倒流防止器压力损失试验与流场数值模拟

陈宗杰，郑荣部，蒋 威，郑积泉

(国家阀门产品质量监督检验中心(福建)，福建 泉州 362800)

随着社会经济快速发展，城镇规模不断扩大，人民生活不断改善，对城市供水质量与安全要求也越来越高[1]。倒流防止器作为保护供水水质安全的有效设备，得到了高度重视和广泛使用[2]。在市政供水管网中，生活饮用水管道与其他用途供水管道连接时，通常会设置倒流防止器，从而有效隔断不同水质系统，防止回流污染[3]。

近年来，韩同祝分析了低阻力倒流防止器的结构特点和工作原理，以及安装、维护和使用事项[4]；靳卫华等人介绍了减压型和低阻型倒流防止器的作用和结构，并进行性能试验分析[5,6]；林海等人讨论了倒流防止器在城市供水管网的应用，从技术和管理方面综合分析，确保其安全性能[7]；杜金海等人探讨地铁车站消防给水倒流防止器设置问题，分析了常见的错误设置，并给出了2种正确设置方法[8]；冯卫明等人运用CFD对新型大流量减压阀进行数值模拟，分析了其流量流阻特性[9,10]；汪志琨研究发现大涡模拟相比标准k-ε湍流模型更加耗费计算资源和时间，且对仿真精度提高效果不大，综合考虑采用标准k-ε湍流模型结合自适应技术对阀门的流通能力进行仿真更具优势[11]。目前国内外有关倒流防止器流通性能分析方面的研究较少[12,13]，因此本文开展低阻力倒流防止器压力损失试验，验证压力损失符合设计要求，开展全开状态下内部流场数值模拟，绘制流速～压力损失曲线，对比分析试验与模拟结果，验证倒流防止器工作在全开状态，也为其工程应用及结构优化提供有效参考。

1 结构特点及工作原理

1.1 结构特点

低阻力倒流防止器由阀体、阀盖、进水止回阀、出水止回阀、中腔、排水器和相关附件等组成，其中出水止回阀又由阀座、阀瓣、导向套和复位弹簧等组成。低阻力倒流防止器具有密封性能好、压力损失小等优点。本文以LHS743X-16Q DN100低阻力倒流防止器为研究对象，该倒流防止器结构模型如图1所示。

图1 LHS743X DN100低阻力倒流防止器结构Fig.1 LHS743X DN100 low resistance backflow preventer注：1、8-进、出水止回阀阀杆；2、9-进、出水止回阀复位弹簧；3、10-进、出水止回阀导向套；4、11-进、出水止回阀阀座；5、12-进、出水止回阀阀瓣；6-阀体中腔；7-阀盖；13-阀体；14-外连接管；15-排水器阀瓣；16-排水器弹簧；17-排水管。

1.2 工作原理

由图1可知：p1表示进口压力，p2表示中腔压力，p3表示出口压力。当供水管网压力正常时，则p1>p2>p3，进、出水止回阀开启，排水器关闭，管路正常供水。当供水管网压力出现异常时，则p3>p1，此时出水口止回阀在复位弹簧和反向压差的作用下关闭。这种情况下，如果出水止回阀没有出现渗漏，高压水不会回流到中腔，中腔内保持流动压力，则p1>p2，排水器仍处于关闭状态；如果出水止回阀出现渗漏，高压水回流到中腔，使得中腔压力升高，则p2>p1，排水器开启，将回流流体排出，同时空气进入中腔形成隔断，当达到一定值时排水器自动关闭。

2 压力损失试验

2.1 阀门流量流阻试验装置

低阻力倒流防止器的压力损失试验按GB/T 30832-2014《阀门流量系数和流阻系数试验方法》的要求进行试验。本单位阀门流量流阻试验装置检测公称直径范围DN15～DN500，该试验装置包含循环水源、动力系统、稳压系统、测试管路、数据采集系统、控制系统等，上、下游取压孔都是由同一截面上4个对称布置的取压孔汇集合成，上、下游取压孔与测试阀门距离分别为5倍和10倍管径，流量、压力测量仪表精度不低于1.0级，温度测量仪表分辨值不低于±1 ℃。阀门流量流阻试验装置如图2所示。

图2 阀门流量流阻试验装置Fig.2 Valve flow resistance device注：1-上游阀门；2-温度传感器；3-电磁流量计；4-压力传感器；5-压差测量仪；6-上游取压孔；7-测试阀门；8-下游取压孔；9-下游调节阀门。

2.2 压力损失试验结果评价

倒流防止器内部介质流动要处于湍流状态，雷诺数应大于40 000。雷诺数计算公式为：

式中：Re为雷诺数；v为平均流速，m/s；d为管道内径，m；u为运动黏度，m2/s。

常温水与15 ℃水密度基本相同，取其比值为1。流量系数计算公式为：

式中：KV为流量系数；Δp为阀门净压差，kPa。

流阻系数计算公式为：

式中：ζ为流阻系数；ρ为常温水密度，kg/m3。

运用阀门流量流阻试验装置对低阻力倒流防止器进行压力损失试验，调整下游调节阀控制流量以符合试验要求。压力损失试验结果如表1所示。

表1 不同流速下试验的压力损失Tab.1 Test pressure loss at different flow rates

根据JB/T 11151-2011《低阻力倒流防止器》设计要求，用于防止有害和轻微污染的倒流防止器，在流速v=1 m/s时，净压差Δp<0.02 MPa；在流速v=2 m/s时，净压差Δp<0.03 MPa。由表1可知，该倒流防止器压力损失符合设计要求，同时验证其低阻力特性。

3 流场数值模拟

3.1 流动控制方程

对于所有的流动，都需要求解质量守恒方程和动量守恒方程，涉及湍流问题，还需要选择求解相应的湍流模型。

质量守恒方程可表示为：

式中：ρ为密度；t为时间；ui为速度张量；xi为坐标张量；Sm为稀疏相增加到连续相中的质量源项；n为维数。

动量守恒方程可表示为：

式中：ρ为密度；t为时间；μ为黏性系数；ui和uj为速度张量；xi和xj为坐标张量；Fi为重力体积力或其他体积力源项；δij为克罗内克符号。

标准k-ε湍流模型计算精度高，应用简单，节省计算时间，具有通用性，是最常用的湍流模型之一。标准k-ε湍流模型湍动能方程和耗散率方程可分别表示为：

式中：k为湍动能量；ε为耗散率；ρ为密度；t为时间；μ为黏性系数；xi为坐标张量；Gk为平均速度梯度引起的湍动能；Gb为浮力影响引起的湍动能；YM为可压速湍流脉动膨胀对总耗散率的影响。

3.2 流场数值模拟

运用PTC Creo软件创建倒流防止器的流道模型。为了使仿真结果更贴近实际工况，阀前加长5倍管径，阀后加长10倍管径，确保内部流体流动具有充分发展空间。倒流防止器及加长管道内部流道三维模型如图3所示。

图3 流道几何模型Fig.3 Geometric model of flow channel

运用ANSYS软件的Fluent模块进行流场计算，将三维流道结构模型导入进行对称设置，选取一半进行计算，以减少计算时间。进行网格划分，对流动变化剧烈区域进行加密处理，以确保计算结果更精确，可生成66 997个节点和337 919个单元。查看给定单元的体积与边长的比值，1时网格质量最佳，0时网格质量最差。检查网格质量显示比值为1，检查网格最小体积为正数，并且计算时所有曲线都能稳定收敛，说明网格质量已达到最佳，符合工程计算的标准。倒流防止器及加长管道内部流道网格划分如图4所示。

图4 流道网格划分Fig.4 Mesh generation of flow channel

选择标准k-ε湍流模型，采用SIMPLE算法，设置进口流速、出口压力边界，显示结果选取倒流防止器内腔流道。不同进口流速、出口压力下的速度分布云图如图5所示，压力分布云图如图6所示。

采用多次拾取求平均值方法，分别在不同进口流速及出口压力的压力分布云图中拾取进、出口端部压力值，计算求取各自的净压差。压力损失模拟结果如表2所示。

表2 不同流速下模拟的压力损失Tab.2 Simulated pressure loss at different flow rates

图5 不同进口流速、出口压力下的速度分布云图Fig.5 Velocity distribution cloud diagram under different inlet velocity and outlet pressure

图6 不同进口流速、出口压力下的压力分布云图Fig.6 Pressure distribution cloud diagram under different inlet velocity and outlet pressure

3.3 数值模拟结果分析

由图5和图6可知，倒流防止器在全开状态，不同进口流速和出口压力下的流场速度分布云图及压力分布云图的变化规律都基本一致，不同位置的速度值及压力值随着边界条件的不同而有具体区别。由图5和图7可以看出流场速度分布情况，流体通过过流部件，产生复杂绕流，2止回阀之间中腔流体流动状态较为复杂，出现多处绕流并呈现S形流动路径，局部绕流区域形成旋涡，绕流中心区域流体流速较低。受边界层影响，在近壁面的流体流速一般也较低，流体流速最大位置位于出口止回阀瓣与出口端变径部位之间的缩流流道上。由图6可以看出流场压力分布情况，整个内流道流场压力变化较为平缓，以2个止回阀瓣为分割，基本呈现3段式压力分布，进口、中腔、出口压力依次降低，进口端缩颈处、止回阀导向杆、止回阀瓣背部等区域受流体冲刷，压力较高，而在2止回阀之间中腔的局部绕流区域，压力较周围的低。

图7 流线分布云图Fig.7 Streamline distribution cloud diagram

4 试验与模拟结果对比验证

对比倒流防止器不同流速下的试验结果和模拟结果，建立流速～压力损失试验与模拟对比曲线，见图8。

图8 流速～压力损失试验与模拟对比曲线Fig.8 Velocity～pressure loss curve of test and simulation

由图8可知，倒流防止器流速越大，压力损失越大，试验结果与模拟结果变化趋势一致。通过对比试验与模拟所得压力损失，试验值略高于模拟值，误差为3.09～4.81 kPa，在同类工程研究中，该差值在可接受范围内。数值模拟结果基本能够反映倒流防止器内部真实流动状态，数值模拟方法可靠，且结果准确、有效。通过分析倒流防止器内部流场压力分布云图和速度分布云图，可见不同流速下的颜色变化非常接近。由于数值模拟都是基于倒流防止器前后止回阀瓣达到全开状态的工况，因此综合研判该倒流防止器在试验过程中处于全开状态，同时也反映了该倒流防止器具有低阻力特性。

5 结 论

(1)低阻力倒流防止器有效解决了城镇供水管网回流、倒流污染的问题，同时具有低阻力特性，不仅能够保障人们生活饮用水的安全与卫生，还有利于节能降耗。随着科技水平的不断提高，低阻力倒流防止器的受关注度及使用范围将不断地提升。

(2)通过分析低阻力倒流防止器结构特点和工作原理，并进行压力损失试验，验证LHS743X-16Q DN100倒流防止器符合低阻力设计要求，适用于防止有害和轻微污染水介质回流。

(3)进行低阻力倒流防止器数值模拟，研究内部流场速度分布规律和压力分布规律，流体通过内部过流部件产生了复杂绕流，形成S形流动路径，从进口端至出口端压力大致呈现3段式分布，并依次降低，正面受冲刷区域压力较高，近壁面及绕流旋涡处流速较低，突变缩颈节流间隙会出现较高流速。

(4)对比倒流防止器不同流速下的试验结果和模拟结果，建立对比曲线，发现2条曲线的变化趋势一致，误差较小且在可接受范围内，判定该低阻力倒流防止器试验过程中可达全开，并验证数值模拟的准确性与可行性，所得流场可直观反映内部真实流动规律，今后在倒流防止器结构设计与优化过程可加以应用，以缩短产品开发周期，提高研究效率。

(5)止回阀是倒流防止器的关键过流部件，下一步将尝试设计不同类型的止回部件结构，通过试验与模拟相结合的手段，研究内部流动规律及压力损失情况，优选压力损失小、节能效果好，并且运行可靠的止回部件结构，推动倒流防止器研发技术创新。