閘閥調節過(guò)程的三維模擬及其動(dòng)態(tài)模型
為了研究泵系統調閥過(guò)程的瞬態(tài)特性和內流機理，在一維分析軟件Flowmaster中建立了包含管路、閥門(mén)和泵在內的仿真模型，并以三維簡(jiǎn)化閘閥為模型，采用Fluent6.2進(jìn)行計算，對開(kāi)啟過(guò)程的非定常內部流動(dòng)進(jìn)行數值模擬研究.采用動(dòng)網(wǎng)格的方法分析了閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中閥芯運動(dòng)引起的流場(chǎng)變形。結果表明：直線(xiàn)特性和對數特性的調節閥都具有快開(kāi)特性，即流量變化對閥門(mén)的相對開(kāi)度相當敏感，當閥門(mén)開(kāi)度為10%～20%時(shí)，水擊壓力迅速下降;而通過(guò)內部流態(tài)分析可知，在閥門(mén)開(kāi)度較小的工況下，閥后流場(chǎng)紊亂，造成較大的水力損失，使阻力系數值增加，當閥門(mén)開(kāi)度小于50%時(shí)，穩態(tài)和瞬態(tài)工況下閥門(mén)的阻力系數值有較大的區別由分析可知，研究閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程的瞬態(tài)特性，以及建立內部流態(tài)模型，都不能完全按照通常的穩態(tài)理論進(jìn)行，尤其對閥門(mén)開(kāi)度較小的工況，應對其進(jìn)行一定程度的修正，以保證計算結果的正確性。
閥門(mén)作為管道系統中一種阻力可變的節流元件，通過(guò)改變其開(kāi)度，可以改變管道系統的工作特性，從而實(shí)現調節流量和改變壓力的目的。它既是一種調節元件，同時(shí)也是一種控制元件，是實(shí)現管道系統安全經(jīng)濟輸送的重要設備.使用閥門(mén)調節流量和控制瞬變壓力的關(guān)鍵因素是閥門(mén)的工作特性.由于閥門(mén)的工作特性受管道系統和工作狀態(tài)的影響很大，因而必須針對具體系統對閥門(mén)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(mén)，其設計也是利用了穩態(tài)的結果，采取通常的設計方法，且在對泵系統進(jìn)行計算時(shí)，把閥門(mén)的動(dòng)態(tài)模型處理為靜態(tài)模型進(jìn)行計算，而瞬態(tài)性能與穩態(tài)性能有很大的區別，因此很有必要研究閥門(mén)調節過(guò)程中的工作特性。但是，目前對閥門(mén)瞬態(tài)工作特性的研究工作，大多針對泵系統進(jìn)行水錘分析，閥門(mén)只是作為其中的一個(gè)元件;對于閥門(mén)內部流態(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，而在數值模擬方面至今未見(jiàn)如何解決閥門(mén)調節過(guò)程中精確定義其邊界問(wèn)題的方法。
文中應用外特性仿真分析以及內部流態(tài)分析軟件，針對閥門(mén)瞬態(tài)工作過(guò)程的調節特性進(jìn)行研究，并對閥門(mén)的瞬態(tài)和穩態(tài)阻力系數進(jìn)行對比分析，為分析閥門(mén)的動(dòng)態(tài)特性提供一定的參考依據。
1、仿真分析模型
針對典型的泵裝置系統，建立仿真模型如圖1所示，供水裝置系統分為很多個(gè)計算模塊，其中進(jìn)出口壓力大小設為大氣壓力值，閥門(mén)的運動(dòng)特性由閥門(mén)控制器來(lái)確定，圖中黑色圓點(diǎn)代表節點(diǎn)。
圖1 泵裝置系統仿真模型
2、閥門(mén)的調節特性
2.1、閥門(mén)的流量特性
閥門(mén)的流量特性通常以相對流量NQ(某一開(kāi)度時(shí)的流量與全開(kāi)時(shí)流量之比)與相對開(kāi)度φ(某一開(kāi)度時(shí)閥桿行程或轉角與全開(kāi)閥桿行程或轉角之比)的關(guān)系來(lái)表示，并以流量系數KQ(相對流量與閥門(mén)的最大通過(guò)能力的乘積)來(lái)衡量。
通常，閥門(mén)說(shuō)明書(shū)上提供的流量系數是以清水為介質(zhì)，閥門(mén)前后的壓差為0.1MPa，流體的密度為1000kg/m3。這種規定條件下的流量特性稱(chēng)為閥門(mén)的固有流量特性。常見(jiàn)的調節閥固有流量特性有快開(kāi)、直線(xiàn)和等百分比特性等3種.如圖2所示，曲線(xiàn)1，2，3分別是理想的快開(kāi)特性、直線(xiàn)特性和等百分比特性閥門(mén)的特性曲線(xiàn)。但是在對閥門(mén)進(jìn)行調節的過(guò)程中，由于閥門(mén)開(kāi)度的改變，會(huì )對水力產(chǎn)生一定的擾動(dòng)作用，并對水擊有一定的反射作用，這稱(chēng)為閥門(mén)的動(dòng)態(tài)特性，它與管路系統和調閥規律都有關(guān)系。下面針對閥門(mén)調節所引起的管路負載快速變化的過(guò)程，對泵裝置系統的水力變化進(jìn)行分析，以研究閥門(mén)調節過(guò)程中，泵裝置系統特性以及閥門(mén)的動(dòng)態(tài)特性。
圖2 閥門(mén)的流量特性
2.2、計算實(shí)例
水平輸水管道計算模型見(jiàn)圖1。兩種特性(直線(xiàn)特性和等百分比特性)的閥門(mén)安裝在距離心泵600m處。設閥門(mén)調節時(shí)間為10s。閥門(mén)在水力改變過(guò)程中的流量特性和閥前壓力計算結果見(jiàn)圖3-5。
圖3 直線(xiàn)閥固有特性與動(dòng)態(tài)特性
圖4 等百分比閥固有特性與動(dòng)態(tài)特性
圖5 閥前壓力
計算過(guò)程為閥門(mén)開(kāi)啟的過(guò)程，由計算結果可知，即便安裝在短距離管線(xiàn)上，直線(xiàn)特性和等百分比特性的調節閥都具有快開(kāi)特性，亦即閥在其開(kāi)啟的初始行程和關(guān)閉的末段行程中，其流量變化對閥門(mén)的相對開(kāi)度相當敏感，因此閥門(mén)在此時(shí)的調節作用很明顯。分析其原因：當管路系統中的管道長(cháng)度足夠長(cháng)時(shí)，管路的摩阻遠遠大于閥門(mén)的阻力，可忽略不計，于是各種不同特性閥門(mén)的動(dòng)態(tài)特性都向快開(kāi)特性靠近，且管道越長(cháng)快開(kāi)特性越明顯，而當管道長(cháng)度較小時(shí)，閥門(mén)的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性較接近。如圖5所示，在閥開(kāi)啟行程的前10%～20%，閥門(mén)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(huì )帶來(lái)一系列的問(wèn)題，因此在泵裝置系統中，應注意閥門(mén)的正確操作。
由圖3，4還可知，閥門(mén)在t=10s時(shí)即調節結束之后，流量的變化會(huì )滯后一定的時(shí)間，兩種調節方案均在t=15s左右達到穩定，其原因是由于泵的機組慣量所帶來(lái)的滯后性，且隨著(zhù)機組慣量的增大，其滯后性會(huì )迅速增大，這一點(diǎn)在泵裝置系統中具有普遍性。
3、局部流動(dòng)模擬分析
3.1、閥門(mén)模型建立及網(wǎng)格劃分
雖然動(dòng)網(wǎng)格方法可以實(shí)現閥門(mén)的啟閉過(guò)程，但是由于閥門(mén)運動(dòng)速度較快時(shí)，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(shí)間。圖6給出了實(shí)際計算過(guò)程中閥芯網(wǎng)格更新的過(guò)程。由圖可知，在閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)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(gè)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
圖6 網(wǎng)格變形圖
為解決這個(gè)問(wèn)題，可參考區域動(dòng)態(tài)滑移法，將閥門(mén)分為幾個(gè)計算區域，網(wǎng)格拉伸區和網(wǎng)格靜止區域。圖7為簡(jiǎn)化的閘閥三維模型，動(dòng)靜區域間采用滑移面連接的方法。在程序計算的過(guò)程中，單獨對網(wǎng)格更新區域采用含有移動(dòng)邊界的N-S方程離散，而靜止區域采用N-S方程離散。
圖7 計算模型
將計算區域分區后，閥芯運動(dòng)區域單獨進(jìn)行網(wǎng)格更新，這在計算中可以保證靜止區域原有的網(wǎng)格分布質(zhì)量，故大大提高了計算效率和精度。
對簡(jiǎn)化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，閥芯在計算過(guò)程中，網(wǎng)格不斷地被拉伸和壓縮，因此，對閥芯部分加密，劃分結果如圖8所示。
圖8 計算網(wǎng)格
3.2、邊界條件
閥芯的運動(dòng)采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現，邊界新的位置由Fluent自動(dòng)執行更新。在使用動(dòng)網(wǎng)格時(shí)，只需給定初始網(wǎng)格和使用用戶(hù)自定義函數定義運動(dòng)區域的運動(dòng)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(wú)滑移邊界條件，近壁區采用標準壁面函數.閥芯的運動(dòng)方式采用動(dòng)邊界文件(udf)來(lái)控制。閥芯采用直線(xiàn)的啟閉規律，其運動(dòng)速度為0.025m/s，運動(dòng)時(shí)間為2s;計算時(shí)間步長(cháng)為0.001s。
由于在閥門(mén)調節過(guò)程中，進(jìn)口速度處于變化的過(guò)程，因此，首先通過(guò)對泵系統裝置在Flowmaster中仿真分析，對計算得出的數據進(jìn)行擬合，得出的方程作為計算邊界，閥門(mén)進(jìn)口速度曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。
圖9 進(jìn)口速度曲線(xiàn)
對此曲線(xiàn)進(jìn)行二次擬合，則進(jìn)口速度表達式為
υ=-1.1133t2+3.9283t+0.0423， (1)
其相關(guān)系數為R2=0.998。
3.3、動(dòng)態(tài)計算結果討論
閥芯運動(dòng)過(guò)程在不同瞬時(shí)的速度和壓力場(chǎng)分布見(jiàn)圖10。
圖10 不同時(shí)刻速度和壓力分布圖
由于閥門(mén)本身的結構特點(diǎn)，進(jìn)口段的通流面積較大，而經(jīng)過(guò)閥芯時(shí)通流面積突然縮小.這種結構特點(diǎn)對流動(dòng)的影響，從靜壓分布上表現為進(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(gè)流道內是最低的。在出口段靠近閥芯處，有一個(gè)較大范圍的旋渦區，這是由于流體流向的突然改變產(chǎn)生的，會(huì )引起較大的能量損失。
隨著(zhù)閥門(mén)開(kāi)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，而閥后的負壓區域逐漸減小。從速度矢量圖上也能反映這個(gè)變化，t=1.40s時(shí)流動(dòng)的旋渦區相對于t=0.05s時(shí)的減小了，但旋渦伴在閥門(mén)開(kāi)啟的整個(gè)過(guò)程中都是存在的。
3.4、瞬態(tài)和穩態(tài)阻力系數的比較
推得通過(guò)閥門(mén)的流量和損失系數的關(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(mén)的損失系數.
由式(2)可知，當閥門(mén)開(kāi)度變化時(shí)，損失系數的變化導致了通過(guò)閥門(mén)流量的變化;這個(gè)流量的變化又對管路產(chǎn)生壓力變化。所以，確定一個(gè)正確的閥門(mén)損失系數與開(kāi)度變化的關(guān)系，對于系統動(dòng)態(tài)模型的建立是很重要的。
在閥芯開(kāi)啟過(guò)程以及固定的情況下，利用公式(3)計算出閥門(mén)的損失系數，計算數據見(jiàn)表1，表中φ為閥門(mén)相對開(kāi)度。
表1 穩態(tài)和瞬態(tài)阻力系數表
式中：Δp為被測閥門(mén)的壓力損失，即閥門(mén)的前后壓差;υav為流體在管道內的平均流速;ρ為流體密度。
為了定量分析閥芯運動(dòng)過(guò)程和穩態(tài)過(guò)程的區別，設其阻力系數絕對誤差為
式中：ξs為瞬態(tài)計算阻力系數;ξw為穩態(tài)計算阻力系數。
將計算得到的數據以圖表的形式表示，見(jiàn)圖11。
圖11 瞬態(tài)和穩態(tài)的阻力系數誤差圖
由表1可知，隨著(zhù)閥門(mén)開(kāi)度φ的增大，瞬態(tài)阻力系數迅速降低，當閥門(mén)開(kāi)度到50%時(shí)，穩態(tài)和瞬態(tài)阻力系數值達到較小的值4左右。由閥門(mén)阻力系數的計算公式可知，此時(shí)閥芯所受到的阻力較小，即此時(shí)閥門(mén)的通流能力較強;而在開(kāi)度為4%時(shí)，穩態(tài)和瞬態(tài)阻力系數值均較大，即閥芯所受到的阻力值較大。同時(shí)比較分析圖11的瞬態(tài)和穩態(tài)阻力系數絕對誤差值可知，隨著(zhù)閥門(mén)開(kāi)度的增大，絕對誤差值逐漸降低，當閥門(mén)開(kāi)度達到50%時(shí)，穩態(tài)和瞬態(tài)阻力系數值基本達到一致。
由以上數據分析可知，在分析開(kāi)啟或關(guān)閉過(guò)程中閥門(mén)的阻力特性時(shí)，不能完全按照通常的穩態(tài)理論進(jìn)行，尤其是對閥門(mén)開(kāi)度較小的工況，如果閥門(mén)開(kāi)度小于50%時(shí)，應對其進(jìn)行一定程度的修正，以保證計算結果的正確性。
4、結論
該研究驗證了動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)可用于閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中分析，閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中的瞬態(tài)特性，對于研究閥門(mén)動(dòng)態(tài)特性、優(yōu)化閥門(mén)結構與強度設計，可提供一定的參考依據。
1)在閥門(mén)快速調節的過(guò)程中，閥門(mén)動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性表現出較大的區別，且直線(xiàn)特性和等百分數特性的調節閥都具有快開(kāi)特性，即流量變化對閥門(mén)的相對開(kāi)度相當敏感，在閥門(mén)開(kāi)度10%～20%范圍時(shí)，水擊壓力迅速下降。
2)比較分析靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的閥門(mén)阻力系數，閥門(mén)開(kāi)度大于50%時(shí)，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)阻力系數值的差別較小;而在開(kāi)度值小于50%時(shí)，動(dòng)、靜阻力系數值有較大的區別，且隨著(zhù)閥門(mén)開(kāi)度的降低而增大。因此，在建立閥門(mén)的動(dòng)態(tài)模型時(shí)應當加以考慮。
3)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬閥門(mén)的開(kāi)啟過(guò)程中，水流的瞬態(tài)變化情況，相對于靜態(tài)仿真，動(dòng)態(tài)仿真更能準確地模擬出這個(gè)過(guò)程，且在閥門(mén)的開(kāi)啟過(guò)程中，流場(chǎng)呈現復雜的非定常特性，閥芯后面在開(kāi)度較小時(shí)出現很強的旋渦。
4)結合外特性分析軟件Flowmaster和局部流動(dòng)分析軟件Fluent對閥門(mén)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，解決了閥門(mén)調節過(guò)程中復雜的邊界條件的定義問(wèn)題。對于在瞬態(tài)工況下運行的閥門(mén)，其模型建立以及水力性能預測，都不能完全按照通常的穩態(tài)理論進(jìn)行。
