基于水擊防護的球閥關閉規律研究

彭利坤， 屈 鐸， 許文奇， 陳 佳

(海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033)

大型艦船、潛艇上常設有縱傾均衡調水系統以調節艦船首尾平衡，其管系中的電液球閥啟閉規律無法進行精確控制，而輸水過程中球閥突然關閉時會產生劇烈的水擊現象[1]，不僅導致管系的振動噪聲，甚至可能造成管路破裂、閥門等設備損壞。

針對突然關閥、停泵等引起的流體管路水擊問題，王福軍等采用基于特征線法的熱流體仿真平臺Flowmaster對某泵站進行水力過渡過程計算，并對泵后閥門關閉規律和空氣閥布置方案進行優化[2]；由于特征線法難以考慮管道空間效應等局限性[3]，CFD(Computational Fluid Dynamics)逐漸被應用于水擊壓強計算[4-5]。Nikpour等[6]采用標準k-ε湍流模型模擬水擊現象，得到了與實驗數據基本一致的結果。張飛等[7]采用短時傅里葉變換方法，研究了水泵水輪發電機組球閥動水關閉前、后及過程中機組及球閥的主要頻率成分變化情況。對于典型的球閥控制流體管路系統，因艦船空間狹小，單相調壓水箱、蓄能器等傳統的水擊防護措施不易在艦船上實施，蔡標華[8]采用AMEsim對艦船首尾移水系統進行仿真與實驗分析，認為延長球閥關閉時長能有效抑制水擊；郭蘭蘭等[9-10]采用FLUENT滑移網格技術對球閥關閉水擊壓強進行計算，認為相比勻速、勻加速關閥方式，無閥腔球閥模型的勻減速關閥方式對水擊現象的抑制效果較好。在液壓泵站過渡過程中常采用兩階段關閉液壓閥進行水擊防護，并取得了較好的效果[11]。然而，對于球閥控制流體管路的水擊防護，僅有“快開(閥)慢關(閥)”、“先快后慢關閥”[12]等定性分析，尤其是兩階段線性關閥具體控制規律的水擊防護研究尚未見報道。因此，以艦船均衡調水系統為原型，搭建了具有雙向調水功能的實驗系統，通過CFD數值模擬與實驗研究相結合的方法，重點分析了先快后慢的兩階段線性關閥的水擊防護效果，對球閥關閉規律進行優化，以期為球閥關閉時低噪聲控制提供指導。

1 CFD水擊壓強計算

1.1 實驗系統簡介

實驗系統原理如圖1所示，通過控制空氣瓶內壓縮空氣的壓力來控制調水的速度；通過控制空氣瓶內空氣的輸送方向實現雙向調水；其中管路1、管路2分別安裝數字步進球閥Va(最快啟閉時間3 s，即啟閉最大速度30 °/s)、電液球閥Vb(啟閉時間約0.5 s)。根據相似性原理和實驗室具體情況搭建的實驗系統臺架如圖2所示。

圖1 實驗系統原理示意圖Fig.1 Schematic of experimental system

圖2 實驗系統整體實物圖Fig.2 Physical map of experimental system

實驗系統中的數字球閥和電液球閥僅驅動裝置不同，與流場接觸的內部結構基本相同，如圖3所示，閥芯外壁與閥體內壁構成了閥腔。

1.2 數值模擬方法

由球閥閥芯球體、閥腔、閥芯通道的幾何關系，構建球閥一定開度下時的剖面與閥口投影示意圖如圖4所示，推導得到球閥流通面積A與開度θ的關系

(1)

1-左閥體；2-閥芯；3-右閥體；4-閥腔；5-密封圈；6-進口管道；7-閥芯通道；8-出口管道

(a)

(b)圖4 球閥剖面與閥口投影示意圖Fig.4 Cutaway view and projection drawing of valve

根據實驗系統實際管長，取閥前管長l1、閥后管長l2建立球閥全開時的流場幾何模型，同時針對球閥結構與運動特點，將整個流域分為進口管路、閥芯通道、閥腔和出口管路四部分建模。采用結構化網格對模型進行網格劃分。

首先對網格模型進行了網格無關性模擬。針對0.5 s時長單線性勻速關閥工況，在20萬網格的基礎上，每次增加2萬網格對其進行仿真，結果發現，當網格增加到約28萬時，其最大水擊壓強的計算結果與網格約為26.2萬的計算結果相差僅為0.3%，所以采用約26.2萬的網格模型。該模型網格質量在0.3以上，并對運動邊界進行了適當加密，其網格如圖5所示。

根據調水系統的工況，調水時兩端水箱的壓差為4 bar，其中一端與空氣瓶連通，而另一端連通大氣，因此，設置參考壓力為1 bar，進口設置為總壓4 bar的壓力進口；出口設置為0 bar的壓力出口。采用FLUENT滑移網格技術和標準k-ε湍流模型模擬球閥關閉瞬態過程，同時定義交界面以便各流域進行數據交換，并通過UDF(User Defined Function)實現對閥芯運動規律的精確控制。

(a)閥芯通道及進出口管路

(b)閥腔圖5 幾何模型網格Fig.5 Mesh of geometrical model

球閥由全開到完全閉合是一個動態過程，管道中流體為非穩態湍流流動，其連續性方程和動量方程為

(2)

(3)

CFD計算時采用標準k-ε湍流模型來使上述方程封閉。

1.3 數值計算結果與實驗數據對比

根據實驗系統特性對模型各參數選取如表1所示。

表1 模型參數Tab.1 Parameters of model

對球閥關閉過程進行瞬態數值模擬，監測閥前截面的平均壓力，也即水擊壓強。研究水擊問題需考慮水的可壓縮性，根據流體體積模量表達式(4)[13]、流體密度ρ的表達式(5)及水擊波波速c的表達式(6)，在Fluent中采用UDF定義三者之間的聯系以考慮水的可壓縮性。

(4)

(5)

(6)

式中:K為水的體積模量;V為水的體積；p為壓強。

以0.5 s時長勻速關閉電液球閥工況的水擊壓強數值計算結果與實驗結果對比如圖6所示。

圖6 水擊壓強計算值與電液球閥實驗值對比Fig.6 Water hammer pressure of experiment and simulation

從圖6中可知，實驗得到的最大水擊壓強為7.31 bar，計算所得的最大水擊壓強為7.722 bar，就最大水擊壓強而言，計算值與實驗值誤差為5.64%。仿真采用單線性勻速關閥；實驗中電液球閥動作是電磁閥打開、液壓推動閥芯旋轉關閉的，加速階段很短，可近似看作勻速關閥。實驗和數值模擬中關閥規律上存在的這點不同是造成誤差的主要原因之一。數值模擬的水擊壓強在閥門完全關閉后先上下波動，最后穩定在4 bar，這與實驗結果吻合較好，說明考慮水的可壓縮性進行關閥水擊現象的數值模擬是可行的。

1.4 CFD計算結果分析

對于實驗系統中的球閥，由式(1)可知，當閥芯由全開旋轉80°時，球閥恰好完全關閉。對實驗系統球閥管路模型在有效關閥時長內采用先快后慢的兩階段線性關閥進行CFD數值仿真，且本節中數值模擬的所有工況中整個關閥(球閥閥芯從全開旋轉90°)時長均采用0.5 s。其中，“以270 °/s速度快關43.75%”工況的球閥模型縱截面各時刻的壓力云圖和速度云圖分別如圖7、圖8所示。從圖7和圖8中可以看出，球閥閥芯在由全開到關閉的過程中，由于閥芯的節流作用，流速發生了劇烈的變化，造成了嚴重的壓力損失，而且進口管道和出口管道的壓差會隨著球閥的關閉而增大。

(a)0.4 s

(b)0.5 s

(c)0.6 s

(d)0.7 s圖7 各時刻壓力云圖Fig.7 Pressure contour at different time

(a)0.4 s

(b)0.5 s

(c)0.6 s

(d)0.7 s圖8 各時刻速度云圖Fig.8 Velocity contour at different time

圖9 快關階段角度不同的關閥規律Fig.9 Closing law with different angle at quick-closing stage

圖10 快關階段角度不同時水擊壓強曲線Fig.10 Water hammer pressure of different closing law with different angle at quick-closing stage

表2 快關階段角度不同時的最大水擊壓強Tab.2 Maximum pressure of different closing law with different angle at quick-closing stage

快關階段速度均為270 °/s、快關階段角度不同的關閥規律如圖9所示，其對應的水擊壓強曲線如圖10所示，其最大水擊壓強如表2所示。從圖10和表2可知：

(1)采用先快后慢的兩階段線性關閥時，閥門完全關閉后的壓力振蕩較勻速關閥時有了明顯改善;

(2)較線性關閥而言，采用先快后慢的兩階段線性規律進行關閥時，水擊壓強峰值將提前出現，當快關階段角度太大時，反而導致水擊壓強變大，其中“以270 °/s速度快關全角度56.25%”的最大水擊壓強達到9.593 bar；當快關階段角度較小時，則對水擊的抑制效果不佳，其中“以270 °/s速度快關31.25%”的最大水擊壓強為7.083 bar;

(3)就本模型而言，關閥時長均為0.5 s時采用“以270 °/s速度快關43.75%”的關閥方式的水擊防護效果較好，其最大水擊壓強僅為6.884 bar。

在上述結果(3)的基礎上研究快關角度均為43.75%時快關階段速度不同工況下的水擊壓強，具體關閥規律如圖11所示，其對應的關閥水擊壓強如圖12所示，不同關閥規律下的最大水擊壓強如表3所示。

表3 快關階段速度不同時的最大水擊壓強Tab.3 Maximum pressure of different closing law with different velocity at quick-closing stage

從圖11、圖12和表3中可知：快關階段速度越快，水擊壓強最大值出現時刻越早；當快關角度均為全行程的43.75%時，最大水擊壓強隨快關階段速度增加而減小，且其衰減程度變緩。實際應用中關閥速度不可能無限增大。

2 實驗結果分析

軟件設置了多種兩階段關閥控制規律，其中關閥時長均為4 s的兩階段關閥規律如圖13所示，CFD仿真計算的關閥水擊壓強曲線如圖14所示，實驗值曲線如圖15所示。

圖11 快關階段速度不同的關閥規律Fig.11 Closing law with different velocity at quick-closing stage

圖12 快關速度不同時水擊壓強曲線Fig.12 Water hammer pressure of different closing law with different velocity at quick-closing stage

圖13 兩階段關閥規律Fig.13 Valve-closing law of two stage

圖14 不同關閥規律水擊壓強仿真值Fig.14 Water hammer pressure of different valve-closing law of simulation

圖15 不同兩階段關閥規律的水擊壓強實驗值Fig.15 Water hammer pressure of different valve-closing law of experiment

從圖14、圖15中可看出，采用先快后慢的兩階段線性關閥規律時，水擊壓強的峰值出現的時間提前，且閥門完全關閉后的壓力振蕩明顯減小；但如果快關階段角度太大反而會導致最大水擊壓強增加，而快關階段角度太小則造成水擊壓強抑制效果不佳，以上四種關閥規律中以快慢速比1.33且快關50%時的水擊抑制效果最好，這與CFD仿真結論基本一致。

同時將不同關閥規律最大水擊壓強的實測數據與仿真值對比如表4所示。從中可看出，就最大水擊壓強而言，仿真值與實驗值誤差均在6%以內，考慮到調水壓力難以精確控制等因素，誤差在允許范圍內。

表4 最大水擊壓強仿真與實驗值對比Tab.4 Maximum pressure of experiment and simulation

3 結 論

(1)本文針對艦船縱傾均衡系統中球閥控制流體管路在突然關閥時產生劇烈水擊問題，設計搭建了包含開關規律可精確控制數字球閥的實驗系統，通過對比實驗數據驗證了CFD應用于水擊計算的可行性。

(2)通過分析CFD計算結果與實驗數據可知：當關閥時長一定時，采用先快后慢的兩階段線性關閥能有效抑制球閥關閉后的壓力振蕩情況，且水擊壓強峰值出現時刻提前，但是快關階段角度太大時，反而會增大關閥過程水擊壓強；而當快關階段角度較小時，則造成水擊壓強抑制效果不佳，就本研究而言，以快慢速比1.6左右且快關角度在45%附近時水擊防護效果較好。