上翻式拍门开启过程的水力特性研究

游峻松，周大庆，郭俊勋，王胤淞

（1.河海大学水利水电学院，江苏南京 210009；2.河海大学能源与电气学院，江苏南京 211100）

0 引言

拍门是泵站不可缺少的重要设备，通常安装在排水管道尾端，其具有防止外水倒灌的功能，也兼备门页关闭的缓冲性能。拍门应该具备启闭可靠灵活，安全稳定，密封性能好等技术特点。根据不同的拍门门页开启方式，拍门可分为上翻式拍门、侧翻式拍门两种。上翻式拍门具有结构简单、可靠性好、开启灵活、成本低以及便于维修等优点，在泵站中得到广泛应用［1-3］。对于拍门水力特性已有不少研究，主要为拍门撞击相关理论研究和数值模拟研究［4-8］。洪顺军等［1］将上翻式拍门和侧翻式拍门作为研究对象，对比分析拍门水力特性，得出同等工况下侧翻式拍门的水力损失较小。唐敏嘉等［9］结合某泵站参数进行三维建模，对拍门动作过程中的不同角度进行研究，结果表明拍门水力损失系数随开启角度的增加而减少，变化幅度趋于平缓。王志祥等［10］通过研究不同拍门形式，不同门页数和不同材质拍门的开启角和撞击力，对比得出自由侧翻式拍门和复合材料拍门的较优水力性能。目前对于上翻式拍门水力特性的研究，集中于分析不同拍门类型或不同拍门开度下的水力特性，但通常是将拍门固定在某一角度，不符合拍门在实际工程中的运动规律。此外，现有研究也未考虑机组启动过程对拍门水力特性的影响，故完整地模拟出拍门在机组启动过程中的运动对研究其水力特性是十分必要的。

依托国内某泵站，应用Realizablek-ε湍流模型，使用用户自定义函数（UDF），应用动网格中的光顺法和重构法，并结合6DOF 算法，模拟出拍门在机组启动过程中随时间变化的运动，分析上翻式拍门在开启过程中的水力特性。

1 数值计算模型与方法

1.1 模拟计算域与网格划分

以某泵站为研究对象，该泵站主水泵采用1400ZLB 型立式半调节轴流泵，叶轮直径1.30 m，额定转速295 r∕min，设计流量6.04 m3∕s，建立了包括进水池、进水流道、泵段、出水流道、上翻式拍门、出水池等结构的计算模型。其整体示意图如图1所示，泵站模型入流方向为x方向，定义重力加速度-9.81 m∕s2（指向y轴负方向）。

图1 某泵站三维结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the three-dimensional structure of a pumping station

在求解过程中，控制方程会受到离散误差、离散方法等因素的影响从而产生离散误差，且误差随着网格数量的增多而减少，因此进行网格无关性分析是很有必要的。不同网格方案对应的网格数量、节点数量、机组扬程值见表1。

表1 网格无关性验证结果Tab.1 Grid independence verification results

由表1 可知，当网格数量达到1×107级别时，网格数量的变化已经不足以引起单方面的影响，故本研究选取方案5，计算模型采用对几何模型适应性较强的非结构化网格进行网格划分，网格采用四面体单元，并根据计算区域内水流水力特性合理划分，局部加密处理，参见图2，最终生成总网格数为10 495 599。

图2 计算模型非结构化网格划分示意图Fig.2 Schematic diagram of unstructured grid division of computational model

1.2 控制方程和湍流模型

本研究中考虑到泵站中流动为湍流等问题，选择基于压力法的求解器进行计算，并考虑重力项。通过将非定常的湍流问题转化为定常问题，则基于Boussinesq 涡团黏性假设，选择连续性方程和雷诺时均N-S方程，选择Realizablek-ε湍流模型对控制方程进行封闭［11］。

式中：ρ为流体密度；xi、xj为坐标分量；ui、uj为速度分量；fj为质量力分量；P为流体压强；μ为动力黏度系数；为湍流切应力；μt为湍流黏性系数；k为湍动能；ε为湍动能耗散率；σk、σε分别为k和ε的湍流普朗特数；Gk为湍动能产生项；C1、C2为常数，C1=1.44、C2=1.92；υ为运动黏度系数，计算精度为10-5。

1.3 边界条件设置

本研究设置进口为流速进口，出口为压力出口，除去交界面外统一设置为墙面边界，湍动能采用一阶迎风格式求解，采用有限体积法对本模型进行离散化处理，方程求解采用耦合算法，利用Fluent软件进行数值模拟，时间步长设置为0.001 s。

1.4 上翻式拍门结构及启动模拟方法

传统上翻式拍门结构较为常见，一般由门座、门铰、门页以及密封件构成，上翻式拍门在开启过程中，拍门门页自下而上运动，因此重力对水流流态影响较大。在机组启动过程中，上翻式拍门会先因所受合力作用不运动，之后会逐渐被水流冲开。当机组停运时，拍门受到自身重力的作用会下落，由于拍门受到水压作用，拍门会紧紧贴合与出水流道末端，防止水倒流，此时拍门门页与门座保持平行。拍门的材质主要为钢铁、木材或人工复合材料，人工复合材料的密度为碳钢密度的1∕4～1∕5，密度的差异主要体现在拍门所受浮重上，进而会影响到拍门在运动过程的开度变化速率和开度大小。本研究将上翻式拍门简化为2.06 m×2.2 m×0.06 m 的长方体门页与圆柱体门铰的组合结构，拍门质心到门铰中心的距离为1.02 m，拍门体积为0.28 m3，上翻式拍门重量、转动惯量较大，本研究设置拍门质量为800 kg，拍门安装倾角为5°。

应用Fluent 软件里的动网格技术，可以实现对变形问题或流体边界运动的模拟，通常将光顺法和重构法两者结合使用。光顺法是根据运动边界节点的位移量来修改流体域内部的节点位移，使得到新一位置的节点达到平衡，从而保证模拟出流体单元的变形；当位移过大时，网格会产生较为明显的变形和倾斜，这会严重影响网格质量进而降低计算精度，此时再根据重构法来对网格进行重新划分。拍门在开启过程中的运动为6DOF 运动，可通过6DOF 算法来实现对其6 个自由度的控制，使其只能沿着z轴进行转动，其他方向固定。在本研究中，针对上翻式拍门进行动网格技术处理，应用动网格中的光顺法和重构法，来模拟机组开启过程中的拍门实时运动状态；结合6DOF算法，在Fluent求解器计算过程中，明确上翻式拍门在机组启动过程中的质量和转动惯量，建立上翻式拍门的转动轴，即门铰中心所在的z轴正方向。上翻式拍门在开启时受到三种力的作用：拍门自重G、浮力W、水流冲力P。由已知各力，列出力矩平衡方程，可得拍门开启角度计算方程如下［12］：

式中：α为拍门开启角度；MG为浮重对拍门产生的力矩；Mc为水流冲力对拍门产生的力矩。

本研究是对上翻式拍门开启过程的模拟，因此同样需要对转轮转速做设定，使用用户自定义函数（UDF）对其进行设定，将转轮启动过程简化为转速线性增加，于5 s 时到达额定转速（295 r∕min）。计算过程包含转轮到达额定转速之后的十个转轮周期用时，因此总时长为7.034 s，模拟拍门在机组启动过程中随时间变化的运动状态。

2 结果与分析

2.1 上翻式拍门开启过程外特性参数

机组启动过程中转轮转速及上翻式拍门开度变化如图3所示。将转轮转速增加过程简化为线性增加过程，从0 s 开始，用时5 s到达额定转速，即点E。

图3 拍门开度及转轮转速随时间变化曲线Fig.3 Variation curve of flap valve opening and runner speed with time

上翻式拍门开启过程可分为以下3 个阶段：①A-B 快速开启阶段，上翻式拍门于0.021 s（点A）开启转动，以较快速率开启至0.654 s（点B），此时拍门开度为13.36°；②B-F 匀速开启阶段，上翻式拍门开启速率较第一阶段有所下降，在1.962 s（点C）-3.456 s（点D）这一时段内拍门开启速度有所上升，但整体开启速率在该阶段较为稳定。拍门于5.064 s（点F）达到最大开度，最大开度为23.76°；③F-G 稳定开启阶段，转轮到达额定转速后，再计算10个转轮周期来对拍门开启状态进行研究。模拟机组开启过程总时长为7.034 s，拍门于7.018 s（点G）保持稳定，拍门开度为20.36°。

图4展示启动过程中拍门所受力矩变化，在机组启动之初，拍门因受到自身重力、浮力和水流冲力的合力作用没有开启。拍门在0.021 s 时产生转动，此时因为水流积压，瞬时力矩为76 639.3 N·m。在0.021～0.654 s 这一拍门快速开启阶段，拍门平均力矩较高，在0.654 s 瞬时力矩为14 111.27 N·m。当拍门开度达到最大，此时的瞬时力矩为10 893.82 N·m。之后拍门所受力矩趋向平稳，当拍门开度稳定时的瞬时力矩为12 150.87 N·m。开启过程中平均拍门所受力矩为11 746.17 N·m。

图4 拍门所受力矩随时间变化曲线Fig.4 Variation curve of time-dependent torque on flap valve

2.2 上翻式拍门开启过程不同时刻流态分析

图5分别为拍门开始转动、拍门快速转动结束、拍门匀速转动过程、拍门最大开度、拍门稳定开度6个不同时刻对应的机组流线分布。在图5 中可以看出，在0.021 s 和0.654 s 这两个时刻，流道内流态正常，机组稳定，存在小部分流线从拍门和出水流道的间隙中流出。在1.962 s和3.456 s这两个时刻，流道内出现小部分回流、漩涡等现象，主要出现在出水池的壁面位置。在5.064 s 和7.018 s 这两个时刻，机组内包括泵段、进水流道等结构无不良流态，出水池内出现漩涡、回流等现象，对拍门开度造成一定的影响。

图5 不同时刻流道xy截面流线分布Fig.5 The velocity streamlines distribution at the xy section of the flow channel at different times

图6 展示了不同时刻出水流道、出水池在xy截面处的速度场变化。图6（a）可以看出，在出水流道出口和上翻式拍门交界处有较高流速水流，这是因为在机组开启之处，因为水流的挤压将拍门冲开。随着拍门开度逐渐增大，出水段内平均流速在增加，同时由于拍门和水流自重的双重影响，水流主要运动方向为沿着拍门门页下部表面向前流动，此部分水流流速也是在流经拍门时流速最大的。在流经拍门之后，水流流速逐渐衰减；有部分水流沿拍门页上部往拍门与出水流道连接缝隙出运动，主要是由于受到拍门对其的反作用力，并因为重力和出水池壁面影响，造成部分回流、漩涡现象。

图6 不同时刻出水段xy截面速度分布云图Fig.6 The velocity distribution at the xy section of water outlet section at different times

图7展示了不同时刻上翻式拍门在xy截面处的Q准则涡量变化。由图7（b）可以看出，有部分涡量出现在上翻式拍门门铰与门页连接的缝隙处，随着拍门开度的增加，出水池上壁面靠近拍门的部分会产生回流、漩涡，导致此处Q值增大。由图7（c）可以看出，因水流自重与拍门反作用力的共同影响，上翻式拍门前涡量明显。拍门开度增大后，涡量集中在拍门门页下部表面，在出水池下壁面会产生回流和漩涡，此部分水流流经拍门之后，出水池部分的Q值有所降低。

图7 不同时刻上翻式拍门处xy截面Q准则涡量云图Fig.7 The Q-criterion vorticity at the xy section of upturning flap valve at different times

2.3 水力损失分析

由于上翻式拍门门页对水流的阻碍作用，使得出水流道出口处的水流流速和流向都发生变化，从而产生水力损失。图8为上翻式拍门开启过程中拍门前后水力损失随时间变化的曲线，在拍门被水流冲开瞬间时的水力损失较大，且随着拍门开度的增加，拍门前后水力损失逐渐降低并趋于稳定，整个机组开启过程平均拍门前后水力损失为0.20 m。

图8 拍门前后水力损失随时间变化曲线Fig.8 Time curve of hydraulic loss before and after flap valve

由于拍门水力损失与拍门开度有关［13-15］，针对这一水力损失，对其进行无量纲化处理，可按照下式计算［16］：

式中：ΔΗ为拍门前后水力损失，m；υ1为拍门前水流流速，m∕s；g为重力加速度，取9.81 m∕s2。

将拍门运动过程中不同时刻的拍门水力损失和拍门前流速代入式（7），可以得到如图9展示的拍门水力损失系数随时间变化曲线。上翻式拍门在启动过程中的水力损失系数主要为脱流损失，这是由于出水口处的水流受到拍门挤压严重，产生一定的不良流态。机组启动过程中拍门水力损失平均值为1.43。

图9 拍门前后水力损失系数随时间变化曲线Fig.9 Time curve of hydraulic loss coefficient before and after flap valve

3 结论

采用Realizablek-ε湍流模型，通过用户自定义函数（UDF）、动网格技术、6DOF 算法，能够完整地模拟出拍门随时间变化的开启过程，进而分析上翻式拍门的水力特性，以期为之后对该结构的研究及应用提供参考。具体研究结论如下：

（1）在机组启动之初，拍门因受自身重力、浮力、水流冲力的合力作用不会打开，在开启的瞬间拍门受到极大水流冲力的作用，开启后水流冲力对于拍门的作用逐渐减弱。故本研究上翻式拍门于0.021 s 开启转动，开启速度先快后慢，于5.064 s 达到最大开度23.76°。转轮到达额定转速后，拍门开度会趋于稳定，本研究在转轮在5 s达到额定转速后再计算10个转轮周期，模拟机组开启过程总时长为7.034 s，拍门于7.018 s 保持稳定，稳定开度为20.36°。

（2）在拍门开启过程的不同阶段，机组内部压力和水流流线有较大差异。在机组启动之初，水流流态正常，由于拍门和水流自重的双重影响，水流主要运动方向为沿着拍门门页下部表面向前流动，存在小部分流线从拍门和出水流道的间隙中流出。随着时间推移，流道内会出现回流、漩涡等不良流态，集中出现在出水池壁面位置。这是因为流体受到出水池的限制，不同流速的水流在交界面处会相互挤压，产生反向流动，进而对拍门开度造成一定的影响。

（3）拍门开启瞬间水力损失较大，随着拍门开度的增加，水力损失会逐渐降低并趋于稳定，原因为上翻式拍门门页对水流的阻碍作用会严重影响水流流态，本研究过程平均拍门前后水力损失为0.20 m。对其进行无量纲化处理，可以得到拍门水力损失系数与时间的关系，本研究过程中拍门水力损失平均值为1.43。