弯管角度对充水阀过流能力影响的数值计算研究

舒崚峰，刘 婧，方 杰，李胜兵，姚志峰，3

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122；2.中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083；3.中国农业大学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)

0 引 言

水力机组进水口闸门一般均为静水开启，开启前需要利用库水向闸门后至机组前的隧洞或者压力管道充水平压，充水阀是目前国内最常用的充水平压方式。受水轮发电机组漏水、上游水位、充水阀流量系数等因素的综合作用，充水平压过程中，当闸门前后水位差达到某一值后充水量和漏水量会实现平衡，所以实际闸门开启时存在1～5 m的水位差，但随着机组设计水头、额定容量的不断加大，已有若干工程出现了8 m的水位差还无法实现充水量和漏水量平衡，使进水口闸门无法开启并影响发电的情况。

为保证进水闸门在规定水位差内实现正常开启，需对影响充水阀过流能力的因素进行深入分析。由于以往设计充水阀对于大部分电站均能满足要求，为此国内对于闸门充水阀的研究并不多：夏维红[1]通过公式分析和水力试验分析了充水阀的空穴特性，刘素英[2]从工程实际出发介绍了充水阀的设计要点，肖段龙[3]等经理论计算与分析推导了充水阀流量和开度的相互关系，龚洪波[4]等对快速闸门充水方式进行优化改进，邓亚新[5]对已运行多年的充水阀改造要点进行了总结，陶云冬[6]结合抽水蓄能电站充水特点揭示该类充水阀设计及运用中需要注意的要点。

本文依托某水利工程，利用数值计算方法(CFD)对充水阀在不同出水弯管角度和不同开度下的过流能力进行了分析。

1 研究对象与数值计算方案

1.1 充水阀基本参数

本文选取的充水阀出口弯管角度为工程上常用为90°和105°。阀门剖面图如图1所示，阀门开度由阀体向上提升的行程表示：图中阀体行程为0 mm，处于全关位置；阀体向上行程250 mm为全开位置。

图1 充水阀结构

1.2 模型建立与网格划分

1.2.1模型简化

考虑上游侧来流通过充水阀流至下游侧的距离短，其对闸门上方流场影响范围很有限。为此，在控制总体计算量和计算精度的前提下，将阀门井流体域限定在闸门上方3 m处。此外，充水阀上游流场流速低，水力损失不显著，故对充水阀上游侧模型做一定简化，最终简化计算模型如图2所示。

图2 计算模型

1.2.2网格划分

计算采用非结构化网格，对主体流场计算区域(阀体附近位置)做网格加密，对于非主要流体计算区域采取一定的疏化处理。网格单元总数约为380 000，网格节点总数约为65 000，网格划分情况如图3所示。

图3 网格划分

1.3 计算设置

通过充水阀的水流主要来自闸门上游，设置上游流体进口为20 kPa的总压进口，并将阀门井流体域限定在闸门上方3m处。充水阀过流量相对于闸门下游侧的引水隧洞体积非常小，故不考虑引水隧洞内流场。出口定义在阀门弯管出口，采用0 kPa静压出口，并设置流量监测点。最终边界条件如图4所示。

图4 计算边界

本次数值计算采用k-ε湍流模型，该湍流模型具有稳定、简单、经济的特点[7]，对于一般工程均能获得较为满意的计算精度。为充分了解弯管角度对不同充水阀过流能力的影响，分别选取25、75、100、150、250 mm共5个开度进行计算。

2 计算结果与分析

2.1 收敛性分析

收敛情况用最后100步计算结果的峰-峰值与平均值的比值反映。整体收敛情况显示：大开度下，计算结果较为稳定；在小开度下，计算结果具有较高振荡性。收敛振荡性与实际流场紊乱程度呈现关联性。

图6 速度矢量场

图7 总压分布

2.2 流场分析

图5 全局流场情况(100 mm开度)

全局流线图显示(见图5)，从上游侧进入闸门上方水体的水流，呈螺旋式流向充水阀进口，但水体流速非常低。水力损失主要集中在阀体附近及弯管区域。速度矢量场显示(见图6)，小开度下，阀门出口的水流以类似射流的方式进入弯管，在内、外侧壁处伴有漩涡形成；大开度下，阀门内流场顺畅，阀门出口流速均匀；在弯管段，离心作用导致二次流的形成，弯管外侧处流体降速增压，内侧处流体升速降压。随着开度增大，旋涡范围逐渐减小，这增大了弯管处的过流面积，减小了能量损耗。此外，对比90°与105°弯管出口流场，大开度下，105°弯管出口流场分布更加均匀、流畅；小开度下，两种结构紊乱程度均非常高。

图7显示了总压的变化情况。总压变化情况与速度场的变化相符合。大开度下：内侧壁出口附近存在部分能量耗散；弯管段主流区能量在速度能与压力能之间转换，几乎无损失。随着开度减小，内侧壁出口能量损耗区增大，且主流区受到漩涡区域的影响，速度能与压力能的转换过程中能量也被消耗，主流区也无法再恢复到原先的总压能。

图8显示了压力梯度的变化情况。压力梯度的大小反应了能量转换过程中速度能与压力能变化最为剧烈的位置。从图中可以发现，阀体附近一直为压力能变化最剧烈的地方；对于弯管段，开度较大时，弯管内侧壁能量转换剧烈，而在小开度下，弯管外侧壁有较大的能量转换。

2.3 过流特性分析

2.3.1阻力系数

阀门的过流能力可由其阻力系数反应，流量与阻力系数的关系如下：

图8 压力梯度

(1)

式中，Q为通过阀门的流量，m3/h；H表示阀门前后水头压差，m；K为阻力系数(流量系数倒数)，m0.5/(m3/h)。

计算区域内的水力损失主要集中在阀体附近，故按式(1)计算阻力系数时，可将计算域进出口压差作为阀门前后压差。根据计算得到90°和105°两种弯管出口下的充水阀流量-开度曲线(见图9)和阻力系数-开度曲线(见图10)，可以发现：0～100 mm开度范围内，增加阀门开度能显著提高阀门过流能力，降低阻力系数，过流量增加幅度约为5.82 kg·s-1/mm；150～250 mm开度范围内，阻力系数趋向恒定，增大开度对提升过流能力的帮助有限，过流量增加幅度约为2.0 kg·s-1/mm；此外，0～50 mm开度范围内，改变弯管角度对充水阀过流能力几乎无影响；当开度超过75 mm时，105°出口弯管比90°出口弯管更能有效提高充水阀的过流能力，最大提高约16.4%。

图9 流量—开度曲线计算结果

图10 阻力系数—开度曲线计算结果

2.3.2水力损失

流速平均化对比情况(见图11)显示：大开度下，质量平均和面积平均的计算结果差别较小；小开度下，两者计算结果差异较大。由于小开度下的有效过流面积小，阀门出口过流断面流态已不符合过流断面上各点流速均匀分布的假设，故采用断面平均流速无法真实反映损失特性。为此，均按照质量平均考虑水力损失。最终计算得到不同开度下的阀门水损情况如表1所示，计算结果可为充实阀的设计和选择提供参考。

图11 不同平均化流速对比

3 结 论

对某水力工程进水口闸门的DN500充水阀流场进行了数值模拟，研究了开度及出口弯管角度对充水阀过流能力和流场特性的影响情况，得到主要结论如下：

表1 充水阀水损

注：压力用相应的水柱高度表示，进口质量平均总压均为2.04 m。

(1)流场随阀门开度变化规律为：0～100 mm开度下，弯管在内、外侧壁形成漩涡，减小过流面积，增大能量损耗，开度增大能快速降低漩涡影响范围，增大过流能力；100 ～250 mm开度下，流体顺畅通过阀门，弯管出口流速较均匀，增大开度对流场的改善作用有限。此外，当出口未出现回流现象时，105°弯管出口流场分布更加均匀、流畅；而在小开度下，两种结构紊乱程度均非常高。

(2)阀门开度增大能够提高阀门过流能力、降低阻力系数。开度小于100 mm时，过流能力提升效果显著，每毫米开度的平均流量增长率可达5.82 kg/s；开度大于150 mm时候，过流能力提升效果降低，每毫米开度的平均流量增长率为2.0 kg/s。

(3)开度为0～75 mm时，改变阀门出口弯管角度对阀门过流能力影响不大；开度为75～250 mm时，105°弯管相比90°弯管能有效提高阀门的过流能力，整个开度范围内的平均过流量增加14.1%，最大过流量增加16.39%。