為了研究泵系統(tǒng)調(diào)閥過程的瞬態(tài)特性和內(nèi)流機(jī)理，在一維分析軟件Flowmaster中建立了包含管路、閥門和泵在內(nèi)的仿真模型，并以三維簡化閘閥為模型，采用Fluent6.2進(jìn)行計算，對開啟過程的非定常內(nèi)部流動進(jìn)行數(shù)值模擬研究.采用動網(wǎng)格的方法分析了閥門開啟過程中閥芯運動引起的流場變形。結(jié)果表明：直線特性和對數(shù)特性的調(diào)節(jié)閥都具有快開特性，即流量變化對閥門的相對開度相當(dāng)敏感，當(dāng)閥門開度為10%～20%時，水擊壓力迅速下降;而通過內(nèi)部流態(tài)分析可知，在閥門開度較小的工況下，閥后流場紊亂，造成較大的水力損失，使阻力系數(shù)值增加，當(dāng)閥門開度小于50%時，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下閥門的阻力系數(shù)值有較大的區(qū)別由分析可知，研究閥門開啟過程的瞬態(tài)特性，以及建立內(nèi)部流態(tài)模型，都不能完全按照通常的穩(wěn)態(tài)理論進(jìn)行，尤其對閥門開度較小的工況，應(yīng)對其進(jìn)行一定程度的修正，以保證計算結(jié)果的正確性。

　　閥門作為管道系統(tǒng)中一種阻力可變的節(jié)流元件，通過改變其開度，可以改變管道系統(tǒng)的工作特性，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量和改變壓力的目的。它既是一種調(diào)節(jié)元件，同時也是一種控制元件，是實現(xiàn)管道系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)輸送的重要設(shè)備.使用閥門調(diào)節(jié)流量和控制瞬變壓力的關(guān)鍵因素是閥門的工作特性.由于閥門的工作特性受管道系統(tǒng)和工作狀態(tài)的影響很大，因而必須針對具體系統(tǒng)對閥門的特性進(jìn)行具體分析.

　　通常，對于在瞬態(tài)操作條件下工作的閥門，其設(shè)計也是利用了穩(wěn)態(tài)的結(jié)果，采取通常的設(shè)計方法，且在對泵系統(tǒng)進(jìn)行計算時，把閥門的動態(tài)模型處理為靜態(tài)模型進(jìn)行計算，而瞬態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能有很大的區(qū)別，因此很有必要研究閥門調(diào)節(jié)過程中的工作特性。但是，目前對閥門瞬態(tài)工作特性的研究工作，大多針對泵系統(tǒng)進(jìn)行水錘分析，閥門只是作為其中的一個元件;對于閥門內(nèi)部流態(tài)和外部工作特性的研究工作，由于非定常計算的難度和工作量較大，僅在試驗方面有一定的進(jìn)展，而在數(shù)值模擬方面至今未見如何解決閥門調(diào)節(jié)過程中精確定義其邊界問題的方法。

　　文中應(yīng)用外特性仿真分析以及內(nèi)部流態(tài)分析軟件，針對閥門瞬態(tài)工作過程的調(diào)節(jié)特性進(jìn)行研究，并對閥門的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)阻力系數(shù)進(jìn)行對比分析，為分析閥門的動態(tài)特性提供一定的參考依據(jù)。

1、仿真分析模型

　　針對典型的泵裝置系統(tǒng)，建立仿真模型如圖1所示，供水裝置系統(tǒng)分為很多個計算模塊，其中進(jìn)出口壓力大小設(shè)為大氣壓力值，閥門的運動特性由閥門控制器來確定，圖中黑色圓點代表節(jié)點。

圖1 泵裝置系統(tǒng)仿真模型

2、閥門的調(diào)節(jié)特性

　　2.1、閥門的流量特性

　　閥門的流量特性通常以相對流量NQ(某一開度時的流量與全開時流量之比)與相對開度φ(某一開度時閥桿行程或轉(zhuǎn)角與全開閥桿行程或轉(zhuǎn)角之比)的關(guān)系來表示，并以流量系數(shù)KQ(相對流量與閥門的最大通過能力的乘積)來衡量。

　　通常，閥門說明書上提供的流量系數(shù)是以清水為介質(zhì)，閥門前后的壓差為0.1MPa，流體的密度為1000kg/m3。這種規(guī)定條件下的流量特性稱為閥門的固有流量特性。常見的調(diào)節(jié)閥固有流量特性有快開、直線和等百分比特性等3種.如圖2所示，曲線1，2，3分別是理想的快開特性、直線特性和等百分比特性閥門的特性曲線。但是在對閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)的過程中，由于閥門開度的改變，會對水力產(chǎn)生一定的擾動作用，并對水擊有一定的反射作用，這稱為閥門的動態(tài)特性，它與管路系統(tǒng)和調(diào)閥規(guī)律都有關(guān)系。下面針對閥門調(diào)節(jié)所引起的管路負(fù)載快速變化的過程，對泵裝置系統(tǒng)的水力變化進(jìn)行分析，以研究閥門調(diào)節(jié)過程中，泵裝置系統(tǒng)特性以及閥門的動態(tài)特性。

圖2 閥門的流量特性

　　2.2、計算實例

　　水平輸水管道計算模型見圖1。兩種特性(直線特性和等百分比特性)的閥門安裝在距離心泵600m處。設(shè)閥門調(diào)節(jié)時間為10s。閥門在水力改變過程中的流量特性和閥前壓力計算結(jié)果見圖3-5。

圖3 直線閥固有特性與動態(tài)特性

圖4 等百分比閥固有特性與動態(tài)特性

圖5 閥前壓力

　　計算過程為閥門開啟的過程，由計算結(jié)果可知，即便安裝在短距離管線上，直線特性和等百分比特性的調(diào)節(jié)閥都具有快開特性，亦即閥在其開啟的初始行程和關(guān)閉的末段行程中，其流量變化對閥門的相對開度相當(dāng)敏感，因此閥門在此時的調(diào)節(jié)作用很明顯。分析其原因：當(dāng)管路系統(tǒng)中的管道長度足夠長時，管路的摩阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于閥門的阻力，可忽略不計，于是各種不同特性閥門的動態(tài)特性都向快開特性靠近，且管道越長快開特性越明顯，而當(dāng)管道長度較小時，閥門的動態(tài)特性和靜態(tài)特性較接近。如圖5所示，在閥開啟行程的前10%～20%，閥門的水擊壓力下降特別迅速，減壓幅值也很大.由于壓力的瞬變會帶來一系列的問題，因此在泵裝置系統(tǒng)中，應(yīng)注意閥門的正確操作。

　　由圖3，4還可知，閥門在t=10s時即調(diào)節(jié)結(jié)束之后，流量的變化會滯后一定的時間，兩種調(diào)節(jié)方案均在t=15s左右達(dá)到穩(wěn)定，其原因是由于泵的機(jī)組慣量所帶來的滯后性，且隨著機(jī)組慣量的增大，其滯后性會迅速增大，這一點在泵裝置系統(tǒng)中具有普遍性。

3、局部流動模擬分析

　　3.1、閥門模型建立及網(wǎng)格劃分

　　雖然動網(wǎng)格方法可以實現(xiàn)閥門的啟閉過程，但是由于閥門運動速度較快時，網(wǎng)格的更新速度加快，對網(wǎng)格的質(zhì)量要求較高，從而增加了計算時間。圖6給出了實際計算過程中閥芯網(wǎng)格更新的過程。由圖可知，在閥門開啟過程中，網(wǎng)格不斷地被拉伸更新，網(wǎng)格密度變得逐漸稀疏，這對于高精度的數(shù)值模擬造成了很大的障礙。因此，如何保證網(wǎng)格質(zhì)量且減少計算量，成為一個需要解決的關(guān)鍵問題。

圖6 網(wǎng)格變形圖

　　為解決這個問題，可參考區(qū)域動態(tài)滑移法，將閥門分為幾個計算區(qū)域，網(wǎng)格拉伸區(qū)和網(wǎng)格靜止區(qū)域。圖7為簡化的閘閥三維模型，動靜區(qū)域間采用滑移面連接的方法。在程序計算的過程中，單獨對網(wǎng)格更新區(qū)域采用含有移動邊界的N-S方程離散，而靜止區(qū)域采用N-S方程離散。

圖7 計算模型

　　將計算區(qū)域分區(qū)后，閥芯運動區(qū)域單獨進(jìn)行網(wǎng)格更新，這在計算中可以保證靜止區(qū)域原有的網(wǎng)格分布質(zhì)量，故大大提高了計算效率和精度。

　　對簡化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，閥芯在計算過程中，網(wǎng)格不斷地被拉伸和壓縮，因此，對閥芯部分加密，劃分結(jié)果如圖8所示。

圖8 計算網(wǎng)格

　　3.2、邊界條件

　　閥芯的運動采用動網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)，邊界新的位置由Fluent自動執(zhí)行更新。在使用動網(wǎng)格時，只需給定初始網(wǎng)格和使用用戶自定義函數(shù)定義運動區(qū)域的運動即可。

　　其邊界定義：采用速度進(jìn)口和自由出流邊界條件，在壁面處采用無滑移邊界條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù).閥芯的運動方式采用動邊界文件(udf)來控制。閥芯采用直線的啟閉規(guī)律，其運動速度為0.025m/s，運動時間為2s;計算時間步長為0.001s。

　　由于在閥門調(diào)節(jié)過程中，進(jìn)口速度處于變化的過程，因此，首先通過對泵系統(tǒng)裝置在Flowmaster中仿真分析，對計算得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出的方程作為計算邊界，閥門進(jìn)口速度曲線見圖9。

圖9 進(jìn)口速度曲線

　　對此曲線進(jìn)行二次擬合，則進(jìn)口速度表達(dá)式為

υ=-1.1133t2+3.9283t+0.0423， (1)

　　其相關(guān)系數(shù)為R2=0.998。

　　3.3、動態(tài)計算結(jié)果討論

　　閥芯運動過程在不同瞬時的速度和壓力場分布見圖10。

圖10 不同時刻速度和壓力分布圖

　　由于閥門本身的結(jié)構(gòu)特點，進(jìn)口段的通流面積較大，而經(jīng)過閥芯時通流面積突然縮小.這種結(jié)構(gòu)特點對流動的影響，從靜壓分布上表現(xiàn)為進(jìn)口段靜壓力相對較大，表明速度較小;出口端靜壓力較小，表明速度較大。而在閥芯位置處，截面的急劇縮小使流速迅速增大，由圖也可知，該位置的靜壓力值在整個流道內(nèi)是最低的。在出口段靠近閥芯處，有一個較大范圍的旋渦區(qū)，這是由于流體流向的突然改變產(chǎn)生的，會引起較大的能量損失。

　　隨著閥門開度的不斷增大，由于其通流面積不斷地增大，閥芯附近的壓力變化范圍逐漸增大，而閥后的負(fù)壓區(qū)域逐漸減小。從速度矢量圖上也能反映這個變化，t=1.40s時流動的旋渦區(qū)相對于t=0.05s時的減小了，但旋渦伴在閥門開啟的整個過程中都是存在的。

　　3.4、瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)阻力系數(shù)的比較

　　推得通過閥門的流量和損失系數(shù)的關(guān)系為

　　式中：Δh為壓力水頭，m;g為重力加速度，m/s²;A為管道截面積，m2;ξ為閥門的損失系數(shù).

　　由式(2)可知，當(dāng)閥門開度變化時，損失系數(shù)的變化導(dǎo)致了通過閥門流量的變化;這個流量的變化又對管路產(chǎn)生壓力變化。所以，確定一個正確的閥門損失系數(shù)與開度變化的關(guān)系，對于系統(tǒng)動態(tài)模型的建立是很重要的。

　　在閥芯開啟過程以及固定的情況下，利用公式(3)計算出閥門的損失系數(shù)，計算數(shù)據(jù)見表1，表中φ為閥門相對開度。

表1 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)阻力系數(shù)表

　　式中：Δp為被測閥門的壓力損失，即閥門的前后壓差;υav為流體在管道內(nèi)的平均流速;ρ為流體密度。

　　為了定量分析閥芯運動過程和穩(wěn)態(tài)過程的區(qū)別，設(shè)其阻力系數(shù)絕對誤差為

　　式中：ξs為瞬態(tài)計算阻力系數(shù);ξw為穩(wěn)態(tài)計算阻力系數(shù)。

　　將計算得到的數(shù)據(jù)以圖表的形式表示，見圖11。

圖11 瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的阻力系數(shù)誤差圖

　　由表1可知，隨著閥門開度φ的增大，瞬態(tài)阻力系數(shù)迅速降低，當(dāng)閥門開度到50%時，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)阻力系數(shù)值達(dá)到較小的值4左右。由閥門阻力系數(shù)的計算公式可知，此時閥芯所受到的阻力較小，即此時閥門的通流能力較強(qiáng);而在開度為4%時，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)阻力系數(shù)值均較大，即閥芯所受到的阻力值較大。同時比較分析圖11的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)阻力系數(shù)絕對誤差值可知，隨著閥門開度的增大，絕對誤差值逐漸降低，當(dāng)閥門開度達(dá)到50%時，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)阻力系數(shù)值基本達(dá)到一致。

　　由以上數(shù)據(jù)分析可知，在分析開啟或關(guān)閉過程中閥門的阻力特性時，不能完全按照通常的穩(wěn)態(tài)理論進(jìn)行，尤其是對閥門開度較小的工況，如果閥門開度小于50%時，應(yīng)對其進(jìn)行一定程度的修正，以保證計算結(jié)果的正確性。

4、結(jié)論

　　該研究驗證了動網(wǎng)格技術(shù)可用于閥門開啟過程中分析，閥門開啟過程中的瞬態(tài)特性，對于研究閥門動態(tài)特性、優(yōu)化閥門結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計，可提供一定的參考依據(jù)。

　　1)在閥門快速調(diào)節(jié)的過程中，閥門動態(tài)特性和靜態(tài)特性表現(xiàn)出較大的區(qū)別，且直線特性和等百分?jǐn)?shù)特性的調(diào)節(jié)閥都具有快開特性，即流量變化對閥門的相對開度相當(dāng)敏感，在閥門開度10%～20%范圍時，水擊壓力迅速下降。

　　2)比較分析靜態(tài)和動態(tài)的閥門阻力系數(shù)，閥門開度大于50%時，靜態(tài)和動態(tài)阻力系數(shù)值的差別較小;而在開度值小于50%時，動、靜阻力系數(shù)值有較大的區(qū)別，且隨著閥門開度的降低而增大。因此，在建立閥門的動態(tài)模型時應(yīng)當(dāng)加以考慮。

　　3)動網(wǎng)格技術(shù)模擬閥門的開啟過程中，水流的瞬態(tài)變化情況，相對于靜態(tài)仿真，動態(tài)仿真更能準(zhǔn)確地模擬出這個過程，且在閥門的開啟過程中，流場呈現(xiàn)復(fù)雜的非定常特性，閥芯后面在開度較小時出現(xiàn)很強(qiáng)的旋渦。

　　4)結(jié)合外特性分析軟件Flowmaster和局部流動分析軟件Fluent對閥門的動態(tài)特性進(jìn)行了研究，解決了閥門調(diào)節(jié)過程中復(fù)雜的邊界條件的定義問題。對于在瞬態(tài)工況下運行的閥門，其模型建立以及水力性能預(yù)測，都不能完全按照通常的穩(wěn)態(tài)理論進(jìn)行。