基于UG-CFD联合仿真计算下的抽水泵站进水阀内流场特征分析研究

冯淑琳，魏玉翠，袁晓渊

(镇江市工程勘测设计研究院，江苏 镇江 212003)

在建设地面引水工程以及提水工程等水利工程时，常需要应用抽水泵站这类水利设施，保证水泵安全运营是提升水资源供应的重要方面[1-3]。泵站安全使用与其进水阀结构构造有关，阀门使用寿命以及运营状态实质上就是水泵的运营寿命，因而，开展泵站进水阀门的运营研究很有必要[4-6]。已有一些学者基于在泵站等水利工程现场安装监测传感器，以监测数据分析进水阀内流场以及结构稳定性，为评价泵站安全运营提供参考[7-8]。这种监测方法虽准确度较高，但持续时间过长，因而有些水利工程师考虑引入数值仿真手段，基于CFD计算理论[9-11]，以有限元软件计算各种复杂工况下进水阀等水利设施内流场分布特征，可为泵站等水利设施安全运营提供最佳设计方案，提升水利设施使用寿命。

1 工程概述

某抽水泵站为地区内地表重要引水工程，承担着区域内水资源调度供应，在地区水资源供应中占比超过30.0%，主要面向农业用水与工业用水，设计流量为22 m3/s，建设有输水干渠至农田灌区，保证农业灌溉效率，在枯水季可保证灌区缺水率不超过2.5%。该泵站进水口采用主进水阀结构，以液压程序控制启闭，阀门直径为2.1 m，最大液压可达6.3 MPa，启动阀门持续时间约为40 s，关闭阀门持续时间需100 s，由于泵站管理部门需要精确控制进水阀开度，确保农业与工业用水项目所需水资源高效利用，另阀门关闭时涉及到负载下多阀门共同关闭亦或是单个阀门甩荷关闭，不同关闭方式一定程度上会对其内部流场变化产生影响。从进水阀构造来看，包括有上、下游延伸法兰段与中间阀芯，其中中间阀芯为阀门重要控制设施，连接液压主程序，为阀门的枢纽设备，各个部件之间连接界面均布置有密封圈构件，保证进水阀系统内处于密闭状态。在上述分析基础上以进水阀原设计图纸为参照，借助三维模型软件UG建立进水阀物理模型，如图1(a)所示，另给出进水阀中心阀腔物理模型，如图1(b)所示。

图1 UG物理模型图

根据该抽水泵站具体工程地质调查分析得知，进水阀所在泵站厂房面向进水前池，水流方向与进水阀内水流运动一致，泵站地基采用换土垫层后土层为持力层，保证泵站进水阀开启过程中产生振动特性不会引起结构沉降变形，原土体材料为淤泥质黏土体，厚度约为3.5 m，处于上覆人工填土层的下方，换土材料为粉质壤土，承载力较大，含水量较低，可满足泵站进水阀开启振动过程中位移变形。表面填土层较薄，最厚处仅为1.5 m，主要为人工活动搬运堆积土层，密实性较差，土体颗粒较为松散，最大颗粒粒径为 3.6 mm，较大颗粒工程施工前已经进行填埋，保证大颗粒土体不会引起进水阀内流场扰动。泵站下卧基岩层为弱风化灰岩，岩体完整性较好，现场取样显示表面无显著大孔隙，强度较高，能承受泵站运营过程中自振影响，不会引起涡旋共振现象。在上述工程资料分析基础上，本文将开展进水阀流场特性计算分析。

2 仿真计算进水阀流场特征

2.1 数值模型与研究工况

由于泵站主进水阀涉及结构构件较多，本文在图1物理模型基础上，将部分对流场影响较弱的活门以及密封构件简化，获得进水阀简化后计算模型如图2所示。对工程地质资料分析得知，岩土层等基础材料对泵站以及进水阀工作运营并无显著影响，因而CFD仿真数值模型中不考虑阀门壁厚等，仅针对流体运动区域开展流场特征计算。

图2 简化后计算模型

利用CFD网格划分软件ICEM获得模型单元网格数共1 254 883个，其中上 、下游延伸段划分单元网格数占比超过55%，整体划分网格单元数值模型以及阀芯模型图如图3所示。限于模型计算收敛步长，本文关阀时间设定为64 s，上游延伸段边界流速与来水流量有关，另泵站转速设定为0.025 rad/s。进水阀流场与开度相关的研究工况选取开度分别为30°～90°，每个研究工况之间间隔10°，其他过水参数均为一致。

图3 数值模型图

2.2 开度影响流场特性

针对阀门不同开度对进水阀内流场特性影响，本文给出各开度工况下阀内流场分布特性，并以各开度下进水阀内中心断面处作为流场特征分析面，如图4所示。从图中可看出，在开度90°时，流线分布在阀内均为水平状态，即无显著流速梯段变化，表明内部流场分布处于较稳定状态；从流速值来看，阀内上游段流速均为14.5 m/s，阀腔内流速稍增大为17.4 m/s，在阀腔与下游段交界面处出现较大流速，最大流速约为23.2 m/s，分布在阀腔与上游延伸段交界面；整体来看阀门大开度值时进水阀内无显著涡旋流等现象，流场稳定。从压力场分布来看，进水阀内压力基本维持在7.15 MPa左右，仅在上、下游延伸段与阀腔过渡段处出现一定压差变化，幅度最大变化仅为1.3%，整体压力场分布印证了开度90°时进水阀内流场稳定。开度70°时流线分布云图表明，进水阀内出现一定流速变化，在阀腔上部流速值较小，而下部流速值较大，超过19.9 m/s，下部大流速水流易压缩低流速水流运动空间，造成阀腔上部水流滞留，一定程度会造成水流能量损失，另此种现象在下游延伸段下部区域亦出现，分析表明相比开度90°时，开度70°的高流速显著增多，水流运动能量损耗增大。压力场分布呈现沿上游至下游逐渐降低，其中上游最大压力为7.50 MPa，位于上游与阀腔芯内交界面，下游延伸段压力相比降低了5.6%，即存在一定压差分布，易助长水流对下游延伸段法兰的冲击作用。

图4 各开度下流场分布特征(左、右图分别为流线、压力分布)

相比前两个开度工况，开度50°时流线分布较为紊乱，并出现涡流回旋现象，存在于阀芯中间区域，阀腔芯内上部区域不仅存在水流滞留现象，流线回旋亦较为显著，小流速值为8.0 m/s左右，而大流速超过19.9 m/s，相差幅度达148.8%，水流能耗较开度70°下有所增大。压力场分布呈现多个压力变化区域，且特别在阀芯内分布较广泛，最大压力值出现在上游延伸段与阀腔交界面，达8.34 MPa，该区域内水流无法过阀芯而进入下游延伸段，在该区域内造成类似于“压力集中”现象。开度30°时上游延伸段流速显著减低，相比前三个开度工况分别降低了13.1%、51.4%、60.4%，仅为12.6 m/s，低流速聚集在上游延伸段的上部区域，无法直接进入下游延伸段内，另在下游与阀芯腔内交界面处存在较大流速，达70 m/s，即阀门小开度下流速梯度较大，流速稳定性较差，下游流速相比上游较大，导致下游延伸法兰段受水流磨损影响作用较大，阀门造成进水阀内水流能耗损耗较大。从压力场可知，沿着上游至下游，压力递减，阀芯腔内、下游延伸段相比上游段压力分别降低了16.2%、25.6%，压力分布处于较为紊乱状态。

对比7个开度工况下进水阀内最大流速与最大压力特征可知(图5)，流速、压力与开度为反相关变化，开度愈大，则进水阀内流速与压力愈大，开度30°时最大压力为9.80 MPa，而开度80°、90°下相比前者分别降低了24.9%、26.1%。分析表明，泵站工作运行过程中应减少进水阀低开度运行时间，减弱由于阀门开度对进水阀延伸段磨损以及水流能耗。

图5 开度与最大流速、压力变化曲线

2.3 关阀方式影响流场特性

2.3.1 直线关阀

根据泵站所处工作运行状态，当遇紧急情况时进水阀主要采用直线关阀方式，实测表明阀芯转动角度为84°时，持续时长约为60 s，此时进水阀处于隔离上、下游延伸段状态，以CFD开展计算，获得直线关阀过程中流场变化特征，如图6所示。

图6 直线关阀下流场分布特征(左、右图分别为流线、压力分布)

本文以直线关阀持续过程中第5 s、35 s、55 s时刻的流场特性为例分析，直线关阀初期，即第5 s 时流线形态较好，流速在上、下游延伸段较稳定，均为4.5 m/s，低流速水流滞留区域集中在阀芯腔内上部区域。下游延伸段压力高于上游段，此现象表明水流在下游延伸段的冲击磨损作用大大降低。关阀开始后35 s时，流线形态变差，出现局部回流现象，大流速聚集在上游延伸段下部与阀芯腔内上部区域，约为9.4 m/s左右，在阀芯腔内下部区域聚集有水流涡旋，涡流中心区域流速较低，仅为1.9 m/s；压差显示下游段高于上游，压差最大幅度为6.1%，阀芯腔内压力分布处于紊乱状态，曲线变化较大，最大压力达7.32 MPa。在接近直线关阀完成阶段时，阀芯腔内具有内卷涡流分布，中心涡流流速值较低，外围分布较大流速，最大流速达28.0 m/s，由于逼近阀门直线关闭时间，上游延伸段内水流运动只能借助阀芯外界面腔内进入下游延伸段，故而在外围腔内具有高流速聚集效应。压力段呈现，上游段高于下游延伸段，分析表明上、下游延伸段内压力分布呈下游高于上游段，逐渐在临近完成关阀时，转变成上游延伸段压力高于下游段。

2.3.2 协同关阀

进水阀门关闭方式亦可利用与泵站其他导叶阀门关联性，协同关闭阀门，持续时长亦为34 s，本文以其中代表性时间节点开展分析，获得图7所示结果。从图中可知，协同关阀初期流线分布形态较好，下游流速较大，约为10.5 m/s，压力场亦是以下游延伸段为最大，阀腔内高压力分布集中在阀芯与外腔接触界面，两区域之间压差梯度显著。当处于协同关阀后期时，此时上游流速较低，在阀芯内流速回旋降低产生涡旋，下游流线具有回流特征，此时导叶阀基本接近关闭，水流在进水阀内逐渐降低运动速度，从压力场分布亦可看出，上下游段压差逐渐降低，压力接近一致，均为6.37 MPa左右，阀腔内压力分布稳定。分析表明，协同关闭下流速与压力场相比直线关阀方式均有所降低，协同关阀最大流速为11.8 m/s，相比前者关阀工况降低了83.2%，另协同关阀方式可降低阀腔内压力分布，最大压力仅为7.63 MPa，相比直线关阀方式处于较安全状态，即两种关阀方式以协同关阀对泵站进水阀使用寿命保证具有更大作用。

图7 协同关阀下流场分布特征(从上至下分别为流线、压力、阀腔内压力分布特征)

3 结 论

针对某抽水泵站进水阀内流场特性，基于流场计算理论与湍流模型，利用UG-CFD开展联合仿真建模计算，获得了阀门开度与关阀方式对进水阀内流场影响特性，主要有以下三点结论：

(1)研究了各开度下进水阀内流场分布特征，流速、压力与开度为反相关变化，开度30°时最大压力为9.8 MPa，而开度80°、90°下相比前者分别降低了24.9%、26.1%；低开度下阀内流场分布较为紊乱，水流在阀芯内滞留区域显著增多，下游段受水流冲击磨损影响较大，开度30°时下游段最大流速达70 m/s，应减少进水阀低开度运行时间。

(2)探讨了直线关阀方式对阀内流场特性影响，直线关阀时上下游段总存在压差，关阀过程中阀芯下部聚集有回旋涡流，最大压力达7.32 MPa，关阀初期下游压力高于上游段，在临近完成关阀时转变为上游段压力高于下游段，该关阀方式对上、下游段冲击磨损显著。

(3)获得了协同关阀方式下持续过程中流场特征，初期流线分布形态较好，流速较低，无显著涡旋，关阀后期压差减小，回旋涡流位于阀芯内卷；最大流速相比直接关阀方式下降低了83.2%，该种关阀方式下阀腔内压力分布减弱，最大仅为7.63 MPa，协同关阀方式有助于延长泵站进水阀使用寿命。