田间电磁阀阀腔水流阻力特性和流动规律分析

曹 彪，白云岗，张江辉，崔春亮，卢震林

(新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049)

0 引 言

灌溉技术对作物的生产和水分利用效率起着显著作用，现代农业中自动化控制已成为灌溉技术研究的重要内容。我国农业高效节水向农业高效用水转变，对灌溉技术也提出了新的要求，近年来我国在节水灌溉技术推广和应用方面取得了巨大进步，尤其微灌得到了大面积应用，但各种关键设备和关键工艺还有待进一步突破。特别是我国农业灌溉自动化实施以来，相关控制设备得到了大量的研发，开发的产品基本能够实现自动化调控的功能。但是由于我国农业灌溉自动化研究起步较晚，经验积累不足，研制的产品往往存在结构不合理，引起水流局部水头损失过大，造成高耗能，导致整个管网运行不经济。直流脉冲电磁阀作为一种农业高效节水灌溉自动化控制阀，可以实现对管道中的介质进行快速切断及远程控制等功能[1]。田间电磁阀的性能直接影响灌溉工程的质量和使用寿命。研究直流脉冲电磁阀水流阻力特性和流动规律对于田间灌溉自动化具有重要意义。

针对不同原理、作用和结构形式阀门的阻力特性和流动规律等方面的研究较多。石喜等[2]利用试验和数值模拟的研究方法，确定了聚氯乙烯球阀局部阻力系数与球阀相对开度间的关系。贺小峰[3]通过试验对水压球阀阀口的结构参数与流量特性间的规律进行了研究。伍悦滨等[4]通过实验研究建立了给水管网中闸阀局部阻力系数与相对开度的数学模型。汤跃等[5]对闸阀开启过程的非定常内部流动进行了数值模拟研究，分析了阀门开启过程中阀芯运动引起的流场变形。邹亮等[6]基于CFD动网格技术研究了蝶阀的关闭特性。国外Leutwyler[7]、Park[8]等亦对蝶阀的性能系数及其他基本参数进行了试验与数值模拟研究。关于阀门的研究主要集中在手动启闭的工况，对于依靠介质自身作用进行控制的自动阀门研究的较少。阀门实现自动控制须具备开闭力小、稳定性好、便于控制等特点，自动控制阀体结构具有不同于手动阀门的结构特点。特别是本文研究的直流脉冲电磁阀属于隔膜阀的一种，其启闭件是一块用橡胶制成的隔膜，它将阀体内腔与阀盖内腔隔开。利用隔膜上下运动达到闭合止水的目的，其具有结构紧凑，动作灵敏，性能可靠等特点，然而国内田间隔膜阀处于设计定型阶段[1,9-11]，针对其开展的流阻特性研究相对较少。

本文针对一种农用低压直流脉冲电磁阀，采用试验并结合数值模拟的方法对阻力特性和流动规律开展了研究，并得出了相应结论，以期为其推广应用和进一步优化提供理论依据。

1 阀体结构和试验设计

本文研究的田间电磁阀是新疆水利水电科学研究院自主研发的一种大田自动控制阀门，以橡胶作为介质，通过橡胶在阀体内部上下运动，封底流道，实现阀体的开闭[1]。本文研究的田间电磁阀阀体几何结构如图1所示。阀体结构大体呈“几”字型，包括：上游圆管连接段—控制段—下游圆管连接段，控制段是该阀门的核心段。控制段由半圆球形腔和平顺过度段组成，阀内隔膜通过在圆球形腔内垂直于管道上下移动，实现阀的开启和闭合。

图1 电磁阀实体Fig.1 The solenoid valve cavity

试验在新疆水利水电科学研究院农业节水大厅开展，试验布置如图2所示。试验过程中利用离心泵向管路中供水，管路中水流流量可以利用控制台设定，流量控制台主要通过变频器改变水泵转速，调节管路中的水流流量。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。测压点分别布设在测试阀体上、下游10倍和20倍孔口处，通过流量控制台依次设定不同流量，记录不同流速下各测点的压力值。为了提高试验精确性，试验操作重复3次，试验数据取均值。

图2 阀体试验测试简图Fig.2 Schematic diagram of test system

2 数值模拟计算方法

2.1 网格划分

根据阀体实测结构尺寸在Solidworks建立几何模型，图3所示为田间电磁阀阀体的几何模型。将绘制的模型导入GAMBIT中，进行网格划分，由于阀体结构较复杂，流体在阀体附近变化激烈，所以在阀体中心上、下游2D(D表示阀体内径，下同)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。阀体网格划分及局部加密结果如图4所示。为保证数值模拟计算准确性，阀体的上、下游计算尺寸分别取40D和50D。DN110和DN125的电磁阀内径分别为102 mm和116 mm， DN110阀体网格划分生成的网格数为587 651，DN125阀体网格划分生成的网格数679 642。

图3 几何模型Fig.3 Geometry model

图4 阀体网格划分及局部加密Fig.4 Grid mesh and Local encryption

2.2 基本控制方程

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，流动满足以下方程。

连续性方程：

动量方程：

在电磁阀阀腔内水流存在漩涡流动，所以考虑平均流动中的旋转及旋流流动情况，选用RNGk-ε湍流模型，k和ε的输运方程分别为：

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项。

2.3 边界条件与解析方法

计算时模型壁面采用无滑移光滑壁面，近壁区采用标准壁面函数，出口为自由出流(outflow)。采用基于压力的分离式求解器，隐式算法，计算对象设为空间三维，时间上设为稳态。边界条件进口设置为速度进口，方向垂直于水流断面，大小根据电磁阀试验时流量值除以断面面积得到，压力监测点分别布设在测试阀体上、下游10倍和20倍孔口处。分别设定不同速度大小，通过计算，记录压力监测点全压值。

3 结果与分析

3.1 电磁阀阀腔流量特征试验结果分析

流量系数是阀门重要工艺参数和技术指标。阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的重要指标，正确计算和选择CV值是保障管道流量控制系统正常工作的重要步骤。根据国家标准，阀门的流量系数按下式计算[15]：

(1)

其中：

ΔPv=ΔP1-ΔP2Cv=1.156Kv

(2)

式中：Q为通过阀门水的流量，m3/h；ρ为水的密度，kg/m3；ρ0为15 ℃时水的密度，kg/m3，试验时水温17 ℃，ρ/ρ0≈1；ΔP1表示阀门管道系统总压差，kPa；ΔP2表示管道系统产生的压差，kPa。

根据阀门的流量和阻力试验，利用式(1)、(2)计算流量系数。计算结果如表1。

表1 两种规格管径的电磁阀流量系数Tab.1 Flow coefficient of solenoid valve with two specifications

阀门流量系数值大，说明阀门的流通能力大，流体流过阀门时的压力损失小。DN110田间电磁阀流量系数为183 m3/h(国标)，DN125田间电磁阀流量系数为193 m3/h(国标)。说明不同管径的田间电磁阀阀腔，管径增大，过流能力增大，流经阀腔的流体阻力损失减小。

3.2 数值模拟结果验证及分析

在试验的基础上，采用RNGk-ε模型分别对DN110和DN125两种电磁阀阀体进行数值计算，数值模拟与试验结果如图5所示。从图5可知，田间电磁阀阀腔局部阻力系数均随雷诺数的增大而迅速降低，在雷诺数达到一定值后，局部阻力系数趋于一定值，随雷诺数的变化很小。这与球阀[2]、弯头(管)[13,14]等不同结构管道形变件局部阻力系数随雷诺数变化规律相似。同时数值计算结果与试验结果较吻合。DN110阀腔最大相对误差为20.2%，最小相对误差为6.7%；DN125 阀腔最大相对误差为25.9%，最小相对误差为5.2%。

图5 两种规格阀腔数值模拟与试验结果 Fig.5 Numerical simulation and test results of two specifications of valve cavity

阀门的局部阻力系数不仅与开度有关，还与管径密切相关[6]。分别对DN63、DN75、DN90、DN140、DN160进行数值计算，速度值取2.2 m/s，保证通过阀腔的流体流态处于阻力平方区，局部阻力系数变化不受雷诺数的影响[15]。阀腔的局部阻力系数按式(3)计算：

(3)

式中：Hζ为阀腔引起的局部水头损失；v为管道平均流速。雷诺数通过公式(4)计算：

(4)

式中：d为管道内径；u为管道内水流平均流速；υ为水的运动黏度，计算时v取1.003×10-6m2/s。

表2 5种规格管径的电磁阀阀腔局部阻力系数计算结果Tab. 2 Four sizes of pipe diameters calculation result of local resistance coefficient of solenoid valve body

利用最小二乘法对7种规格田间电磁阀阀腔局部阻力系数值与管径尺寸进行拟合，拟合结果如下式：

ζ=3.314D0.172 3

经过误差分析，相关系数R2为0.86，相关性较好，可以为田间电磁阀阀腔局部阻力系数计算提供参考。

3.3 阀体内部阻力特点和流场分析

3.3.1 阀腔内部压力分析

阀腔数值计算时，沿管道方向为Z轴，以水平向左为正；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。将计算结果导入到Tecplot中，可视化处理结果如图6～8所示。

图6 阀腔内部静压分布Fig.6 Static pressure distribution in solenoid valve cavity

图6为垂直进口断面，速度2.2 m/s时，两种管径的阀腔内YZ截面内部静压分布，图中压力值是相对于管道出口处压强为一个大气压下的值。图中结果可以看出不同管径静压分布基本相同，压力沿程逐渐减小，上游管段静压值呈正值，下游管段静压值基本为负，在阀腔与管道进出口处静压变化出现较大的压力梯度。上游管段下侧受水流冲击，压力值最大，下游管道靠近阀体上侧出现压力最小值，阀腔内部静压分布表明田间电磁阀安装时上游管段主要防止管道内压，下游管段附近考虑防负压对管壁的吸附作用。

图7 阀腔内部总压分布Fig.7 Total pressure distribution in solenoid valve cavity

当阀腔水流流速为2.2 m/s时，两种管径的阀腔内部YZ截面总压分布如图7所示。流体总压是静压和动压之和。总压反应液体内部具有的能量，图7结果显示，阀腔内部流体中心位置动压压力梯度变化较明显，且主要集中在阀体出口处。下游管段上部总压为负值，流体流动主要集中在下游管段的底部，说明下游管段存在流体紊动、剪切和旋转不规则流动。

3.3.2 阀腔内部流场分析

图8为DN110和DN125两种管径的电磁阀进口水流速度为2.2 m/s时阀腔内部YZ截面流线图，阀腔内液流整体呈中部流速较大，上下侧流速较小的特点，上游管段流速分布较均匀，液体经过阀腔液流逐渐收缩，同时阀腔内部靠近进口处有漩涡产生，阀腔内部出口处流速梯度非常明显，局部最大流速可达6 m/s，进入下游管段液流继续收缩，下游管段上侧存在漩涡，同时水流撞击流道边壁发生折流在阀体下侧产生回流区。所以引起阀体阻力损失的位置主要是阀体内部和下游管段一段距离，主要原因是在整个阀腔和下游管道内部存在漩涡、水流内部紊动以及水流撞击边壁等引起的水流能量耗散的作用。

图8 阀腔流线图Fig.8 Streamline diagram in solenoid valve cavity

4 结 论

本文通过采用试验和数值模拟的方法对田间电磁阀阀腔阻力特性和内部流场开展了研究，得到以下结论。

(1)通过试验确定了DN110田间电磁阀阀腔流量系数为183 m3/h(国标)，DN125田间电磁阀阀腔流量系数为193 m3/h(国标)。

(2)运用RNGk-ε模型能很好的对田间电磁阀阀腔进行了模拟，同时利用数值模拟计算了DN63、DN75、DN90、DN140、DN160 五种规格田间电磁阀阀腔局部阻力系数，拟合出阀腔内水流处于阻力平方区时，田间电磁阀局部阻力系数与管径的关系式。

(3)田间电磁阀阀腔阻力损失的位置主要是阀体内部和下游管段一段距离，主要原因是阀腔内部和下游管段存在漩涡、水流紊动以及水流撞击边壁等引起的水流能量耗散的作用。