田間電磁閥水力特性數值模擬研究

劉敏杰,白云崗, 張江輝, 崔春亮, 盧震林

(新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

作為農業高效節水灌溉實現自動化控制的關鍵設備之一，電磁閥在田間灌溉自動化控制中得到了大量應用[1-3]。田間電磁閥的性能和質量直接影響到灌溉系統的運行狀況與使用壽命。崔春亮等[4]測試了田間電磁閥流量與水頭損失，并進行了初步水力性能試驗分析。盛祥民等[5]研究了電磁閥隔膜深度偏差對電磁閥的水力性能的影響。田間電磁閥通過隔膜在圓球形腔內垂直于管道上下移動，實現閥的開啟和閉合，屬于隔膜閥的一種。張逸芳等[6]對隔膜閥流量系數 CFD 仿真計算，研究分析表明，CFD 方法能簡單便捷地獲得隔膜閥流量系數相關數據，而且能可視化地展示流場中的細節特征，從而更好地指導優化設計，提高閥門流量系數。李忠等[7]研究了提升高度對膜片式電磁閥性能的影響，并運用計算流體力學軟件對其內部流場進行了數值模擬。作為微灌系統中自動化控制的關鍵設備，田間電磁閥還處于應用開發階段[8-11]，目前尚未見著關于田間電磁閥不同工況下的過流特性和水流流態演變規律的報道。因此，研究該結構型式下閥腔水流流態演變規律，為田間電磁閥的優化設計和運行維護提供依據，對提升灌溉管網安全性和經濟性具有重要意義。

1 研究方法

1.1 數值模擬計算

(1)數值計算方法。田間電磁閥內水流存在漩渦流動，流線彎曲程度較大，考慮平均流動中的旋轉及旋流流動情況，選擇RNGk-ε紊流模型[12-13]，采用基于壓力的分離式求解器，隱式算法，壁面采用無滑移光滑壁面，近壁區使用標準壁面函數，進口采用速度進口的邊界條件，出口為自由出流，計算模型的水流出口處壓力設定為1個大氣壓。

(2)控制方程。通過閥體的水流流動為非定常流動，由于水的壓縮性很小，所以閥腔的水流屬于不可壓縮黏性流體，流動應滿足連續性方程、動量方程、RNGk-ε流程模型k和ε的輸運方程。

(3)網格生成。本文研究的田間電磁閥閥體結構大體呈“幾”字型，包括：圓管連接段—控制段—圓管連接段，控制段是閥門的核心。控制段由半圓球形腔和平順過渡段組成，閥體幾何結構如圖1所示。根據閥體結構尺寸在Solidworks建立幾何模型，模型的上、下游計算尺寸分別取管徑40倍和50倍，利用GAMBIT進行網格劃分。為了提高計算精度，在閥體坐標中心上、下游2 d(d表示內徑)范圍內加密，加密部位采用以四面體網格形式為主，在適當位置包含六面體、錐形和楔形網格，其余部位采用結構化六面體網格。電磁閥網格劃分及局部加密如圖2所示。最終DN110閥體網格劃分生成的網格數為587651，DN125閥體網格劃分生成的網格數為679642。

圖1 幾何模型

圖2 閥體網格劃分及局部加密

1.2 試驗驗證方案

試驗布置方案如圖3所示，試驗過程中利用離心泵向管路中供水，管路中水流流量利用控制臺設定，流量控制臺通過變頻器改變水泵轉速，調節管路中的水流流量。試驗中壓力測量采用精度為0.3級的SIN-P300擴散硅壓力變送器測定，壓力變送器配有顯示器，可以直接讀數。測試位置分別布設在測試閥體上、下游10倍和20倍處孔口處。通過流量控制臺依次設定不同流量，測量不同流速下各測點的壓力值。試驗操作重復三次，計算時數據取均值。

圖3 閥體試驗測試簡圖

驗證時，Hf1-2為斷面1-1到斷面2-2間的沿程水頭損失，Hf3-4表示斷面3-3到斷面4-4間的沿程水頭損失，H(f+ζ)2-3表示斷面2-2到斷面3-3間的沿程水頭損失和電磁閥閥體局部水頭損失之和，Hζ表示電磁閥閥體局部阻力。則：

閥腔的局部阻力系數按式(1)、式(2)計算

Hζ=H(f+ζ)2-3-Hf1-2-Hf3-4

(1)

(2)

式中:v為水流流速，m/s。

雷諾數Re通過式(3)計算：

(3)

式中：d為管道內徑;v為水的流速；ν為水的運動黏滯性系數，計算時ν取1.003×10-6m2/s。

2 結果與分析

2.1 數值模擬結果驗證及分析

與試驗相比，數值模擬方法省時省工、操作方便，可以準確地控制進口雷諾數的大小[14]，采用RNGk-ε湍紊流模型分別對DN110和DN125兩種電磁閥在不同雷諾數條件下的局部阻力系數進行數值計算，數值模擬與試驗測試結果如圖4所示。圖中曲線表明，數值模擬與試驗結果具有較高的一致性，其中DN110電磁閥最大相對誤差為10.2%，最小相對誤差為2.7%；DN125 電磁閥最大相對誤差為15.9%，最小相對誤差為1.2%。圖中模擬值和試驗值均隨著雷諾數增大，局部阻力系數均呈先減小最后保持基本不變的規律。在雷諾數Re≥105～2×105時，幾乎總是認為所有的局部阻力系數都與Re無關，DN110電磁閥在Re≥2.2×105，局部阻力系數的值變化很小，變化幅度介于2.1%～5.6%；DN125電磁閥在Re≥2.0×105，局部阻力系數的值變化很小，變化范圍介于2.4%～6.3%。經計算當水流完全進入阻力平方區， DN110電磁閥和DN125電磁閥局部阻力系數分別為7.38和7.62。

圖4 兩種規格田間電磁閥數值模擬與試驗結果

2.2 不同工況壓力變化分析

閥腔數值計算時，沿管道方向為Z軸，以水平向右為正；垂直管道水平方向為X軸，以水平向外為正；以垂直管道豎直方向為Y軸，向上為正。

兩種規格的田間電磁閥不同流速下Y-Z中心截面靜壓分布如圖5，田間電磁閥上游段壓力為正，進口段壓力逐漸降低，閥腔下部和下游段存在負壓區，閥腔出口段，靜壓下降梯度非常明顯，閥腔進口下轉折點和出口的上轉折點是壓力變化的兩個集中點。整個閥腔上表面沿流動方向靜壓呈逐漸增大的趨勢。不同管徑的田間電磁閥，隨著水流流速的增大，上游段壓力增大，閥腔上表面壓力增大，下游段負壓值增大。

圖5 不同工況下兩種規格電磁閥Y-Z截面靜壓分布

2.3 不同工況流態變化分析

2.3.1 流線變化規律分析

DN110和DN125兩種規格的電磁閥，在流速為1.19 m/s、2.21 m/s和3.23 m/s時，閥內Y-Z中心截面流線圖如圖6所示。圖中表明，閥體上游段流線分布較均勻，閥體進口處流線開始收縮，閥體上端有漩渦生成。閥體出口端兩側均有回流，中間部位流線急劇收縮，閥體下游段下側流體回旋撞擊管壁產生回流，上側流體因閥體出口流體的射流作用，發生急劇的漩渦和回流。不同管徑的水流，隨著流速增大，下游段流體形成的漩渦逐漸發展，漩渦直徑逐漸變大。

圖6 不同工況下兩種規格電磁閥Y-Z截面流線分布

在流速為2.21 m/s時，閥內X-Y中心截面流線及流速分布如圖7所示。圖中顯示流線呈方向相反對稱出現，說明閥腔內部水流運動劇烈，較大的紊動強度能導致很大的能量損失，且容易引起電磁閥的劇烈振蕩。

圖7 不同工況下兩種規格電磁閥X-Y截面流線分布

2.3.2 流速變化規律分析

兩種規格的電磁閥Y-Z截面速度分布如圖8，兩種規格的電磁閥速度分布特點呈如下規律:閥體上游段流體速度變化較小，閥體內部和下游段速度變化激烈。水流流速在閥體進口逐漸增大，在進口段下側流體流速最大，進口端上側流體流速最小，沿流體流動方向，閥腔上表面流速逐漸增大，下側流體流速呈遞減規律。閥體出口端上側流速最大，下側流速最小。隨著進口流速增大，閥體內各點流速均增大。

3 結 論

本文對DN110和DN125兩種規格的田間電磁閥進行了數值模擬計算，分析了不同流速下田間電磁閥流動特征。結果表明：

(1)沿流動方向，閥體上表面壓力逐漸增加，閥體下側有負壓，出口端壓力降低變化梯度較大，閥體下游段基本呈負壓狀態，隨著流速增大，上游段壓力增大，閥腔上表面壓力增大，下游段負壓值增大。

(2)閥體內部進口上側和下游段均有漩渦，閥體出口上下側有回流，回流使閥體出口流道面積減小，產生射流，隨著流速增大，射流激烈，漩渦直徑增大，管道內流體紊動加劇。

(3)田間電磁閥具有結構對稱，形式簡單，且便于加工成型的優點，但閥體內部進口上側和下游段均有漩渦，整個下游段水流紊動強烈，整個閥體對水流能量消耗較大，DN110和DN125田間電磁閥局部阻力系數分別為7.38和7.62。管網中常用球閥、閘閥以及蝶閥完全開啟狀態下局部阻力系數為零或很小，所以田間電磁閥在灌溉管網推廣應用，建議從閥體流道結構開展進一步降阻優化研究。