典型控流调压阀后突扩体的压力特性

摘要： 为了研究突扩体对控流调压阀门的增压减振作用，以典型控流调压阀门（活塞式调流阀和固定式锥形阀）为研究对象，采用物模试验和三维数值模拟相结合的研究方法，重点对2类阀门在不同突扩体型、阀门开度及空化强度下的阀后流态及管壁压力特性进行了观测分析，探究突扩比与阀后稳定压力的定量关系，试验阀门通径为150 mm，阀门直径为150～370 mm，突扩体长度为1 000 mm.结果表明，突扩体能提升阀后管壁时均压力、减弱压力脉动的基本原理是水垫层效应.综合物模与数模试验结果，拟合得到了突扩比与阀后管壁稳定时均压力的关系式.突扩体可以提升阀门的工作背压，提升程度随突扩比的增大而渐缓.当突扩比为4.00时，阀后管壁稳定时均压力的增幅已非常平缓，趋于稳定.不同阀型试验结果差异小，说明突扩体的增压减振作用具有普适性.研究结果可供输水调压工程阀门段管道系统设计参考借鉴.

关键词： 控流调压阀；突扩体；突扩比；管壁压力

中图分类号： TV672.2 文献标志码： A 文章编号： 1674-8530（2024）10-1011-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0030

王蛟，胡亚安，段金宏，等.典型控流调压阀后突扩体的压力特性[J].排灌机械工程学报，2024，42（10）：1011-1017.

WANG Jiao， HU Yaan， DUAN Jinhong， et al. Pressure characteristics of sudden expansion pipe behind typical regulating valves[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（10）：1011-1017.（in Chinese）

Pressure characteristics of sudden expansion pipe

behind typical regulating valves

WANG Jiao1*，HU Yaan2，DUAN Jinhong3，ZHOU Jiayu1

（1. Southwest Research Institute for Hydraulic and Water Transport Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400016， China；2. Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing， Jiangsu 210029， China; 3. Chongqing Xike Water Transport Engineering Consulting Co.， Ltd.， Chongqing 400016， China）

Abstract： In order to study the pressurization and deactivation effect of sudden expansion on the valve， the typical valves （plunger valve and fixed cone valve） were taken as the research objects， and a research method combining physical model test and three-dimensional numerical simulation was adopted to observe and analyze the flow pattern as well as the wall pressure characteristics of the two types of valves under different sudden expansion size， valve opening， and cavitation strength. Then the quantitative relationship between the burst expansion ratio and the stable pressure behind the valve was investigated on a test valve diameter of 150 mm， valve diameter of 150-370 mm， and a sudden expansion pipe length of 1 000 mm. The test results show that the sudden expansion can raise the uniform pressure on the wall and weaken the pressure pulsation because sudden expansion will form water cushion. Based on the results of the physical test and numerical simulation， the relationship between the sudden expansion ratio and the time-average pressure on the wall was obtained by fitting. The sudden expansion can increase the working back pressure of the valve， and the promotion is gradually slow with the increase of the sudden expansion ratio. When the sudden expansion ratio is 4.00， the average pressure increase on the wall is very gentle and tends to be stable. The difference between the test results of different valve types is very small， which indicates that the supercharging and damping effect of sudden expansion has universal applicability. The research results can be used as a reference for the design of pipeline systems in the valve section of water conveyance and pressure regulation engineering.

Key words： regulating valve;sudden expansion;sudden expansion ratio;wall pressure

工业阀门具有精准控流、便于电气化集成等优点，在控流调压管道系统中应用广泛.但控流调压管道系统中阀门的工作条件一般较为恶劣，节流元件结构突变处常形成负压区，易诱生空化[1-4].强空化在溃灭时会侵蚀流道，甚至引发阀体及管道振动[5-6]、声振等不利现象，严重影响系统运维.例如，蝶阀在小开度下压力损失较大且易形成负压区[7]，进而诱生空化，甚至引发门体振动和工作噪声.锥形阀的倒锥体后缘容易形成低压区，亦容易导致空化初生[8].景洪水力式升船机采用了德国VAG公司生产的活塞阀作为输水系统的控制阀门，试验成果表明，活塞阀控流精确但空化强度大，噪声尖锐[9].可见，由于工业阀门的工作压差高、流速大，阀门空化很难避免，因此采取适当的防空化技术措施十分必要.

在工业阀门领域，常见的防空化技术措施是优化阀体流道结构.例如球阀通过优化阀座型式来提升抗空化性能[10-11]，锥形阀通过设置阀口环形孔板[12]或优化锥体型式来改善阀锥后缘低压区的空化强度[13]，活塞阀通过增设阀口出流套筒来抑制阀内空化[14-15]等，针对特定阀型进行结构优化可以显著提升其抗空化性能，但该类措施的普适性一般较差.在水工阀门领域，常利用廊道突扩体型（顶扩+底扩）来改善阀门段的抗空化性能[16-17].景洪水力式升船机借鉴了水工阀门突扩体防空化的技术思想，对输水系统进行了防空化技术改造，在控制阀门（活塞阀）后增设突扩体，使阀门段的空化强度得到了明显改善，阀后流道的时均压力有所提升，压力脉动显著下降[18].可见，利用突扩体来改善阀门空化性能对工业阀门同样适用，但由于工业阀门一般采用等管径输水管道，已有的对阀后突扩体的相关研究较少，突扩体对阀门段压力特性的影响规律尚不清楚.

由于综合性能较优，活塞式调流阀与固定式锥形阀已在控流调压管道系统中得到广泛应用[19].文中针对这2种典型控流调压阀门，通过物理模型试验和数值模拟方法，深入研究阀后突扩管道的压力特性，综合分析阀型、阀后流态等因素对突扩体管壁压力特性的影响规律，通过拟合得到突扩比与阀后管壁时均压力的关系式，以期为相关工程提供参考.

1 模型设计与验证

1.1 物理模型设计

文中物理模型试验装置如图1所示，该装置主要由离心泵、调节阀、稳压箱、试验段（试验阀门和透明玻璃管道）以及循环水库等组成.试验过程中，离心泵和循环水库作为供水供压系统，与调节阀和稳压箱一同为试验提供稳定的试验条件，流量、压力通过电磁流量计和电子压力表监测；为保证试验安全，增设了防爆泄压阀；试验突扩体采用有机玻璃材质，便于观察阀后水流流态及空化形态，突扩体管壁沿程安装数个高精度压力传感器，配合水力学分析系统，可研究管壁沿程压力特性；空化噪声特性则利用水听器监测，配合空化噪声采集及分析系统进行数据后处理.

物模试验对象包含2种工业阀门：一是活塞式调流阀，二是固定式锥形阀.阀门照片如图2所示.

研究定制了3种不同突扩比的圆形突扩管道，图3为突扩体示意图.

突扩比R的定义为

R=AeA，（1）

式中：Ae为突扩管道断面面积;A为阀门出口断面面积.

1.2 三维数模及验证

1.2.1 湍流模型

考虑到模拟范围内，紊动射流对突扩体边壁的冲击会形成明显的回流、涡旋，因此采用可以模拟平均流动中的旋涡流、分离流等复杂流动的RNG k-ε模型作为计算模型.RNG k-ε模型是在标准k-ε模型的基础上，对ε方程进行了改进，增加了附加项Rε，可提高快速应变流的计算精度.

k方程为

（ρk）t+（ρkui）xi=xjαkμeffkxj+Gk+ρε，（2）

ε方程为

（ρε）t+（ρεui）xi=xjαkμeffkxj+

C1εεkGk-C2ερε2k-Rε，（3）

式中：ρ为流体密度；k为湍动能；t为时间；ui为速度矢量；xi，xj为空间坐标；Gk为平均流速梯度引起的湍流动能；ε为湍动能耗散项；μeff为有效黏性系数； αk为k有效普朗特数的倒数；C1ε，C2ε为常数，取值分别为1.42和1.68.

Rε=Cμρη31（1-η1/η0）1+Ψη31ε2k，（4）

式中：η1=kε2（Jij·Jij），其中Jij为转动速度张量，Jij=12uixj+ujxi；η0，Ψ，Cμ为常数，取值分别为4.377，0.012和0.0845.

1.2.2 三维模型及网格划分

三维数学模型主要包括阀前整流段、试验阀门、圆形突扩体以及出流段.为更准确地模拟突扩管道内部的水力特性，阀前整流段和出流段均取10倍阀门通径长度，以稳定进出口边界条件.以突扩比4.00为例，三维数模示意图如图4所示.

数学模型采用混合网格划分方法，尝试多种网格尺度，进行网格有效性分析.随阀口区域网格的不断加密，阀门流量系数不断增大，当划分尺度≤5 mm时，流量系数基本稳定，表明模型在该划分尺度下，网格对计算结果不会再造成明显影响，即划分尺度合理.网格的最终划分尺度：整体采用10 mm，过渡段采用5 mm，阀口等流速梯度较大区域采用2 mm.网格划分如图5所示.

1.2.3 模型验证

通过对比阀后圆形突扩管道的管壁压力来验证数学模型的可靠性，压力测点与物模试验测点保持一致，如图6所示，对比结果如表1所示，表中p′1和p′2分别为阀门前、后的稳定压力.可见，在不同背压及压差下，数学模型的计算值Sv与试验值Ev的偏差Cv基本在5%以内，满足试验模拟精度要求.

1.3 试验工况

文中数值模拟作为物模试验的辅助手段，进行扩展计算.具体试验工况如表2所示.阀门通径a为150 mm，阀门直径Rv为150～370 mm，突扩体长度L为1 000 mm.试验过程中，重点对2类阀门在不同突扩体体型、开度及空化强度下的阀后流态及管壁压力特性进行了观测分析.

2 成果分析

2.1 阀后流态

由图6不同突扩体条件下的阀后典型流态可见，不同阀型阀后水流流态具有较大差异.活塞阀出流会形成扭绳型涡带，涡带围绕管道中心旋转形成旋涡流；锥形阀在导流罩的整流作用下出流则较为均匀，未见明显不良流态.突扩体的突扩比不同造成的影响体现在：R=1.00时，可见雾状空化云布满全管，空泡溃灭时直接作用于管壁而形成空蚀破坏；R=2.15时，空化射流与管壁间将形成不稳定水垫层；R=4.00时，空化射流与管壁间已形成稳定的水垫层，空泡溃灭对管壁的冲击将得到缓冲.但相对而言，突扩体形成的水垫层效应对锥形阀的作用更明显，这从阀后的空化流态中可以看出，主要是因为活塞阀出流为旋涡流，涡带会随突扩体的增大而增大，更难形成稳定的水垫层；而锥形阀则近乎为等断面出流，空化射流沿管轴扩散，增大的突扩体断面将形成稳定的水垫层.

2.2 突扩体管壁压力特性

管壁压力特性参数主要包含时均压力pav和脉动压力prms.时均压力表征阀后管壁的相对静压大小，从防空化角度而言，阀后管壁时均压力越高越有利于抑制空化；脉动压力表征压力的脉动强弱，其值越小越有利于管道安全.试验过程中，保持上游压力p上和下游压力p下不变，待压力稳定后采集一段时间，然后按下式计算时均压力和脉动压力.为了便于分析规律，可以对时均压力和脉动压力进行量纲一化处理.

pav=1N∑Ni=1pi，（5）

prms=∑Ni=1（pi-pav）2N-1，（6）

p′rms=prms/（0.5ρu2），（7）

p′av=（pav-p下）/（0.5ρu2），（8）

式中：pi为测点瞬时压力；i为具体采样样本；N为样本总数；p′av为时均压力量纲一值；p′rms为脉动压力量纲一值；u为断面平均流速.

为了便于分析，在每个突扩体沿程相同位置布设了4个压力观测点，如图7所示，水流方向从左到右.

2.2.1 开度对突扩体管壁压力特性的影响

图8为不同开度n下典型工况阀后突扩段的管壁压力量纲一值，以“活塞阀+R=2.15突扩体”为例.L/a为突扩体长度与阀门通径的比值.对比沿程时均压力特性可知，不同开度下，阀后沿程时均压力的分布情况在不断改变，说明阀后流场结构不稳定，但随开度的增大，整体管壁时均压力不断回升.对比压力脉动特性可知：阀门脉动压力沿程的分布规律类似，在阀口附近最大，而后逐步减小.无论是时均压力还是脉动压力，当开度≥0.3以后，压力特征值的变幅明显减小，分布规律也基本稳定，说明开度增大后，阀后流态已逐步趋于稳定.

2.2.2 阀型对突扩体管壁压力特性的影响

由前文分析可知，阀门在大开度条件下，突扩体管壁压力特性将趋于稳定，相对而言，1#测点距离阀口最近，脉动压力最强，4#测点压力最稳定，趋于下游稳定压力.图9为不同突扩比条件下，2类阀门在典型工况下的突扩体管壁压力特性.物模试验成果表明，与活塞阀相比，锥形阀脉动压力的变化幅度较小，活塞阀在等管径条件下的脉动压力明显更大，说明活塞阀的旋涡流态对阀后管道的冲击更强，但当突扩比增至4.00时，2类阀门的脉动压力基本降至同一水平，结合突扩比从2.15增至4.00时脉动压力的降幅明显下降现象，说明突扩比为4.00时，突扩体对阀门的减振作用已趋于稳定.对比2类阀门在不同突扩比下的时均压力可知，随突扩比的增大，突扩体管壁的时均压力在不断增加，但增幅有所减缓，且2类阀门的时均压力量纲一特征值较为接近，说明突扩体对阀门的增压作用具有普适性.

2.2.3 突扩比对突扩体管壁压力特性的影响

由于物模试验突扩体型有限，为了更充分地研究突扩体对阀门段时均压力的增压作用，进一步利用三维数学模型对不同突扩比下的阀门段时均压力特性进行了计算分析.数模阀门开度选择全开，以4#测点的管壁时均压力作为分析对象.图10为物模与数模突扩体管壁时均压力的对比图.

由图10可见，数值模拟结果与物模试验成果吻合度较好.随突扩比的增大，时均压力不断增大，但增幅不断减小，R=4.00时，时均压力的增幅已非常平缓.由阀门段阻力系数随突扩比的变化规律可知，阀后管壁压力的增幅与阻力系数的变化相似，说明突扩管道的增压效果主要与突扩管道的阻力变化有关.随突扩比的增大，其阻力系数增幅不断降低，因此阀后管壁压力的增幅也不断减小，趋于稳定.据此可以拟合得到阀后管壁稳定时均压力与突扩比的关系式为

pav=p下+0.5ρv2（1.325-6.188e-1.542R）.（9）

3 结 论

1） 阀后流态分析表明，突扩体具有增压减振作用的主要原因之一是突扩体形成了水垫层效应，增加了管壁时均压力，减弱了主流脉动强度.不同阀型出流流态有差异，活塞阀出流均匀性较差，会形成扭绳型涡带.锥形阀在导流罩的整流作用下，出流较为均匀.

2） 对比时均压力可知，随开度增大，活塞阀阀后时均压力的分布特性在不断改变，说明活塞阀阀后流场结构不稳定；锥形阀阀后时均压力分布则较为稳定，不同开度下的区别较小.对比脉动压力可知，2类阀门脉动压力沿程的分布规律类似，在阀口附近最大，而后逐步减小.但无论是时均压力还是脉动压力，当开度≥0.3以后，压力特征值的变幅均明显减小，分布规律也趋于稳定.

3） 物模试验成果表明，与活塞阀相比，锥形阀脉动压力的幅度较小，但当突扩比增至4.00时，2类阀门的脉动压力降至同一水平，结合突扩比从2.15增至4.00时脉动压力的降幅明显下降的现象，说明突扩比为4.00时，突扩体对阀门的减振作用已趋于稳定.对比2类阀门的时均压力可知，随突扩比的增大，突扩体管壁的时均压力不断增加，但增幅减缓，且2类阀门的时均压力量纲一特征值较为接近，说明突扩体对阀门的增压作用具有普适性.

4） 基于物模试验与数值模拟结果，拟合得到了突扩比与阀后管壁稳定时均压力的拟合关系式，当突扩比为4.00时，阀后管壁时均压力的增幅已趋于稳定，即控流调压阀后突扩体的突扩比选为4.00较优，进一步增大突扩比会明显增加工程投资，但对阀门的增益渐微.

文中研究对象为单阀门及阀后圆形突扩体，在复杂输水管道系统中，常有多阀汇流情况，此时阀门的空间组合型式、阀后突扩体的型式（圆形、矩形或异形）对压力特性的影响均有待进一步深入研究.

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（责任编辑 朱漪云）