水电站大口径进水球阀流动特性的数值模拟研究

高 慧，唐学林,2，李小芹,2，李长胜

（1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2.北京市供水管网系统安全与节能工程技术研究中心，北京 100083；3.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南阳 473000）

水电站大口径进水球阀流动特性的数值模拟研究

高 慧1，唐学林1,2，李小芹1,2，李长胜3

（1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2.北京市供水管网系统安全与节能工程技术研究中心，北京 100083；3.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南阳 473000）

采用FLUENT的动网格和网格自适应技术对水电站大口径进水球阀关闭过程进行非定常数值模拟，并与不同关闭角度下的定常稳态计算结果进行对比，提出如下结论：（1）相同关闭角度下，关闭过程中的局部损失系数高于稳态过程中的局部损失系数，且局部阻力系数拐点均发生在关闭角度为40毅至50毅之间；（2）分析非定常关闭过程计算中不同关闭角度下的总压、速度云图及流线分布，发现当关闭角度大于50毅时，阀瓣与壁面的微小缝隙中逐渐形成一股高速射流，球阀主流道的高速区逐渐断裂，球冠附近的流速梯度大且压力梯度非常明显，XY平面阀体后端的漩涡运动开始加强逐渐形成回流区，介质过球阀时的压力损失明显增加；（3）分析非定常关闭过程计算中各监测点速度随关闭角度的变化情况，发现随着关闭角度的增加，从阀门进口左下方到阀门出口右上方逐渐形成高速流，所以监测点8的速度最大，而当关闭角度增加到大于50毅时，由于高速区的断裂，监测点3的速度最大。结论（2）和（3）的内特性分析均揭示了阀体内部高速区的断裂与其外特性的联系。

大口径球阀；非定常；阻力系数

0 引言

目前国内针对大口径球阀的研究甚少，对于大口径球阀参与过渡过程调节过程中的动态水力特性的研究更是微乎其微，且进行球阀直径500 mm以上的实验研究是非常困难的，所以通过数值模拟研究大口径球阀在开启关闭过程中所表现出来的水力特性具有重要意义[1]。

阀门在稳态工况下正常运行是阀门最基本的要求，因此，针对阀门稳态工况下的实验和数值模拟研究十分重要。刘晔等[2]基于Fluent软件研究了小口径球阀的内部流动，模拟结果表明在球阀开度为20°时，与流道轴线垂直的球阀截面上形成一对大小相等、方向相反的旋涡，整个流场以回流为主，随着球阀开度的增大，旋涡尺寸持续增大；当球阀开度大于70°时，整个流动区域旋涡流动全部消失。冯卫民等[3]研究了小口径偏心球阀不同开度下的流动特性并得到了阀门固有流量特性、汽蚀特性和压力恢复系数等曲线，结果表明当偏心球阀相对开度大于0.8时，阀门具有优异的过流特性。Chern[4]等利用PTFV实验研究了球阀流阻特性和内部流动特性，结果表明球阀的流量系数只与开度有关，而与流速无关；压力恢复系数在相对开度低于0.8时，同样只与开度有关；而空化系数却与开度和流速都有关。Moujaes[6]通过实验和数值模拟结合的手段发现了阻力系数和流量系数与雷诺数之间的关系。Florescu[7,8]用特定的软件研究了大口径球阀不同开启角度的压力和流速分布，通过分析漩涡和涡线区导致的能量损失为阀的结构优化设计提供了依据。

当频繁启闭阀门时，阀门内部流场的变化严重影响阀门使用的可靠性和寿命，因此，国内外学者也逐渐对阀门的动态过程进行了研究。冯卫民[9]分析了大盈江四级水电站2.5 m进水球阀直线关闭、二阶段关闭情况下阀前后压力及机组流量变化情况，发现球阀内部漩涡分布与水击压力最大点之间的联系。张春[10]对高水头抽水蓄能电站球阀与导叶联动关闭规律进行了研究，结果表明，球阀采用第一段快速关闭，第二段缓慢关闭的关闭规律能有效削减机组流量和蜗壳压力的第二峰值。

在阀门动态特性方面，国内外学者大多关注阀门关闭过程中的水锤现象，而很少分析球阀开启和关闭过程中的外特性和流场内特性分析。因此本文结合某抽水蓄能电站2.7 m进水球阀的工程实际，借助计算流体力学（CFD）进行定常和关闭过程中的非定常数值模拟，研究不同关闭角度下球阀的流动特性，为进一步提高大型进水球阀的安全性提供一定的理论参考和技术依据。

1 几何模型

本文研究的是DN2700的固定球阀，根据球阀尺寸计算出阀芯转动范围为0～82°，利用三维建模软件PROE对球阀内部流道进行三维实体建模，为了保证来流和阀后流动充分发展，使流动更加接近真实值，将阀前流道延伸至5倍阀门口径处，阀后流道延伸至10倍阀门口径处，如图1为球阀关闭角度为30°情况下的内部流道三维图，流动方向为x正方向，规定球阀全开时关闭角度为0°，全关时关闭角度为90°。

图1 球阀关闭角度30°的结构示意图

2 计算模型

由于球阀流道内的流动为三维不可压、高雷诺数湍流流动，试验介质为常温水，忽略热传递和能量交换，本文采用标准k-着湍流模型对球阀内部流动进行数值模拟，方程[11]如下：

式中ui和uj（i=1，2，3；j=1,2,3）分别表示不同方向的速度分量，m/s；xi和xj（i=1，2，3；j=1，2，3）为笛卡尔坐标分量，m；p为压强，Pa；籽为密度，kg/m3；t为时间，s。

式中，湍动粘度滋t可以表示为k和ε的函数：

其中。

整个流道采用结构网格，并加密了阀门前后段网格，进行网格无关性验证后，计算网格总计2647410，图2为流道的网格图。

当系统工作稳定，阀门处于某一固定开度下，流经阀门介质的各个参数几乎不随时间变化，这时认为阀门工作处于稳态工况。各开度下的稳态和关闭过程中的非定常瞬态数值计算中，进口条件均采用速度入口边界条件，其中入口速度由实验数据确定，如图3所示，出口采用自由出流边界条件，壁面采用无滑移固体壁面条件，在近壁面采用标准壁面函数。对于非定常计算而言，采用Fluent三维双精度下的压力基PISO耦合算法求解方法，时间项采用一阶隐格式，压力离散方法选择PRESTO，对流离散化采用二阶迎风格式，其余空间离散化选择QUICK格式，采用动网格技术指定球阀阀芯的转动，其随时间的运动函数根据实验工况给出，即球阀在60 s内线性关闭，总计算时间为60 s，时间步长取0.1 s。同时为了较好地模拟压力梯度较大的区域，在Fluent计算过程中对网格进行了压力梯度自适应处理。

图3 流量-关闭角度实验数据

3 球阀过流系数外特性分析

流体通过阀门时，其流体阻力损失以阀门前后的流体压力降表示，即有局部阻力系数

式中，吟p为阀门的压力损失，u为流体在管道内的平均流速，籽为流体的密度。

按照计算方法对数值结果进行了分析，稳态和关闭过程中球阀各关闭角度下的局部损失系数ζ结果如图4所示。

图4 局部阻力系数随关闭角度变化曲线

对比稳态和关闭过程的计算结果，结果表明：相同关闭角度下，关闭过程中的局部损失系数高于稳态过程中的局部损失系数，并且在小关闭角度情况下，球阀具有较小的局部阻力系数，随着关闭角度的增加，局部阻力系数增加，当球阀关闭角度小于40°时，局部阻力系数变化不明显，而当球阀关闭角度超过50°时，局部阻力系数陡升，由此可知，局部阻力系数的拐点发生在关闭角度为40°至50°之间。

4 内特性结果和分析

随着阀芯的运动，球阀内部流道的结构发生改变，无论是流量还是压差都会产生非常大的改变，这对球阀内的流动产生了较大的影响，会严重影响阀门的使用稳定性和寿命，受篇幅的限制，本文只针对关闭过程中若干关闭角度下的球阀对内部流场的影响进行研究。

4.1 不同关闭角度下球阀速度云图及流线分布

图5 YZ、XY平面内速度云图分布

球阀在关闭角度为0°、10°、30°、50°、70°时YZ平面内速度分布云图及流线分布如图5中的(a)所示，XY平面内速度分布云图及流线分布如图5中的(b)所示，其中XY平面显示的是x横坐标取值范围为（-5,15），速度单位m/s。

模拟结果表明：在不同关闭角度下，XY平面内左上角和右下角由于剪切和诱导作用均产生角涡。球阀关闭角度为10°时，球阀内部已形成了漩涡流动，在与流道轴线垂直的截面上形成的一对大小相等、方向相反的漩涡控制着阀芯的流场，但整体流道并没有出现漩涡，对流场的顺畅影响不大。当球阀关闭角度为30°时，球阀内部的流动仍然由一对方向相反的漩涡控制，XY平面阀体后端的漩涡运动开始加强，但流动仍然比较顺畅。当球阀关闭角度为50°时，球阀内部流道的高速区断裂，具有非常明显的速度梯度，阀体内部产生多个紊乱的漩涡，XY平面阀体后端的回流区已经显现。与此同时，球阀的宏观外特性出现较大改变，其局部损失系数出现拐点，表明球体内部高速区的断裂与其外特性具有非常密切的联系。随着关闭角度的增大，流场内部的漩涡运动进一步加剧，球冠附近的压力梯度非常明显，高速区完全分离，阀体后端存在着大尺寸的三维紊流流动。

4.2 不同关闭角度下球阀总压云图分析

图6为球阀在关闭角度为0°、10°、30°、50°、70°时XY平面内总压分布云图，单位为Pa。整体压力+3 280 000 Pa。

图6 XY平面内压力云图分布

从图6中可以看出，随着关闭角度的增大，由于过流面积逐渐减小，在阀瓣与壁面的微小缝隙中逐渐形成了一股高速射流，介质流过阀门时的压力损失明显增加。造成压力损失的主要原因是阀道内部产生旋涡、形成紊流的分离回流区；其次是阀道出口处流速分布不均匀、流速梯度大。

4.3 不同关闭角度下球阀流动特性分析

为了定量分析阀门的流动特性，沿着x轴方向在XY平面内阀门前后共设置9个监测点，如图7所示，且监测点3～7的位置随着阀门的运动而变化。

图7 监测点位置示意图

关闭角度为0°时各监测点的x轴坐标位置如表1所示，不同关闭角度（10°、30°、50°、70°）下的监测点的速度变化曲线如图8所示。

表1 关闭角度为0°时各监测点的x轴坐标

图8 不同关闭角度下的监测点速度

从图8中可以看出，当关闭角度为10°时，各监测点的速度几乎没有变化，随着关闭角度的增大，阀体内流道与管道轴线成一定角度，流体流过阀门时折向上方，在阀门出口右上方逐渐形成高速流，所以当关闭角度为30°时，监测点8的速度最大，而当关闭角度增加到大于50°时，高速区断裂，压损增大，所以监测点3的速度最大。从定量的角度揭示了球体内部高速区的断裂与其外特性的联系。

5 结论

本文基于标准k-着湍流模型对球阀的内部流场在不同关闭角度下进行了数值计算，研究了稳态和关闭过程中的球阀阻力系数，并从定性和定量的角度重点分析了球阀内部流场的流动特性，得到如下结论：

（1）相同关闭角度下，关闭过程中的局部损失系数高于稳态过程中的局部损失系数，并且在小关闭角度情况下，球阀具有较小的局部阻力系数，随着关闭角度的增加，局部阻力系数增加，当球阀关闭角度小于40°时，局部阻力系数变化不大，而当球阀关闭角度大于50°时，局部阻力系数陡升，故局部阻力系数的拐点发生在关闭角度为40°至50°之间。

（2）随着关闭角度的增加，当关闭角度大于50°时，由于过流面积的减小，阀瓣与壁面的微小缝隙中逐渐形成了一股高速射流，球阀主流道的高速区逐渐断裂，球冠附近的流速梯度大且压力梯度非常明显，XY平面阀体后端的漩涡运动开始加强，流动十分紊乱，逐渐形成回流区，介质流过阀门时的能量损失明显增加。与此同时，球阀在关闭角度为50°时局部损失系数出现拐点，表明阀体内部高速区的断裂与其外特性具有非常密切的联系。

（3）随着关闭角度的增大，从阀门进口左下方到阀门出口右上方逐渐形成高速流，故监测点8的速度最大，而当关闭角度增加到大于50°时，由于高速区的断裂，监测点3的速度最大，定量的揭示了阀体内部高速区的断裂与其外特性的联系。

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TV134

：A

：1672-5387（2017）03-0001-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.001

2017-01-06

国家自然科学基金项目（51479196，51179192，51139007），青年教师创新项目（2016QC085）,新世纪优秀人才支持计划（NETC-10-0784）。

高 慧（1991-），女，博士研究生，研究方向：泵站水力瞬变过程、单相流/两相流的计算动力学、流体机械及流体工程。