上翻式拍門開啟過程的水力特性研究

游峻松，周大慶，郭俊勛，王胤淞

（1.河海大學水利水電學院，江蘇南京 210009；2.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京 211100）

0 引言

拍門是泵站不可缺少的重要設備，通常安裝在排水管道尾端，其具有防止外水倒灌的功能，也兼備門頁關閉的緩沖性能。拍門應該具備啟閉可靠靈活，安全穩定，密封性能好等技術特點。根據不同的拍門門頁開啟方式，拍門可分為上翻式拍門、側翻式拍門兩種。上翻式拍門具有結構簡單、可靠性好、開啟靈活、成本低以及便于維修等優點，在泵站中得到廣泛應用［1-3］。對于拍門水力特性已有不少研究，主要為拍門撞擊相關理論研究和數值模擬研究［4-8］。洪順軍等［1］將上翻式拍門和側翻式拍門作為研究對象，對比分析拍門水力特性，得出同等工況下側翻式拍門的水力損失較小。唐敏嘉等［9］結合某泵站參數進行三維建模，對拍門動作過程中的不同角度進行研究，結果表明拍門水力損失系數隨開啟角度的增加而減少，變化幅度趨于平緩。王志祥等［10］通過研究不同拍門形式，不同門頁數和不同材質拍門的開啟角和撞擊力，對比得出自由側翻式拍門和復合材料拍門的較優水力性能。目前對于上翻式拍門水力特性的研究，集中于分析不同拍門類型或不同拍門開度下的水力特性，但通常是將拍門固定在某一角度，不符合拍門在實際工程中的運動規律。此外，現有研究也未考慮機組啟動過程對拍門水力特性的影響，故完整地模擬出拍門在機組啟動過程中的運動對研究其水力特性是十分必要的。

依托國內某泵站，應用Realizablek-ε湍流模型，使用用戶自定義函數（UDF），應用動網格中的光順法和重構法，并結合6DOF 算法，模擬出拍門在機組啟動過程中隨時間變化的運動，分析上翻式拍門在開啟過程中的水力特性。

1 數值計算模型與方法

1.1 模擬計算域與網格劃分

以某泵站為研究對象，該泵站主水泵采用1400ZLB 型立式半調節軸流泵，葉輪直徑1.30 m，額定轉速295 r∕min，設計流量6.04 m3∕s，建立了包括進水池、進水流道、泵段、出水流道、上翻式拍門、出水池等結構的計算模型。其整體示意圖如圖1所示，泵站模型入流方向為x方向，定義重力加速度-9.81 m∕s2（指向y軸負方向）。

圖1 某泵站三維結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the three-dimensional structure of a pumping station

在求解過程中，控制方程會受到離散誤差、離散方法等因素的影響從而產生離散誤差，且誤差隨著網格數量的增多而減少，因此進行網格無關性分析是很有必要的。不同網格方案對應的網格數量、節點數量、機組揚程值見表1。

表1 網格無關性驗證結果Tab.1 Grid independence verification results

由表1 可知，當網格數量達到1×107級別時，網格數量的變化已經不足以引起單方面的影響，故本研究選取方案5，計算模型采用對幾何模型適應性較強的非結構化網格進行網格劃分，網格采用四面體單元，并根據計算區域內水流水力特性合理劃分，局部加密處理，參見圖2，最終生成總網格數為10 495 599。

圖2 計算模型非結構化網格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of unstructured grid division of computational model

1.2 控制方程和湍流模型

本研究中考慮到泵站中流動為湍流等問題，選擇基于壓力法的求解器進行計算，并考慮重力項。通過將非定常的湍流問題轉化為定常問題，則基于Boussinesq 渦團黏性假設，選擇連續性方程和雷諾時均N-S方程，選擇Realizablek-ε湍流模型對控制方程進行封閉［11］。

式中：ρ為流體密度；xi、xj為坐標分量；ui、uj為速度分量；fj為質量力分量；P為流體壓強；μ為動力黏度系數；為湍流切應力；μt為湍流黏性系數；k為湍動能；ε為湍動能耗散率；σk、σε分別為k和ε的湍流普朗特數；Gk為湍動能產生項；C1、C2為常數，C1=1.44、C2=1.92；υ為運動黏度系數，計算精度為10-5。

1.3 邊界條件設置

本研究設置進口為流速進口，出口為壓力出口，除去交界面外統一設置為墻面邊界，湍動能采用一階迎風格式求解，采用有限體積法對本模型進行離散化處理，方程求解采用耦合算法，利用Fluent軟件進行數值模擬，時間步長設置為0.001 s。

1.4 上翻式拍門結構及啟動模擬方法

傳統上翻式拍門結構較為常見，一般由門座、門鉸、門頁以及密封件構成，上翻式拍門在開啟過程中，拍門門頁自下而上運動，因此重力對水流流態影響較大。在機組啟動過程中，上翻式拍門會先因所受合力作用不運動，之后會逐漸被水流沖開。當機組停運時，拍門受到自身重力的作用會下落，由于拍門受到水壓作用，拍門會緊緊貼合與出水流道末端，防止水倒流，此時拍門門頁與門座保持平行。拍門的材質主要為鋼鐵、木材或人工復合材料，人工復合材料的密度為碳鋼密度的1∕4～1∕5，密度的差異主要體現在拍門所受浮重上，進而會影響到拍門在運動過程的開度變化速率和開度大小。本研究將上翻式拍門簡化為2.06 m×2.2 m×0.06 m 的長方體門頁與圓柱體門鉸的組合結構，拍門質心到門鉸中心的距離為1.02 m，拍門體積為0.28 m3，上翻式拍門重量、轉動慣量較大，本研究設置拍門質量為800 kg，拍門安裝傾角為5°。

應用Fluent 軟件里的動網格技術，可以實現對變形問題或流體邊界運動的模擬，通常將光順法和重構法兩者結合使用。光順法是根據運動邊界節點的位移量來修改流體域內部的節點位移，使得到新一位置的節點達到平衡，從而保證模擬出流體單元的變形；當位移過大時，網格會產生較為明顯的變形和傾斜，這會嚴重影響網格質量進而降低計算精度，此時再根據重構法來對網格進行重新劃分。拍門在開啟過程中的運動為6DOF 運動，可通過6DOF 算法來實現對其6 個自由度的控制，使其只能沿著z軸進行轉動，其他方向固定。在本研究中，針對上翻式拍門進行動網格技術處理，應用動網格中的光順法和重構法，來模擬機組開啟過程中的拍門實時運動狀態；結合6DOF算法，在Fluent求解器計算過程中，明確上翻式拍門在機組啟動過程中的質量和轉動慣量，建立上翻式拍門的轉動軸，即門鉸中心所在的z軸正方向。上翻式拍門在開啟時受到三種力的作用：拍門自重G、浮力W、水流沖力P。由已知各力，列出力矩平衡方程，可得拍門開啟角度計算方程如下［12］：

式中：α為拍門開啟角度；MG為浮重對拍門產生的力矩；Mc為水流沖力對拍門產生的力矩。

本研究是對上翻式拍門開啟過程的模擬，因此同樣需要對轉輪轉速做設定，使用用戶自定義函數（UDF）對其進行設定，將轉輪啟動過程簡化為轉速線性增加，于5 s 時到達額定轉速（295 r∕min）。計算過程包含轉輪到達額定轉速之后的十個轉輪周期用時，因此總時長為7.034 s，模擬拍門在機組啟動過程中隨時間變化的運動狀態。

2 結果與分析

2.1 上翻式拍門開啟過程外特性參數

機組啟動過程中轉輪轉速及上翻式拍門開度變化如圖3所示。將轉輪轉速增加過程簡化為線性增加過程，從0 s 開始，用時5 s到達額定轉速，即點E。

圖3 拍門開度及轉輪轉速隨時間變化曲線Fig.3 Variation curve of flap valve opening and runner speed with time

上翻式拍門開啟過程可分為以下3 個階段：①A-B 快速開啟階段，上翻式拍門于0.021 s（點A）開啟轉動，以較快速率開啟至0.654 s（點B），此時拍門開度為13.36°；②B-F 勻速開啟階段，上翻式拍門開啟速率較第一階段有所下降，在1.962 s（點C）-3.456 s（點D）這一時段內拍門開啟速度有所上升，但整體開啟速率在該階段較為穩定。拍門于5.064 s（點F）達到最大開度，最大開度為23.76°；③F-G 穩定開啟階段，轉輪到達額定轉速后，再計算10個轉輪周期來對拍門開啟狀態進行研究。模擬機組開啟過程總時長為7.034 s，拍門于7.018 s（點G）保持穩定，拍門開度為20.36°。

圖4展示啟動過程中拍門所受力矩變化，在機組啟動之初，拍門因受到自身重力、浮力和水流沖力的合力作用沒有開啟。拍門在0.021 s 時產生轉動，此時因為水流積壓，瞬時力矩為76 639.3 N·m。在0.021～0.654 s 這一拍門快速開啟階段，拍門平均力矩較高，在0.654 s 瞬時力矩為14 111.27 N·m。當拍門開度達到最大，此時的瞬時力矩為10 893.82 N·m。之后拍門所受力矩趨向平穩，當拍門開度穩定時的瞬時力矩為12 150.87 N·m。開啟過程中平均拍門所受力矩為11 746.17 N·m。

圖4 拍門所受力矩隨時間變化曲線Fig.4 Variation curve of time-dependent torque on flap valve

2.2 上翻式拍門開啟過程不同時刻流態分析

圖5分別為拍門開始轉動、拍門快速轉動結束、拍門勻速轉動過程、拍門最大開度、拍門穩定開度6個不同時刻對應的機組流線分布。在圖5 中可以看出，在0.021 s 和0.654 s 這兩個時刻，流道內流態正常，機組穩定，存在小部分流線從拍門和出水流道的間隙中流出。在1.962 s和3.456 s這兩個時刻，流道內出現小部分回流、漩渦等現象，主要出現在出水池的壁面位置。在5.064 s 和7.018 s 這兩個時刻，機組內包括泵段、進水流道等結構無不良流態，出水池內出現漩渦、回流等現象，對拍門開度造成一定的影響。

圖5 不同時刻流道xy截面流線分布Fig.5 The velocity streamlines distribution at the xy section of the flow channel at different times

圖6 展示了不同時刻出水流道、出水池在xy截面處的速度場變化。圖6（a）可以看出，在出水流道出口和上翻式拍門交界處有較高流速水流，這是因為在機組開啟之處，因為水流的擠壓將拍門沖開。隨著拍門開度逐漸增大，出水段內平均流速在增加，同時由于拍門和水流自重的雙重影響，水流主要運動方向為沿著拍門門頁下部表面向前流動，此部分水流流速也是在流經拍門時流速最大的。在流經拍門之后，水流流速逐漸衰減；有部分水流沿拍門頁上部往拍門與出水流道連接縫隙出運動，主要是由于受到拍門對其的反作用力，并因為重力和出水池壁面影響，造成部分回流、漩渦現象。

圖6 不同時刻出水段xy截面速度分布云圖Fig.6 The velocity distribution at the xy section of water outlet section at different times

圖7展示了不同時刻上翻式拍門在xy截面處的Q準則渦量變化。由圖7（b）可以看出，有部分渦量出現在上翻式拍門門鉸與門頁連接的縫隙處，隨著拍門開度的增加，出水池上壁面靠近拍門的部分會產生回流、漩渦，導致此處Q值增大。由圖7（c）可以看出，因水流自重與拍門反作用力的共同影響，上翻式拍門前渦量明顯。拍門開度增大后，渦量集中在拍門門頁下部表面，在出水池下壁面會產生回流和漩渦，此部分水流流經拍門之后，出水池部分的Q值有所降低。

圖7 不同時刻上翻式拍門處xy截面Q準則渦量云圖Fig.7 The Q-criterion vorticity at the xy section of upturning flap valve at different times

2.3 水力損失分析

由于上翻式拍門門頁對水流的阻礙作用，使得出水流道出口處的水流流速和流向都發生變化，從而產生水力損失。圖8為上翻式拍門開啟過程中拍門前后水力損失隨時間變化的曲線，在拍門被水流沖開瞬間時的水力損失較大，且隨著拍門開度的增加，拍門前后水力損失逐漸降低并趨于穩定，整個機組開啟過程平均拍門前后水力損失為0.20 m。

圖8 拍門前后水力損失隨時間變化曲線Fig.8 Time curve of hydraulic loss before and after flap valve

由于拍門水力損失與拍門開度有關［13-15］，針對這一水力損失，對其進行無量綱化處理，可按照下式計算［16］：

式中：ΔΗ為拍門前后水力損失，m；υ1為拍門前水流流速，m∕s；g為重力加速度，取9.81 m∕s2。

將拍門運動過程中不同時刻的拍門水力損失和拍門前流速代入式（7），可以得到如圖9展示的拍門水力損失系數隨時間變化曲線。上翻式拍門在啟動過程中的水力損失系數主要為脫流損失，這是由于出水口處的水流受到拍門擠壓嚴重，產生一定的不良流態。機組啟動過程中拍門水力損失平均值為1.43。

圖9 拍門前后水力損失系數隨時間變化曲線Fig.9 Time curve of hydraulic loss coefficient before and after flap valve

3 結論

采用Realizablek-ε湍流模型，通過用戶自定義函數（UDF）、動網格技術、6DOF 算法，能夠完整地模擬出拍門隨時間變化的開啟過程，進而分析上翻式拍門的水力特性，以期為之后對該結構的研究及應用提供參考。具體研究結論如下：

（1）在機組啟動之初，拍門因受自身重力、浮力、水流沖力的合力作用不會打開，在開啟的瞬間拍門受到極大水流沖力的作用，開啟后水流沖力對于拍門的作用逐漸減弱。故本研究上翻式拍門于0.021 s 開啟轉動，開啟速度先快后慢，于5.064 s 達到最大開度23.76°。轉輪到達額定轉速后，拍門開度會趨于穩定，本研究在轉輪在5 s達到額定轉速后再計算10個轉輪周期，模擬機組開啟過程總時長為7.034 s，拍門于7.018 s 保持穩定，穩定開度為20.36°。

（2）在拍門開啟過程的不同階段，機組內部壓力和水流流線有較大差異。在機組啟動之初，水流流態正常，由于拍門和水流自重的雙重影響，水流主要運動方向為沿著拍門門頁下部表面向前流動，存在小部分流線從拍門和出水流道的間隙中流出。隨著時間推移，流道內會出現回流、漩渦等不良流態，集中出現在出水池壁面位置。這是因為流體受到出水池的限制，不同流速的水流在交界面處會相互擠壓，產生反向流動，進而對拍門開度造成一定的影響。

（3）拍門開啟瞬間水力損失較大，隨著拍門開度的增加，水力損失會逐漸降低并趨于穩定，原因為上翻式拍門門頁對水流的阻礙作用會嚴重影響水流流態，本研究過程平均拍門前后水力損失為0.20 m。對其進行無量綱化處理，可以得到拍門水力損失系數與時間的關系，本研究過程中拍門水力損失平均值為1.43。