活塞式調節閥水力特性分析

李燕輝，蔣 勁，王玉成，趙文勝，廖志芳

(1.武漢大學水力機械過渡過程教育部重點實驗室，武漢 430072；2.博納斯威閥門股份有限公司，天津 301802)

0 引 言

活塞式調節閥能滿足管線系統中的各種特殊調節要求，廣泛應用于大中型輸、調水項目和水利水電工程。該閥門可用于水源存儲的液位和壓力調節，輸水管網的流量調節，水泵啟動保護和供水工程中的管網壓力平衡等[1]。活塞式調節閥主要由閥體、閥芯(活塞)、閥座、閥軸和驅動機構等組成，其圓筒形的活塞閥芯在曲柄連桿機構的驅動下在閥腔內作軸向往復運動而實現調節功能。另外，閥體為內外圓筒式結構(見圖1)，流線型的閥腔及軸向對稱流道使閥內任何過流斷面均為環狀，保證介質過流順暢，并在大開度下有較小的水頭損失。而在任意開度下，活塞與閥座密封面間的環狀節流面能確保閥門有較好的線性操作功能。

目前對活塞式調節閥的研究主要集中在某單一方面的特性分析，如：肖而寬等[2]應用雷諾相似原理和阻力平方區理論進行活塞式調節閥的阻力特性試驗，對比了無導流帽型、一般錐形導流帽型和母線內凹錐形導流帽型等三種活塞閥芯形式的閥門阻力系數；鄧君[3]提出多級迷宮式降壓結構和引流結構組合的活塞式調節閥優化方案，通過數值分析，從流量特性和汽蝕特性等方面驗證了該優化方案的可行性；馮衛民等[4]分析了帶套筒結構的活塞式調節閥的流量特性，并探討套筒網孔分布規律對閥門流量特性曲線線型的影響；靳衛華等[5]和楊開林[6]分別針對具體供水工程闡述了活塞式調節閥選型和安裝設置經驗及對水錘控制的具體實施方法。

圖1 DN400活塞式調節閥幾何結構Fig.1 Geometric structure of DN400 piston control valve

現有文獻未見對活塞式調節閥自身的水力特性進行全面分析，也缺少關于其閥芯在啟閉過程的動態液動力研究。因此本文將通過數值分析對DN400活塞式調節閥進行流體動力學研究，綜合分析其水力特性，包括流量系數、流阻系數和汽蝕系數等特性參數曲線以及壓力、流速、流線、湍動能等各流場分布特點，同時利用動網格技術對閥門啟閉過程進行仿真計算，對比活塞閥芯受到的動態液動力，為活塞式調節閥的設計和使用提供參考。

1 仿真設置及數學模型

1.1 工況及邊界條件

本次研究采用流體動力學分析軟件Fluent，結合動網格方案，對活塞式調節閥進行數值仿真，包括不同開度下的穩態工況和閥芯啟、閉過程的瞬態工況。對各工況的閥門進口邊界條件均設置為閥前壓力0.7 MPa(設計值)；對穩態工況分別計算閥門開度為10%、20%、40%、60%、80%和100%的過流狀況和水力特性，同時出口邊界條件分別取對應的設計過流量0.03、0.04、0.05、0.06、0.07和0.08 m3/s；瞬態工況則分別模擬4.5 s的線性開閥過程(10%至100%開度)和4.5 s的線性關閥過程(100%至10%開度)，探討閥芯液動力在啟閉過程的動態變化特性。

1.2 湍流模型

活塞式調節閥內可能產生射流撞擊、旋轉流和分離流等湍流現象，需采用合適的湍流模型進行模擬。張征宇等[7]通過數值分析和實驗對比了不同湍流模型的預測精度，確定RNGk-ε和k-ω模型能使調節閥的數值模擬結果與實驗值吻合。因此本次研究采用RNGk-ε湍流模型，其湍動能k和湍流耗散率對應ε的輸運方程如下：

(1)

(2)

RNGk-ε湍流模型對大壓力梯度、高應變和強剪切等復雜流動有較好的仿真精度，同時該模型也考慮了低雷諾數流動黏性的影響。

1.3 特性參數定義

對閥門進行水力特性分析常用流量系數、流阻系數和汽蝕系數等外特性參數，其定義分別如下：

流量系數：

(3)

流阻系數：

(4)

汽蝕系數：

(5)

式中：Q為體積流量，m3/h；ρ為對應工況的介質密度，kg/m3；ρ0為15 ℃時水的密度，kg/m3；ΔP為閥前后壓差，流量系數中單位取bar，流阻系數中單位取Pa，汽蝕系數中單位取mH2O；v為過閥平均流速，m/s；P2為閥門出口絕對壓力(斷面平均值)，Pa；Pv為對應溫度的飽和蒸汽壓力，Pa。

2 數值模擬結果分析

2.1 水力特性參數及閥芯液動力

基于活塞式調節閥各開度的穩態仿真結果，分別做出其流量系數、流阻系數和汽蝕系數曲線，如圖2和3所示。

在圖2中，活塞式調節閥流量系數和流阻系數兩者的變化具有關聯性，聯立公式(3)和(4)，并匹配兩個系數定義中的壓差單位，則流量系數和流阻系數的關系如下：

(6)

式中：A為調節閥的過流截面積，m2。

可見，流量系數與流阻系數的平方根呈負相關關系，即兩者有相反的變化趨勢。另外，在圖2中可見，活塞式調節閥在中小開度下有較好的流量線性特性，而在全開度附近(80%開度以上)的流動阻力很小，繼續增大開度(增加過流面積)對流動阻力的影響不明顯，因此對應的流量系數變化較小。對于流阻系數曲線，活塞式調節閥微開啟時(如10%開度)流動阻力很大，隨著開度稍微增大，軸向流進和流出的閥門結構特點使其流阻系數迅速減小，并在中、大開度(40%開度以上)時保持較低的過流損失且流阻系數變化不明顯。流量系數和流阻系數的實際變化趨勢符合公式(6)中的理論推導情況。

另外，閥門流量系數曲線對應其固有流量特性，而固有流量特性表征管路系統的壓力損失全部集中在閥門處所對應的流量變化趨勢。線性的流量特性是指閥芯的單位行程變化所引起的流量變化為常數，表達式為[8,9]：

(7)

式中：Q和Qmax分別為實際流量和閥門調節范圍內的最大流量；l和L分別為閥芯實際行程和最大行程；K是閥門放大系數。

對上式積分得：

(8)

式中：C為積分常數。

當l=0時，Q=Qmin；當l=L時，Q=Qmax。代入上式求得積分常數和放大系數：

(9)

(10)

式中：R為調節閥的可調比。

最終得到相對流量和相對行程的關系式：

(11)

另外，調節閥實際上是在帶有阻力的管道系統中工作，整個系統的壓力損失不可能完全集中在閥上，因此調節閥的工作流量特性與固有流量特性總是不一致的。工作流量特性曲線與固有流量特性曲線通過下式建立聯系[10,11]：

(12)

式中：Pb為壓降比，表示調節閥壓力損失占管道系統總壓力損失的比值。

在實際工程中，若壓降比選定，則可按照公式(12)，由系統需求的工作流量特性曲線推導出相應的固有流量特性曲線，為調節閥的選型和使用提供指導。

圖3 活塞式調節閥汽蝕系數曲線Fig.3 Cavitation coefficient curve of piston control valve

圖3中汽蝕系數表征調節閥發生汽蝕的可能性，汽蝕系數越小表示發生汽蝕的可能性越大，其數值與實際工況和閥門類型有關。整體來說，閥門小開度時過流速度大，更容易產生負壓甚至接近飽和蒸汽壓力，因此對應的汽蝕系數比大開度要小。根據閥門材料和結構形式，對應有一個允許汽蝕系數，即閥門長期穩定運行能承受的汽蝕極限。本次研究工況范圍內，活塞式調節閥的最小汽蝕系數為40.3，則應確保允許汽蝕系數小于該值，才能使閥門工作時不產生汽蝕、振動和噪聲等現象。同時最小汽蝕系數值也為調節閥的設計和優化提供了參考依據。

調節閥啟閉過程中閥芯會受到各向的動態液動力作用[12-14]，因此對閥門驅動機構的執行力產生影響。閥芯的運動控制方程如下：

(13)

式中：m為閥芯質量；φ為介質黏性和結構表面摩擦引起的總摩擦系數；Fp為液動力；Fs為驅動機構執行力。

圖4 閥芯動態液動力變化曲線Fig.4 Dynamic flow force curves of valve spool

活塞式調節閥啟閉過程中閥芯的各向液動力對比如圖4所示，由于閥芯為圓筒體結構且沿軸向運動完成閥門開關動作，因此其主要受到軸向液動力作用，水平及豎向液動力很小，基本可以忽略。對于軸向液動力，因為活塞式調節閥屬于流開型閥門，即閥內過流使閥芯產生打開的趨勢，所以開、關閥過程的液動力均作用于逆水流方向(負值)，即開閥方向。同時，閥芯開啟是增大過流面積減小流阻的過程，而關閉則是減小過流面積增大流阻的過程，因此開閥液動力遠小于關閥力。另外，與其他調壓閥類似[15]，無論開閥還是關閥過程，在小開度時閥芯液動力均產生躍升，這是因為較小的節流面積使閥芯端面附近的水流被強烈壓縮，壓力迅速升高，導致閥芯受力突然增大[16]。隨開度增大，流阻迅速減小，閥芯的啟、閉液動力均逐漸穩定，沒有明顯波動。與軸向力類似，活塞式調節閥的流開型結構有利于開閥操作，因此水平和豎向的液動力在開閥過程相對穩定，而在關閥過程則有明顯起伏。

2.2 流場特征

通過對比穩態工況各開度的流場分布來分析活塞式調節閥的流動特性。整體流速及流線分布對比如圖5和6所示，由于閥腔環形流道的導流作用，水流通過時流態平穩，無明顯速度梯度。各開度的出流狀況類似，在節流出口處形成對沖射流，并在下游管中央生成局部高速的尾流區。隨著開度增大，節流出口的射流速度逐漸減小，導致下游尾流區的流速也整體減小，且向管壁擴散，即管壁的低速附壁流區域收縮。另外，由于慣性作用，水流經過節流區噴射出流時將在閥門出口截面偏下游位置匯合，對沖區的匯合轉向流態阻礙上游區域的流動，因此在上游形成“低速空穴區”，如圖5中標記所示。隨著閥門開度增加，“低速空穴區”逐漸擴大并向下游移動。在流線分布中，大開度下水流在軸向平穩流進流出，對應較小的流阻和閥芯液動力；小開度下節流效應以及高速尾流與低速附壁流的剪切效應，使調節閥出流波動劇烈。

圖5 整體流速分布對比Fig.5 Comparison of integral velocity distributions

圖6 流線分布對比Fig.6 Comparison of streamline distributions

活塞式調節閥出口截面位置如圖7所示，各開度的出口流速分布對比見圖8。由外向內分別對應低速附壁流區、對中射流區和“低速空穴區”，而慣性作用使射流閥門出口截面下游位置匯合，故該截面未顯示高速的匯流區。隨著開度增大，各層速度區域的梯度減小，且各區域分布更加規則、明顯。特別地，“低速空穴區”逐漸擴展，且由不規則形狀向規則的圓形分布過渡。

圖7 閥門出口截面位置Fig.7 Cross section of the valve outlet

圖8 出口截面流速分布對比Fig.8 Comparison of velocity distributions in the valve outlet

各開度對應的壓力分布如圖9所示，與流阻系數對應，活塞式調節閥流動與啟閉同向的結構形式使其只在小開度(如10 %和20 %)時才有明顯的流動阻力，即閥前后產生較大壓降；當開度稍微增加后，流阻迅速減小，對應的調節閥壓降也迅速減小，閥內各處壓力相近，消能降壓作用減弱。由圖9(a)可見，小開度下巨大的壓力梯度集中在節流通道中，可能引起結構表面的破壞和產生汽蝕，因此應盡量避免活塞式調節閥長期在小開度運行。

圖9 壓力分布對比Fig.9 Comparison of pressure distributions

圖10為各開度的湍動能對比，與流速和壓力分布對應，小開度下有較大的湍動能量，且最大湍動能主要集中節流出口處。另外，在小開度時(如10 %和20 %)，對沖射流使下游高速尾流區的湍流脈動強烈，因此管中央尾流區的湍動能量大于低速附壁流區域；開度增大后(如40 %和60 %)，尾流區流速下降且流動平穩，此時尾流區和附壁流區的剪切交界對湍動能分布起主導作用，使強湍動能位置逐漸向附壁流區域移動。

圖10 湍動能分布對比Fig.10 Comparison of turbulent kinetic energy distributions

3 結 論

(1)活塞式調節閥整體具有較好的流量線性特性，全開度附近流阻變化很小導致該區段流量變化不大。閥門微開啟時流阻很大，開度增大后流阻系數迅速下降，并在中、大開度下保持較低的過流損失。汽蝕系數與實際工況有關，小開度下過流速度大汽蝕系數小，本次研究的工況范圍內最小汽蝕系數為40.3，應保證調節閥允許汽蝕系數應小于該值。

(2)流開型結構使活塞式調節閥的軸向閥芯液動力在啟閉過程均作用于開閥方向，且開閥液動力遠小于關閥液動力。同時兩者均在小開度時有躍升階段，開度增大后，啟、閉液動力均有保持平穩。

(3)以穩態工況不同開度的流速、流線、壓力和湍動能等變量的分布來綜合分析了活塞式調節閥的工作原理和流動特性。