消能锥形阀过流状态研究与优化

秦武+李志鹏+喻哲钦+童成彪+巨伟

摘要：消能锥形阀是一种用于中、高水头下的消能控流阀门，其内部结构设计的好坏直接影响着控流效果。为探究消能锥形阀在不同开度下，过流流量及内部流场的变化情况。进行了模型试验与CFD数值模拟计算，试验中发现开度从100%关至85%时出现了流量反而上升、进口压力下降的情况。利用CFD数值模拟的方法对内部流场进行了可视化研究。研究结果表明，在全开状态下锥形阀内部存在以下问题：过强的局部高速高压区域、低速流动死区范围过大、涡流区过度影响高速过流部分。并对锥形阀进行了一定的结构改进，优化了其内部流场情况。

关键词：锥形阀；试验；CFD；开度；过流能力；内部结构；优化设计

中图分类号：TV131.4文献标志码：A文章编号：1672-1683（2017）01-0193-06

Abstract：Energy dissipating fixed cone valve is used under medium or high water head，and the design of its internal structure directly affects its flow control efficiency.To study the changes of the valve′s internal flow field and flow rate when the closed switch is opened to varied degrees，the writer conducted model tests and CFD numerical simulation computation，and found that when the switch was turned down from 100% open to 85% open，the flow rate increased and pressure around the inlet dropped.The writer also conducted visualization research on the valve′s internal flow field through CFD numerical simulation，and the results showed the following problems inside the valve when the switch was fully open：excessively high speed and high pressure in partial areas，extensive low-flow stagnation areas，excess impact of eddy area on the high-speed flow area.Finally，the writer optimized the valve′s structure and its internal flow field.

Key words：fixed cone valve；test；CFD；opening degree；flow capacity；internal structure；optimal design

泄水消能建筑是水利水電工程建设中的重要组成部分。在水利水电工程中，泄水消能建筑的建设成本达到了总建设成本的三成以上[1]， 所以优化泄水消能设备使其在相同的条件下达到更好的使用效果具有重要的工程应用价值。消能锥形阀一般应用于较高水头、大流量下的消能控流工作，其内部流场较为复杂，通过内部消能结构促生高速流撞击、漩涡、摩擦、扩散等现象，以此将过大的出流能量转化消除[2-3]。魏文礼等人研究并提出了利用嵌套式结构提高锥形阀的消能效果[4-5]。Dallin Stephens，Michael C.Johnson等人为提高锥形阀的性能效果，创新地在锥形阀内部增加了金属罩部件。 [6-7]。李颖，杨东升在对内流式锥形阀的流场情况进行了仿真计算，并对结构进行了优化[8-9]。郑淑娟等人对锥形阀内部流场进行了预测得到了更精确的液动力计算公式[10-12]。Ji Kang Bo在应用研究中验证了流固耦合的多学科联合优化设计在锥形阀领域的可行性[13]。国外科研团队则通过大量的试验研究认为消能锥形阀可以对高水头出流达到70%以上的消能效果[14-15]。兰州理工大学闵为等人利用流固耦合的模拟方法得出合理选取半锥角度可以改善锥形阀的稳定性、优化出流条件[16-17]。Jalal M.Jalil等对锥形阀数值研究和试验进行了联合研究，对阀芯位置、涡流半径及强度等对锥形阀整体性能影响进行了探讨[18]。Kelly Roes则通过研究认为消能锥形阀内部结构尺寸与部件的选择设计对消能锥形阀的整体消能效果起到关键作用[19]。

消能锥形阀除了消减上游过大水头能量外还担负着一定的流量调节作用。文本目的在于探究不同开度下消能锥形阀过流流量、进出口压力及内部流场的变化情况；并尝试对其进行优化改进。研究中，先进行不同开度下的锥形阀模型试验。再利用CFD数值模拟的手段进一步对内部流场进行分析，并根据分析结果对锥形阀进行一定的优化改进。

1 锥形阀模型试验

1.1 试验模型与装置

本次试验模型以某大型阀门企业提供的消能锥形阀为原型制作。根据试验条件对原型进行一定比例的缩小处理。原型锥形阀进口直径为2.5 m，缩小模型的几何比例尺为30。本次搭建了完整的水力工程试验台进行试验工作，使模型与原型满足弗劳德数相似，其模型流速比例尺为5.48，流量比例尺为4 929.50。

图1为消能锥形阀模型内部结构情况，为了更清楚地表示锥形阀开度定位情况，锥形阀内部只绘制出锥形阀芯与启闭套筒。该消能锥形阀通过启闭套筒在水平方向的前后移动来改变开度的大小。图1L中是启闭套筒最大开启行程，L1是当前位置的开启行程。当套筒关闭至与锥形阀芯相贴合时，达到对过流的完全截止，即L1=0；同时，启闭套筒也可开启至最大行程开度，即L1=L。并将消能锥形阀的行程开度定义为K=L1/L×100%。

试验模型采用高强度的有机玻璃材料制作，以更好的观察锥形阀内部的流动情况。在试验装置本上，次试验采用高位供水水箱提供稳定的恒压进流。在锥形阀前后连接了测压管测量其进出口压力值的大小。并在试验装置出流水槽处设置了量水三角堰。模型试验装置见图2。

压力降低的反常现象。故认为该锥形阀存在有全开状态下过流能力不佳的问题，且该变化趋势在实际应用中将对压力流量的调节产生不利影响。为了探究该现象发生的原因并优化消能锥形阀的过流条件。在后续研究中采用CFD数值模拟的方法对不同开度下锥形阀内部流场进行了相同工况条件下的数值模拟分析。

2 数值模拟分析

2.1 三维建模

本次采用Pro/E软件进行锥形阀三维模型的建立。三维建模是为CFD流体计算提供几何计算域，为了保证模拟与试验的一致性，三维建模尺寸采用与试验模型相同比例尺进行缩小。本次研究的消能锥形阀，内部部件包括：锥形阀芯、环形孔套、启闭套筒。建模过程中先建立锥形阀整体流道的几何模型。再分别建立启闭套筒、阀芯、孔套等内部结构，通过模型切除的操作从整体流道中切除为非流通壁面区域的内部部件，即得到所需要的三维计算域。

2.2 網格划分与参数设置

网格划分是CFD模拟计算中质量要求最严格的一步，所建网格质量的好坏将直接关系到是否能够得到准确的收敛结果。本次研究采用ANSYS软件组中的ICEM软件进行网格划分。由于锥形阀内部结构复杂，故采用几何适应性更好的非结构化网格进行划分。同时，为了更好的体现锥形阀内部几何结构，计算网格尺寸设定为0.19。全开状态下模型网格数量为1150万，小开度下模型网格数量略微减少，40%开度下网格数量为1 000万。经网格检查其质量均在0.35以上，符合本次研究的计算精度要求。消能锥形阀三维内部结构及网格划分情况见图4。

完成网格划分后，在CFX软件中进行模拟计算及计算结果的后处理分析。CFX同属于ANSYS软件组，具有计算精度高、收敛效果好及计算速度快等优点。模拟参数设置的关键在于确定合适的边界条件进行数值计算。本次模拟采用收敛效果较好的进口速度与出口压力来进行设置，内部套筒、阀芯及孔套等结构则设置为非流通的wall边界。完成设置后进行迭代计算，均在500步以内得到收敛结果。

2.3 模拟结果及误差分析

本次模拟采用速度进口和压力出口边界设置，进口压力是模拟关键的结果值，故可以通过对比分析数值模拟与模型试验中进口压力值，进行模拟计算精度的验证。表2为模拟精度验证结果，试验与模型进口压力对比见图5。

从验证结果可以看出，在较大开度下数值模拟具有很高的精度，70%以上开度误差小于5%，在55%和40%的小开度下误差上升到5%左右。从折线图看，模拟随开度改变压力变化的趋势与试验一致。通过对CFD模拟与模型试验方法、过程进行分析，得出可能造成误差的原因有以下几点：

首先，在小开度下由于流道对过流更强的阻碍作用，造成内部流场的进一步复杂化，对数值模拟的准确计算造成了困难。其次，试验模型在加工制造上难免会与理想模型存在误差。其三，试验与模拟本身均存在难以避免的误差。例如在试验中实验仪器与试验人员观察计量上存在不可避免的误差；同时CFD数值模拟作为一种计算机仿真手段也难以对真实情况实现百分百准确的模拟。

综上分析，由于本次研究的目的在于探究100%至85%开度时流量压力的反常变化原因，且试验与模拟在100%、85%、75%三个开度下均只有较小的误差。同时，从整体来看模拟所得结果变化趋势也与试验一致，故认为该次模拟结果具有良好的研究可靠性。

3 分析与优化建议

3.1 模拟结果分析

研究为探究流量压力曲线出现反常变化的原因，对100%、85%、70%三个开度下内部流场的CFD模拟结果进行对比分析。重点分析锥形阀内部压力和速度分布及流线变化情况，CFD模拟计算结果见图6，其中182 cm水头与133 cm水头工况下的压力、流线分布变化相似，故文中只给出182 cm水头工况组模拟图。

分析得出以下几点结论。

（1）消能锥形阀各开度下内部压力分布趋势基本一致。由于过流流道的突然改变使得在阀芯头部及锥形形变处出现高压区域。但是85%开度时锥形阀内部最高压力均小于100%及70%开度，认为锥形阀内部结构在85%时对过流流态的影响更小。

（2）消能锥形阀各开度下速度分布趋势基本一致。流场在流道收缩处出现了局部的高速现象，流速的突变以及高速流的撞击将影响整体流动状态。可以看出在85%开度时锥形阀内部最大速度均小于100%及70%开度，认为85%开度时实际的流通状态更好。

（3）消能锥形阀大致流线变化情况相似。可以发现在阀芯后侧和周侧出现了几处涡旋区域，且伴随有流速极低的流动死区，这都将对流体的通过性能产生影响。并可看出100%与70%开度时，旋流与低速流动死区范围更大，其对流道中部高速流动区域的通过性将产生更大阻碍作用。

3.2 锥形阀优化建议

在锥形阀试验与模拟研究中，均出现100%至85%开度下出现了反常的流量上升和阀前压力下降现象。这在实际工程应用中将对流量的控制调节产生不利影响。故研究团队根据锥形阀设计经验及模拟分析结果对该类型消能锥形阀进行了一定的内部结构优化，在环形孔套后部增加了锥形孔套部件以改善其内部流场情况。

为验证优化后模型是否改善了在全开状态下的内部流场情况，对改进后模型进行了相同工况下的CFD数值模拟计算，并以之与优化前模型模拟结果进行对比分析。模拟边界条件采用与优化前模型相同的进口速度与出口压力进行设置。从模拟结果可以看出，优化后模型有效的降低了局部最大压力；同时减小了阀芯后侧涡旋区域与流动死区的范围，使影响较大的大面积涡旋区域转化为面积和影响较小的多个小涡旋区域，降低了其对高速过流的阻碍作用。模拟对比分析结果见表3与图7，模拟结果同样以182cm水头工况为例。

4 结论

本次为探究消能锥形阀在不同开度下过流流量及内部流场的变化情况。进行了水力模型试验和CFD数值模拟计算。试验中发现开度从100%关至85%时出现过流流量上升和进口压力下降的变化情况，这在实际工程应用中将对过流调节产生不利影响。故利用CFD数值模拟的方法对不同开度下内部流场进行了数值模拟分析，分析结果认为在全开开度下锥形阀内部流场存在以下问题：过强的局部高压高速区域、低速流动死区过大、涡流区过度影响高速过流部分。并对锥形阀进行了一定的结构改进，降低了最高压力、最大流速，减小了流动死区及涡流区对过流能力的影响，优化了其内部流场情况。

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