水電站大口徑進水球閥流動特性的數值模擬研究

高 慧，唐學林,2，李小芹,2，李長勝

（1.中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083；2.北京市供水管網系統安全與節能工程技術研究中心，北京 100083；3.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽 473000）

水電站大口徑進水球閥流動特性的數值模擬研究

高 慧1，唐學林1,2，李小芹1,2，李長勝3

（1.中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083；2.北京市供水管網系統安全與節能工程技術研究中心，北京 100083；3.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽 473000）

采用FLUENT的動網格和網格自適應技術對水電站大口徑進水球閥關閉過程進行非定常數值模擬，并與不同關閉角度下的定常穩態計算結果進行對比，提出如下結論：（1）相同關閉角度下，關閉過程中的局部損失系數高于穩態過程中的局部損失系數，且局部阻力系數拐點均發生在關閉角度為40毅至50毅之間；（2）分析非定常關閉過程計算中不同關閉角度下的總壓、速度云圖及流線分布，發現當關閉角度大于50毅時，閥瓣與壁面的微小縫隙中逐漸形成一股高速射流，球閥主流道的高速區逐漸斷裂，球冠附近的流速梯度大且壓力梯度非常明顯，XY平面閥體后端的漩渦運動開始加強逐漸形成回流區，介質過球閥時的壓力損失明顯增加；（3）分析非定常關閉過程計算中各監測點速度隨關閉角度的變化情況，發現隨著關閉角度的增加，從閥門進口左下方到閥門出口右上方逐漸形成高速流，所以監測點8的速度最大，而當關閉角度增加到大于50毅時，由于高速區的斷裂，監測點3的速度最大。結論（2）和（3）的內特性分析均揭示了閥體內部高速區的斷裂與其外特性的聯系。

大口徑球閥；非定常；阻力系數

0 引言

目前國內針對大口徑球閥的研究甚少，對于大口徑球閥參與過渡過程調節過程中的動態水力特性的研究更是微乎其微，且進行球閥直徑500 mm以上的實驗研究是非常困難的，所以通過數值模擬研究大口徑球閥在開啟關閉過程中所表現出來的水力特性具有重要意義[1]。

閥門在穩態工況下正常運行是閥門最基本的要求，因此，針對閥門穩態工況下的實驗和數值模擬研究十分重要。劉曄等[2]基于Fluent軟件研究了小口徑球閥的內部流動，模擬結果表明在球閥開度為20°時，與流道軸線垂直的球閥截面上形成一對大小相等、方向相反的旋渦，整個流場以回流為主，隨著球閥開度的增大，旋渦尺寸持續增大；當球閥開度大于70°時，整個流動區域旋渦流動全部消失。馮衛民等[3]研究了小口徑偏心球閥不同開度下的流動特性并得到了閥門固有流量特性、汽蝕特性和壓力恢復系數等曲線，結果表明當偏心球閥相對開度大于0.8時，閥門具有優異的過流特性。Chern[4]等利用PTFV實驗研究了球閥流阻特性和內部流動特性，結果表明球閥的流量系數只與開度有關，而與流速無關；壓力恢復系數在相對開度低于0.8時，同樣只與開度有關；而空化系數卻與開度和流速都有關。Moujaes[6]通過實驗和數值模擬結合的手段發現了阻力系數和流量系數與雷諾數之間的關系。Florescu[7,8]用特定的軟件研究了大口徑球閥不同開啟角度的壓力和流速分布，通過分析漩渦和渦線區導致的能量損失為閥的結構優化設計提供了依據。

當頻繁啟閉閥門時，閥門內部流場的變化嚴重影響閥門使用的可靠性和壽命，因此，國內外學者也逐漸對閥門的動態過程進行了研究。馮衛民[9]分析了大盈江四級水電站2.5 m進水球閥直線關閉、二階段關閉情況下閥前后壓力及機組流量變化情況，發現球閥內部漩渦分布與水擊壓力最大點之間的聯系。張春[10]對高水頭抽水蓄能電站球閥與導葉聯動關閉規律進行了研究，結果表明，球閥采用第一段快速關閉，第二段緩慢關閉的關閉規律能有效削減機組流量和蝸殼壓力的第二峰值。

在閥門動態特性方面，國內外學者大多關注閥門關閉過程中的水錘現象，而很少分析球閥開啟和關閉過程中的外特性和流場內特性分析。因此本文結合某抽水蓄能電站2.7 m進水球閥的工程實際，借助計算流體力學（CFD）進行定常和關閉過程中的非定常數值模擬，研究不同關閉角度下球閥的流動特性，為進一步提高大型進水球閥的安全性提供一定的理論參考和技術依據。

1 幾何模型

本文研究的是DN2700的固定球閥，根據球閥尺寸計算出閥芯轉動范圍為0～82°，利用三維建模軟件PROE對球閥內部流道進行三維實體建模，為了保證來流和閥后流動充分發展，使流動更加接近真實值，將閥前流道延伸至5倍閥門口徑處，閥后流道延伸至10倍閥門口徑處，如圖1為球閥關閉角度為30°情況下的內部流道三維圖，流動方向為x正方向，規定球閥全開時關閉角度為0°，全關時關閉角度為90°。

圖1 球閥關閉角度30°的結構示意圖

2 計算模型

由于球閥流道內的流動為三維不可壓、高雷諾數湍流流動，試驗介質為常溫水，忽略熱傳遞和能量交換，本文采用標準k-著湍流模型對球閥內部流動進行數值模擬，方程[11]如下：

式中ui和uj（i=1，2，3；j=1,2,3）分別表示不同方向的速度分量，m/s；xi和xj（i=1，2，3；j=1，2，3）為笛卡爾坐標分量，m；p為壓強，Pa；籽為密度，kg/m3；t為時間，s。

式中，湍動粘度滋t可以表示為k和ε的函數：

其中。

整個流道采用結構網格，并加密了閥門前后段網格，進行網格無關性驗證后，計算網格總計2647410，圖2為流道的網格圖。

當系統工作穩定，閥門處于某一固定開度下，流經閥門介質的各個參數幾乎不隨時間變化，這時認為閥門工作處于穩態工況。各開度下的穩態和關閉過程中的非定常瞬態數值計算中，進口條件均采用速度入口邊界條件，其中入口速度由實驗數據確定，如圖3所示，出口采用自由出流邊界條件，壁面采用無滑移固體壁面條件，在近壁面采用標準壁面函數。對于非定常計算而言，采用Fluent三維雙精度下的壓力基PISO耦合算法求解方法，時間項采用一階隱格式，壓力離散方法選擇PRESTO，對流離散化采用二階迎風格式，其余空間離散化選擇QUICK格式，采用動網格技術指定球閥閥芯的轉動，其隨時間的運動函數根據實驗工況給出，即球閥在60 s內線性關閉，總計算時間為60 s，時間步長取0.1 s。同時為了較好地模擬壓力梯度較大的區域，在Fluent計算過程中對網格進行了壓力梯度自適應處理。

圖3 流量-關閉角度實驗數據

3 球閥過流系數外特性分析

流體通過閥門時，其流體阻力損失以閥門前后的流體壓力降表示，即有局部阻力系數

式中，吟p為閥門的壓力損失，u為流體在管道內的平均流速，籽為流體的密度。

按照計算方法對數值結果進行了分析，穩態和關閉過程中球閥各關閉角度下的局部損失系數ζ結果如圖4所示。

圖4 局部阻力系數隨關閉角度變化曲線

對比穩態和關閉過程的計算結果，結果表明：相同關閉角度下，關閉過程中的局部損失系數高于穩態過程中的局部損失系數，并且在小關閉角度情況下，球閥具有較小的局部阻力系數，隨著關閉角度的增加，局部阻力系數增加，當球閥關閉角度小于40°時，局部阻力系數變化不明顯，而當球閥關閉角度超過50°時，局部阻力系數陡升，由此可知，局部阻力系數的拐點發生在關閉角度為40°至50°之間。

4 內特性結果和分析

隨著閥芯的運動，球閥內部流道的結構發生改變，無論是流量還是壓差都會產生非常大的改變，這對球閥內的流動產生了較大的影響，會嚴重影響閥門的使用穩定性和壽命，受篇幅的限制，本文只針對關閉過程中若干關閉角度下的球閥對內部流場的影響進行研究。

4.1 不同關閉角度下球閥速度云圖及流線分布

圖5 YZ、XY平面內速度云圖分布

球閥在關閉角度為0°、10°、30°、50°、70°時YZ平面內速度分布云圖及流線分布如圖5中的(a)所示，XY平面內速度分布云圖及流線分布如圖5中的(b)所示，其中XY平面顯示的是x橫坐標取值范圍為（-5,15），速度單位m/s。

模擬結果表明：在不同關閉角度下，XY平面內左上角和右下角由于剪切和誘導作用均產生角渦。球閥關閉角度為10°時，球閥內部已形成了漩渦流動，在與流道軸線垂直的截面上形成的一對大小相等、方向相反的漩渦控制著閥芯的流場，但整體流道并沒有出現漩渦，對流場的順暢影響不大。當球閥關閉角度為30°時，球閥內部的流動仍然由一對方向相反的漩渦控制，XY平面閥體后端的漩渦運動開始加強，但流動仍然比較順暢。當球閥關閉角度為50°時，球閥內部流道的高速區斷裂，具有非常明顯的速度梯度，閥體內部產生多個紊亂的漩渦，XY平面閥體后端的回流區已經顯現。與此同時，球閥的宏觀外特性出現較大改變，其局部損失系數出現拐點，表明球體內部高速區的斷裂與其外特性具有非常密切的聯系。隨著關閉角度的增大，流場內部的漩渦運動進一步加劇，球冠附近的壓力梯度非常明顯，高速區完全分離，閥體后端存在著大尺寸的三維紊流流動。

4.2 不同關閉角度下球閥總壓云圖分析

圖6為球閥在關閉角度為0°、10°、30°、50°、70°時XY平面內總壓分布云圖，單位為Pa。整體壓力+3 280 000 Pa。

圖6 XY平面內壓力云圖分布

從圖6中可以看出，隨著關閉角度的增大，由于過流面積逐漸減小，在閥瓣與壁面的微小縫隙中逐漸形成了一股高速射流，介質流過閥門時的壓力損失明顯增加。造成壓力損失的主要原因是閥道內部產生旋渦、形成紊流的分離回流區；其次是閥道出口處流速分布不均勻、流速梯度大。

4.3 不同關閉角度下球閥流動特性分析

為了定量分析閥門的流動特性，沿著x軸方向在XY平面內閥門前后共設置9個監測點，如圖7所示，且監測點3～7的位置隨著閥門的運動而變化。

圖7 監測點位置示意圖

關閉角度為0°時各監測點的x軸坐標位置如表1所示，不同關閉角度（10°、30°、50°、70°）下的監測點的速度變化曲線如圖8所示。

表1 關閉角度為0°時各監測點的x軸坐標

圖8 不同關閉角度下的監測點速度

從圖8中可以看出，當關閉角度為10°時，各監測點的速度幾乎沒有變化，隨著關閉角度的增大，閥體內流道與管道軸線成一定角度，流體流過閥門時折向上方，在閥門出口右上方逐漸形成高速流，所以當關閉角度為30°時，監測點8的速度最大，而當關閉角度增加到大于50°時，高速區斷裂，壓損增大，所以監測點3的速度最大。從定量的角度揭示了球體內部高速區的斷裂與其外特性的聯系。

5 結論

本文基于標準k-著湍流模型對球閥的內部流場在不同關閉角度下進行了數值計算，研究了穩態和關閉過程中的球閥阻力系數，并從定性和定量的角度重點分析了球閥內部流場的流動特性，得到如下結論：

（1）相同關閉角度下，關閉過程中的局部損失系數高于穩態過程中的局部損失系數，并且在小關閉角度情況下，球閥具有較小的局部阻力系數，隨著關閉角度的增加，局部阻力系數增加，當球閥關閉角度小于40°時，局部阻力系數變化不大，而當球閥關閉角度大于50°時，局部阻力系數陡升，故局部阻力系數的拐點發生在關閉角度為40°至50°之間。

（2）隨著關閉角度的增加，當關閉角度大于50°時，由于過流面積的減小，閥瓣與壁面的微小縫隙中逐漸形成了一股高速射流，球閥主流道的高速區逐漸斷裂，球冠附近的流速梯度大且壓力梯度非常明顯，XY平面閥體后端的漩渦運動開始加強，流動十分紊亂，逐漸形成回流區，介質流過閥門時的能量損失明顯增加。與此同時，球閥在關閉角度為50°時局部損失系數出現拐點，表明閥體內部高速區的斷裂與其外特性具有非常密切的聯系。

（3）隨著關閉角度的增大，從閥門進口左下方到閥門出口右上方逐漸形成高速流，故監測點8的速度最大，而當關閉角度增加到大于50°時，由于高速區的斷裂，監測點3的速度最大，定量的揭示了閥體內部高速區的斷裂與其外特性的聯系。

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TV134

：A

：1672-5387（2017）03-0001-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.001

2017-01-06

國家自然科學基金項目（51479196，51179192，51139007），青年教師創新項目（2016QC085）,新世紀優秀人才支持計劃（NETC-10-0784）。

高 慧（1991-），女，博士研究生，研究方向：泵站水力瞬變過程、單相流/兩相流的計算動力學、流體機械及流體工程。