田间电磁阀水力特性数值模拟研究

刘敏杰,白云岗, 张江辉, 崔春亮, 卢震林

(新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049)

作为农业高效节水灌溉实现自动化控制的关键设备之一，电磁阀在田间灌溉自动化控制中得到了大量应用[1-3]。田间电磁阀的性能和质量直接影响到灌溉系统的运行状况与使用寿命。崔春亮等[4]测试了田间电磁阀流量与水头损失，并进行了初步水力性能试验分析。盛祥民等[5]研究了电磁阀隔膜深度偏差对电磁阀的水力性能的影响。田间电磁阀通过隔膜在圆球形腔内垂直于管道上下移动，实现阀的开启和闭合，属于隔膜阀的一种。张逸芳等[6]对隔膜阀流量系数 CFD 仿真计算，研究分析表明，CFD 方法能简单便捷地获得隔膜阀流量系数相关数据，而且能可视化地展示流场中的细节特征，从而更好地指导优化设计，提高阀门流量系数。李忠等[7]研究了提升高度对膜片式电磁阀性能的影响，并运用计算流体力学软件对其内部流场进行了数值模拟。作为微灌系统中自动化控制的关键设备，田间电磁阀还处于应用开发阶段[8-11]，目前尚未见著关于田间电磁阀不同工况下的过流特性和水流流态演变规律的报道。因此，研究该结构型式下阀腔水流流态演变规律，为田间电磁阀的优化设计和运行维护提供依据，对提升灌溉管网安全性和经济性具有重要意义。

1 研究方法

1.1 数值模拟计算

(1)数值计算方法。田间电磁阀内水流存在漩涡流动，流线弯曲程度较大，考虑平均流动中的旋转及旋流流动情况，选择RNGk-ε紊流模型[12-13]，采用基于压力的分离式求解器，隐式算法，壁面采用无滑移光滑壁面，近壁区使用标准壁面函数，进口采用速度进口的边界条件，出口为自由出流，计算模型的水流出口处压力设定为1个大气压。

(2)控制方程。通过阀体的水流流动为非定常流动，由于水的压缩性很小，所以阀腔的水流属于不可压缩黏性流体，流动应满足连续性方程、动量方程、RNGk-ε流程模型k和ε的输运方程。

(3)网格生成。本文研究的田间电磁阀阀体结构大体呈“几”字型，包括：圆管连接段—控制段—圆管连接段，控制段是阀门的核心。控制段由半圆球形腔和平顺过渡段组成，阀体几何结构如图1所示。根据阀体结构尺寸在Solidworks建立几何模型，模型的上、下游计算尺寸分别取管径40倍和50倍，利用GAMBIT进行网格划分。为了提高计算精度，在阀体坐标中心上、下游2 d(d表示内径)范围内加密，加密部位采用以四面体网格形式为主，在适当位置包含六面体、锥形和楔形网格，其余部位采用结构化六面体网格。电磁阀网格划分及局部加密如图2所示。最终DN110阀体网格划分生成的网格数为587651，DN125阀体网格划分生成的网格数为679642。

图1 几何模型

图2 阀体网格划分及局部加密

1.2 试验验证方案

试验布置方案如图3所示，试验过程中利用离心泵向管路中供水，管路中水流流量利用控制台设定，流量控制台通过变频器改变水泵转速，调节管路中的水流流量。试验中压力测量采用精度为0.3级的SIN-P300扩散硅压力变送器测定，压力变送器配有显示器，可以直接读数。测试位置分别布设在测试阀体上、下游10倍和20倍处孔口处。通过流量控制台依次设定不同流量，测量不同流速下各测点的压力值。试验操作重复三次，计算时数据取均值。

图3 阀体试验测试简图

验证时，Hf1-2为断面1-1到断面2-2间的沿程水头损失，Hf3-4表示断面3-3到断面4-4间的沿程水头损失，H(f+ζ)2-3表示断面2-2到断面3-3间的沿程水头损失和电磁阀阀体局部水头损失之和，Hζ表示电磁阀阀体局部阻力。则：

阀腔的局部阻力系数按式(1)、式(2)计算

Hζ=H(f+ζ)2-3-Hf1-2-Hf3-4

(1)

(2)

式中:v为水流流速，m/s。

雷诺数Re通过式(3)计算：

(3)

式中：d为管道内径;v为水的流速；ν为水的运动黏滞性系数，计算时ν取1.003×10-6m2/s。

2 结果与分析

2.1 数值模拟结果验证及分析

与试验相比，数值模拟方法省时省工、操作方便，可以准确地控制进口雷诺数的大小[14]，采用RNGk-ε湍紊流模型分别对DN110和DN125两种电磁阀在不同雷诺数条件下的局部阻力系数进行数值计算，数值模拟与试验测试结果如图4所示。图中曲线表明，数值模拟与试验结果具有较高的一致性，其中DN110电磁阀最大相对误差为10.2%，最小相对误差为2.7%；DN125 电磁阀最大相对误差为15.9%，最小相对误差为1.2%。图中模拟值和试验值均随着雷诺数增大，局部阻力系数均呈先减小最后保持基本不变的规律。在雷诺数Re≥105～2×105时，几乎总是认为所有的局部阻力系数都与Re无关，DN110电磁阀在Re≥2.2×105，局部阻力系数的值变化很小，变化幅度介于2.1%～5.6%；DN125电磁阀在Re≥2.0×105，局部阻力系数的值变化很小，变化范围介于2.4%～6.3%。经计算当水流完全进入阻力平方区， DN110电磁阀和DN125电磁阀局部阻力系数分别为7.38和7.62。

图4 两种规格田间电磁阀数值模拟与试验结果

2.2 不同工况压力变化分析

阀腔数值计算时，沿管道方向为Z轴，以水平向右为正；垂直管道水平方向为X轴，以水平向外为正；以垂直管道竖直方向为Y轴，向上为正。

两种规格的田间电磁阀不同流速下Y-Z中心截面静压分布如图5，田间电磁阀上游段压力为正，进口段压力逐渐降低，阀腔下部和下游段存在负压区，阀腔出口段，静压下降梯度非常明显，阀腔进口下转折点和出口的上转折点是压力变化的两个集中点。整个阀腔上表面沿流动方向静压呈逐渐增大的趋势。不同管径的田间电磁阀，随着水流流速的增大，上游段压力增大，阀腔上表面压力增大，下游段负压值增大。

图5 不同工况下两种规格电磁阀Y-Z截面静压分布

2.3 不同工况流态变化分析

2.3.1 流线变化规律分析

DN110和DN125两种规格的电磁阀，在流速为1.19 m/s、2.21 m/s和3.23 m/s时，阀内Y-Z中心截面流线图如图6所示。图中表明，阀体上游段流线分布较均匀，阀体进口处流线开始收缩，阀体上端有漩涡生成。阀体出口端两侧均有回流，中间部位流线急剧收缩，阀体下游段下侧流体回旋撞击管壁产生回流，上侧流体因阀体出口流体的射流作用，发生急剧的漩涡和回流。不同管径的水流，随着流速增大，下游段流体形成的漩涡逐渐发展，漩涡直径逐渐变大。

图6 不同工况下两种规格电磁阀Y-Z截面流线分布

在流速为2.21 m/s时，阀内X-Y中心截面流线及流速分布如图7所示。图中显示流线呈方向相反对称出现，说明阀腔内部水流运动剧烈，较大的紊动强度能导致很大的能量损失，且容易引起电磁阀的剧烈振荡。

图7 不同工况下两种规格电磁阀X-Y截面流线分布

2.3.2 流速变化规律分析

两种规格的电磁阀Y-Z截面速度分布如图8，两种规格的电磁阀速度分布特点呈如下规律:阀体上游段流体速度变化较小，阀体内部和下游段速度变化激烈。水流流速在阀体进口逐渐增大，在进口段下侧流体流速最大，进口端上侧流体流速最小，沿流体流动方向，阀腔上表面流速逐渐增大，下侧流体流速呈递减规律。阀体出口端上侧流速最大，下侧流速最小。随着进口流速增大，阀体内各点流速均增大。

3 结 论

本文对DN110和DN125两种规格的田间电磁阀进行了数值模拟计算，分析了不同流速下田间电磁阀流动特征。结果表明：

(1)沿流动方向，阀体上表面压力逐渐增加，阀体下侧有负压，出口端压力降低变化梯度较大，阀体下游段基本呈负压状态，随着流速增大，上游段压力增大，阀腔上表面压力增大，下游段负压值增大。

(2)阀体内部进口上侧和下游段均有漩涡，阀体出口上下侧有回流，回流使阀体出口流道面积减小，产生射流，随着流速增大，射流激烈，漩涡直径增大，管道内流体紊动加剧。

(3)田间电磁阀具有结构对称，形式简单，且便于加工成型的优点，但阀体内部进口上侧和下游段均有漩涡，整个下游段水流紊动强烈，整个阀体对水流能量消耗较大，DN110和DN125田间电磁阀局部阻力系数分别为7.38和7.62。管网中常用球阀、闸阀以及蝶阀完全开启状态下局部阻力系数为零或很小，所以田间电磁阀在灌溉管网推广应用，建议从阀体流道结构开展进一步降阻优化研究。