阀门小开度对突扩管流下游脉动压力特性的影响

潘越，张凯

(河北工程大学机械与装备工程学院，河北 邯郸 056038)

实际流体循环输送系统中有很多管路辅助元件，如接头、控制阀、换热器等.流体通过这些元件以及通过后，流体的阻力情况和相应流动结构必然会发生改变.而且在供水循环系统中，阀门的开度大小会使阀门附近的水流流态发生巨大改变，不仅会引起阀门的振动，而且还会随着流体的流动传递到管路当中，导致管路流态失稳甚至结构被破坏[1-2].

目前关于此类研究的论文较少，难以全面认识阀门开度对变截面圆管流下游脉动压力特性的影响.研究突扩、突缩等局部管件及其组合对管道的局部压力和流量产生的影响的准确评估是设计含有此类管件流动系统前必须调研的工作，因为它的大小直接影响着整个流动系统的设计及管件选型.

查阅相关文献，HUANG等[3]对平板闸门脉动压力进行研究认为，随着水位的上升，脉动压力频率减小、闸门底部作用脉动功率减小.李利荣等[4]针对自动滚筒闸门启闭过程中水流边界条件情况，发现自动滚筒闸门水流脉动压力过程具有呈正态分布的随机平稳特性.沈春颖等[5]利用Morlet小波变换对淹没式闸孔出流试验测得的脉动压力信号进行时频特征分析，发现脉动压力第一主周期较小的点位于闸后淹没水跃段,不同工况第一主周期最小点与脉动压力能量最强点基本吻合;当淹没系数较小时,相邻测点间存在主周期一致现象增多.刘月楼等[6]利用压力脉动传感器通过试验方法对闸下水流脉动压力进行研究，发现闸下水流脉动压力概率密度属于正态分布,闸门有槽条件下闸门底部测点水流脉动压力大于闸门无槽条件下闸门底部测点水流脉动压力等结论.

阀门的开度会影响管路的稳定性，所以有必要对其受力特性、脉动压力等进行系统研究，文中通过搭建小尺度变通流截面管流的阻力及流场测试平台，探讨阀门小开度对变截面圆管流脉动压力特性的影响.

1 试验装置与试验方法

1.1 试验装置

试验装置采用循环式，如图1所示.它由2个储液箱、多个轻微立式多级离心泵CDLF-2、整流箱、通气管道、突扩组件、回水管路等组成，形成管径比约为1∶1.5 的突扩.整流箱由一个扩展段和一个收缩段通过一个圆筒光滑连接而成，而在圆筒中部内置由单根长100 mm、内径为5 mm塑料管扎堆而成的流动准直细管组，以便尽可能消除来流中较大尺度旋涡及脉动，尽可能使突扩上游细管为速度均匀分布流.圆管打孔处采用O型圈密封[7]，保证不漏水；通气管道采用加厚铜球阀进行软管连接或密封，具有很好的强度.

图1 试验系统装置示意图

在同一变量下进行多组试验，检查装置特性是否发生变化，连续测量多组流量，在流量稳定的情况下进行试验.通过预试验发现，调节流量的控制阀对管路水流流动过程中的脉动影响很大，为准确探究阀门开度对变截面圆管流下游脉动压力的影响，选用CN-8300AC变频水泵通过变频器来实现与阀门调节获得的流量相同的流动，以便比较.

1.2 试验方法

试验测量静压孔位于距突扩不同距离的位置，由于直接测量距离突扩不同距离点的脉动压力不仅需要打很多孔，而且进行连续测量时需要频繁地转移传感器和静压环，突扩连接容易松动，极易产生误差.为此在突扩下游的管子中段打一个约1 mm左右的小孔，通过铝环将上游细管与下游粗管连接形成突扩，然后再以抽拉的方式将孔移到距离突扩不同的位置的点，用传感器进行测量[8].

为了充分研究阀门小开度对变截面管流的脉动压力特性的影响，选择紧靠突扩界面的D10管孔位作为压力基础点便于计算分析，各点压力为量纲一值[9]，大小为测试点相对上游逼近突扩界面处的压力除以下游管平均流速对应的动压.因为试验所采用的阀门没有刻度标记，所以只能采用别的方式来标记阀门开度.阀门开度直接影响流体流速，阀门开度越大，流体流速越大，流体雷诺数也就越大，若雷诺数不变，阀门开度也就不变，故而文中采用雷诺数的大小来代表阀门开度的大小[10].选取雷诺数分别为20 000，24 000，28 000来代表阀门开度为30%，40%，50%的3个开度；采用抽拉的方式使下游的孔距离突扩分别为0D，2D，4D，10D，25D(D为对应管的直径)几个不同的距离，流体介质为清水.

1.2.1 流速测试

系统流量通过重量法进行测量，流速通过调节阀门或调节变频器频率改变转速来实现，通过一定时间内水桶接入水的重量来测试水管流量，水的重量由电子称重仪来称量，在系统回水箱处用秒表计时，然后根据公式计算.为减小误差所带来的影响，同一工况流量均测2次，取其均值，计算公式为

(1)

式中：Q为系统流量，m3/s；G为毛重，kg；M为皮重，kg；ρ为水的密度，kg/m3，文中取1 000 kg/m3；t为时间，s.

纯水的动力黏度随温度的变化关系为

(2)

式中：T为试验流体的温度，℃.

雷诺数Re计算式为

(3)

式中：U为管内平均流速，可根据测试的系统流量来获得，m/s；d为管径，m；υ为纯水的动力黏度，N·s/m2.

标准差σ计算式为

(4)

1.2.2 脉动压力测试

在阀门启闭过程中，流体在管路上产生的作用力并不均匀，在局部位置产生短时间较大或较集中且有一定周期性的作用力，即脉动压力，当脉动压力主频与自振主频相同时，可能发生危害较严重的共振[11].用统计分析方法对观测数据进行处理，通过傅立叶变换计算各测点脉动压力频域值.脉动压力幅值 Δp用瞬时压力与时均压力差表示[12].

2 试验结果和分析

2.1 脉动压力特性

在阀门开度不变的情况下，变截面管流的流速为2 m/s，雷诺数为23 000，这时0D，2D，4D，10D和25D的水流脉动压力幅值时域过程线与同一流速与雷诺数下不用阀门而用水泵控制水流流速的情况下水流在各点脉动压力幅值时域过程线，如图2所示.

图2 脉动压力时域过程线

Fig.2 Time-history curves of pulsating pressure

文中主要测试Re=20 000，23 000和28 000这3种流动工况下突变截面下游各点的脉动压力，因为在这3种工况下脉动压力时域过程线的趋势相同，所以文中只以阀门开度为40%，Re=23 000为例，给出具体的试验数据.测量脉动压力时一般会测量2～3 min，但采用Matlab分析时，由于时间过长，大量数据挤压在一起无法清晰辨别，故文中只截取其中最具有代表性的一段.

由图2可以看出，使用阀门来调节流速的变截面管流下游各点脉动压力的流动周期要比使用泵调节的要长.使用泵调节流速的变截面管流下游各测点的时域过程线较之使用阀门调节的时域过程线密集，说明使用泵调节的高频幅值成分多，阀门的影响主要体现在低频上.而且经过两幅图对比，可以明显看出使用阀门调节流速的流体脉动压力幅度较高，这说明使用阀门的流体的紊动强度比较大.变截面管流下游不同位置的脉动压力幅值不同，且变化较大.流体在变截面管流下游的脉动压力紊动强度随着距突扩距离的增加先增加后减小.

分别使用阀门与泵调节流量时，不同雷诺数下变截面管流下游各点的压力标准差值如表1，2所示.

表1 阀门调速各点压力标准差值表

Tab.1 Pressure standard deviation at three valve openings

Re0D2D4D10D25D20 0002.013 44.209 66.375 91.526 71.161 623 0002.832 66.171 69.257 11.810 21.506 628 0003.989 89.193 713.651 92.090 31.510 4

表2 泵调速各点压力标准差值表

Tab.2 Pressure standard deviation at three pump rotating speeds

Re0D2D4D10D25D20 0001.824 34.265 24.030 71.807 61.307 723 0002.372 35.111 24.910 22.058 01.375 728 0002.700 58.629 48.434 02.734 31.652 8

根据表1，2的参数，对雷诺数为20 000，23 000，28 000的阀门与泵调节的变截面管流下游各点的压力标准差进行分析，如图3,4所示.

图3 阀门调节不同雷诺数下压力标准差率沿程分布

Fig.3 Pressure standard deviation along pipe at different valve openings

图4 泵调节不同雷诺数下压力标准差率沿程分布

Fig.4 Pressure standard deviation along pipe at different pump rotating speeds

从图3，4的对比中可以看出，使用阀门控制的变截面管流下游各点的压力标准差在点4D时达到最大，而使用泵调节的在点2D达到最大，从Re=20 000到28 000使用阀门调节的比使用泵调节的各测点的脉动压力标准差分别提高了49%，81%，58%.这就说明阀门的开度不仅会使流体的紊动强度增大，而且会延长突变截面下游管流的脉动压力恢复长度.

2.2 不同阀门开度对脉动压力特性的影响

水流脉动压力是流速脉动和时均剪切力共同作用的结果，流体流速(雷诺数)的大小会对阀产生不同的压力，直接影响突扩下游管流的脉动压力.以点2D，雷诺数Re=20 000,23 000,28 000 为例，进行不同雷诺数即不同阀门开度下和阀门全开以水泵调节流速的2种情况下管流脉动压力特性试验研究.2种情况下的脉动压力频域曲线如图5所示.

由图5可知，泵本身的工作特性会对管路造成影响，体现在300 Hz附近；阀门所造成的影响体现在50 Hz附近，与文中的阀门影响主要在低频相符，因为使用阀门的试验过程中未用市电，所以此频率与电源频率无关；而在使用变频器调节水泵流速时，变频器频率分别为8,10,15 Hz左右，相对于泵本身的工作特性对管路造成的影响可以忽略不计；而且无论是否采用变频器调节水泵，脉动压力的主频都一直在50 Hz附近，所以变频器的频率与脉动压力的主频并无关联.使用阀门调节流速时，从Re=20 000到28 000脉动压力能量分布频域，普遍比使用泵调节的要宽.比如，点2D的脉动压力能量分布频域从0～800 Hz拓展到0～880 Hz，普遍高于泵调节流体的脉动压力能量分布频域，证明使用阀门调节流体流速会使流体的脉动压力能量分布频域变宽，同时可以由图4发现在一定范围内流体的脉动压力能量分布频域与阀门开度正相关，当阀门开度越大，流体的脉动压力能量分布频域越宽.即在阀门开度较小的工况下流体紊动强度随阀门开度增加而逐渐变大.在试验所测范围内，随着阀门开度的增加，点2D的主频幅值从0.82 Pa上升到了1.40 Pa，提高了70%.证明在阀门开度小于50%时，流体的脉动压力幅值随阀门开度的增加而逐渐加大，这主要是因为阀门开度增大导致水流紊动强度增大，故流体的脉动压力幅值增大.

图5 不同开度的脉动压力频域曲线

3 结 论

1) 阀门开度较小时变截面管流下游流体的脉动压力表现为随机平稳时域过程，使用阀门调节会使各点脉动压力周期变长，阀门对脉动压力所造成的影响主要体现在50 Hz左右，脉动压力幅值与距突扩的距离相关.

2) 在试验范围内流体的压力标准差与阀门开度正相关，随着流速的增高，各点压力标准差都会提高，这是因为当阀门开度增大时，管流的流速增加，对突扩下游管路产生较大压力，流体紊动强度增大，要流经较长距离才能恢复稳定，即阀门开度增大会使流体流过突扩后的脉动压力恢复长度变长.

3) 在试验所测范围内，使用阀门调节流体流速会使脉动压力能量分布频域变宽，在同一雷诺数下，使用阀门调节流速所得出的脉动压力能量分布频域要比使用泵调节的要宽.随着阀门开度的增加测点的脉动压力能量分布频域会变宽，同时脉动压力幅值也会随阀门开度的增加而提高.