形閥除了消減上游過大水頭能量外還擔負著一定的流量調節作用。文本目的在于探究不同開度下消能錐形閥過流流量、進出口壓力及內部流場的變化情況；并嘗試對其進行優化改進。研究中，先進行不同開度下的錐形閥模型試驗。再利用CFD數值模擬的手段進一步對內部流場進行分析，并根據分析結果對錐形閥進行一定的優化改進。

1 錐形閥模型試驗

1.1 試驗模型與裝置

本次試驗模型以某大型閥門企業提供的消能錐形閥為原型制作。根據試驗條件對原型進行一定比例的縮小處理。原型錐形閥進口直徑為2.5 m，縮小模型的幾何比例尺為30。本次搭建了完整的水力工程試驗臺進行試驗工作，使模型與原型滿足弗勞德數相似，其模型流速比例尺為5.48，流量比例尺為4 929.50。

圖1為消能錐形閥模型內部結構情況，為了更清楚地表示錐形閥開度定位情況，錐形閥內部只繪制出錐形閥芯與啟閉套筒。該消能錐形閥通過啟閉套筒在水平方向的前后移動來改變開度的大小。圖1L中是啟閉套筒最大開啟行程，L1是當前位置的開啟行程。當套筒關閉至與錐形閥芯相貼合時，達到對過流的完全截止，即L1=0；同時，啟閉套筒也可開啟至最大行程開度，即L1=L。并將消能錐形閥的行程開度定義為K=L1/L×100%。

試驗模型采用高強度的有機玻璃材料制作，以更好的觀察錐形閥內部的流動情況。在試驗裝置本上，次試驗采用高位供水水箱提供穩定的恒壓進流。在錐形閥前后連接了測壓管測量其進出口壓力值的大小。并在試驗裝置出流水槽處設置了量水三角堰。模型試驗裝置見圖2。

壓力降低的反常現象。故認為該錐形閥存在有全開狀態下過流能力不佳的問題，且該變化趨勢在實際應用中將對壓力流量的調節產生不利影響。為了探究該現象發生的原因并優化消能錐形閥的過流條件。在后續研究中采用CFD數值模擬的方法對不同開度下錐形閥內部流場進行了相同工況條件下的數值模擬分析。

2 數值模擬分析

2.1 三維建模

本次采用Pro/E軟件進行錐形閥三維模型的建立。三維建模是為CFD流體計算提供幾何計算域，為了保證模擬與試驗的一致性，三維建模尺寸采用與試驗模型相同比例尺進行縮小。本次研究的消能錐形閥，內部部件包括：錐形閥芯、環形孔套、啟閉套筒。建模過程中先建立錐形閥整體流道的幾何模型。再分別建立啟閉套筒、閥芯、孔套等內部結構，通過模型切除的操作從整體流道中切除為非流通壁面區域的內部部件，即得到所需要的三維計算域。

2.2 網格劃分與參數設置

網格劃分是CFD模擬計算中質量要求最嚴格的一步，所建網格質量的好壞將直接關系到是否能夠得到準確的收斂結果。本次研究采用ANSYS軟件組中的ICEM軟件進行網格劃分。由于錐形閥內部結構復雜，故采用幾何適應性更好的非結構化網格進行劃分。同時，為了更好的體現錐形閥內部幾何結構，計算網格尺寸設定為0.19。全開狀態下模型網格數量為1150萬，小開度下模型網格數量略微減少，40%開度下網格數量為1 000萬。經網格檢查其質量均在0.35以上，符合本次研究的計算精度要求。消能錐形閥三維內部結構及網格劃分情況見圖4。

完成網格劃分后，在CFX軟件中進行模擬計算及計算結果的后處理分析。CFX同屬于ANSYS軟件組，具有計算精度高、收斂效果好及計算速度快等優點。模擬參數設置的關鍵在于確定合適的邊界條件進行數值計算。本次模擬采用收斂效果較好的進口速度與出口壓力來進行設置，內部套筒、閥芯及孔套等結構則設置為非流通的wall邊界。完成設置后進行迭代計算，均在500步以內得到收斂結果。

2.3 模擬結果及誤差分析

本次模擬采用速度進口和壓力出口邊界設置，進口壓力是模擬關鍵的結果值，故可以通過對比分析數值模擬與模型試驗中進口壓力值，進行模擬計算精度的驗證。表2為模擬精度驗證結果，試驗與模型進口壓力對比見圖5。

從驗證結果可以看出，在較大開度下數值模擬具有很高的精度，70%以上開度誤差小于5%，在55%和40%的小開度下誤差上升到5%左右。從折線圖看，模擬隨開度改變壓力變化的趨勢與試驗一致。通過對CFD模擬與模型試驗方法、過程進行分析，得出可能造成誤差的原因有以下幾點：

首先，在小開度下由于流道對過流更強的阻礙作用，造成內部流場的進一步復雜化，對數值模擬的準確計算造成了困難。其次，試驗模型在加工制造上難免會與理想模型存在誤差。其三，試驗與模擬本身均存在難以避免的誤差。例如在試驗中實驗儀器與試驗人員觀察計量上存在不可避免的誤差；同時CFD數值模擬作為一種計算機仿真手段也難以對真實情況實現百分百準確的模擬。

綜上分析，由于本次研究的目的在于探究100%至85%開度時流量壓力的反常變化原因，且試驗與模擬在100%、85%、75%三個開度下均只有較小的誤差。同時，從整體來看模擬所得結果變化趨勢也與試驗一致，故認為該次模擬結果具有良好的研究可靠性。

3 分析與優化建議

3.1 模擬結果分析

研究為探究流量壓力曲線出現反常變化的原因，對100%、85%、70%三個開度下內部流場的CFD模擬結果進行對比分析。重點分析錐形閥內部壓力和速度分布及流線變化情況，CFD模擬計算結果見圖6，其中182 cm水頭與133 cm水頭工況下的壓力、流線分布變化相似，故文中只給出182 cm水頭工況組模擬圖。

分析得出以下幾點結論。

（1）消能錐形閥各開度下內部壓力分布趨勢基本一致。由于過流流道的突然改變使得在閥芯頭部及錐形形變處出現高壓區域。但是85%開度時錐形閥內部最高壓力均小于100%及70%開度，認為錐形閥內部結構在85%時對過流流態的影響更小。

（2）消能錐形閥各開度下速度分布趨勢基本一致。流場在流道收縮處出現了局部的高速現象，流速的突變以及高速流的撞擊將影響整體流動狀態。可以看出在85%開度時錐形閥內部最大速度均小于100%及70%開度，認為85%開度時實際的流通狀態更好。

（3）消能錐形閥大致流線變化情況相似。可以發現在閥芯后側和周側出現了幾處渦旋區域，且伴隨有流速極低的流動死區，這都將對流體的通過性能產生影響。并可看出100%與70%開度時，旋流與低速流動死區范圍更大，其對流道中部高速流動區域的通過性將產生更大阻礙作用。

3.2 錐形閥優化建議

在錐形閥試驗與模擬研究中，均出現100%至85%開度下出現了反常的流量上升和閥前壓力下降現象。這在實際工程應用中將對流量的控制調節產生不利影響。故研究團隊根據錐形閥設計經驗及模擬分析結果對該類型消能錐形閥進行了一定的內部結構優化，在環形孔套后部增加了錐形孔套部件以改善其內部流場情況。

為驗證優化后模型是否改善了在全開狀態下的內部流場情況，對改進后模型進行了相同工況下的CFD數值模擬計算，并以之與優化前模型模擬結果進行對比分析。模擬邊界條件采用與優化前模型相同的進口速度與出口壓力進行設置。從模擬結果可以看出，優化后模型有效的降低了局部最大壓力；同時減小了閥芯后側渦旋區域與流動死區的范圍，使影響較大的大面積渦旋區域轉化為面積和影響較小的多個小渦旋區域，降低了其對高速過流的阻礙作用。模擬對比分析結果見表3與圖7，模擬結果同樣以182cm水頭工況為例。

4 結論

本次為探究消能錐形閥在不同開度下過流流量及內部流場的變化情況。進行了水力模型試驗和CFD數值模擬計算。試驗中發現開度從100%關至85%時出現過流流量上升和進口壓力下降的變化情況，這在實際工程應用中將對過流調節產生不利影響。故利用CFD數值模擬的方法對不同開度下內部流場進行了數值模擬分析，分析結果認為在全開開度下錐形閥內部流場存在以下問題：過強的局部高壓高速區域、低速流動死區過大、渦流區過度影響高速過流部分。并對錐形閥進行了一定的結構改進，降低了最高壓力、最大流速，減小了流動死區及渦流區對過流能力的影響，優化了其內部流場情況。

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