三河口水利枢纽调流调压阀模型试验研究

柯啸

摘 要：三河口水利枢纽供水系统选用DN2000大口径调流调压阀，该类型大口径调流阀目前尚无实际应用先例，因此借助模型试验对阀门进行仿真试验并对原型机设计进行了验证。按几何相似准则设置了比尺为1∶5的相似模型，采用DN400调流阀模型对原型机进行仿真试验，结果表明DN2000大口径调流阀具有较好的流量及压力调节能力。模型试验结果与CFD计算结果吻合较好，模型满足相似设计准则。

关键词：调流调压阀;相似准则;模型试验;CFD计算;三河口水利枢纽

中图分类号：TV66;TV131.6 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.023

Study on Model Test of Regulating Valve of Sanhekou Water Control Project

KE Xiao

（Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Xian 710010， China）

Abstract：The water supply system of Sanhekou Water Control Project adopts DN2000 large diameter regulating valve， which has not been used in practice. Therefore， the model test is used to simulate the valve and verify the prototype design. In this paper， a 1∶5 scale model was set up according to the geometric similarity criterion， and the DN400 model was used to simulate the prototype. The results show that the DN2000 large caliber valve has better capacity of flow and pressure regulation. The test results of the model parts are in good agreement with the CFD calculation results and the model parts meet the similar design criteria.

Key words： flow regulating and pressure regulating valve; similarity criterion; model test; CFD computing; Sanhekou Water Control Project

调流调压阀具有在线调节管线压力、流量及适用于各种特殊工况的调节要求的优点，在现代工业中应用广泛，常用于火电、石油、水电等行业。近年来国内陆续建成多项长距离饮水工程，最大调流阀使用口径达1 800 mm，而对于口径2 000 mm的调流阀国内暂无使用先例[1]。目前对大口径活塞式调流调压阀的研究基本在理论及数值分析方面。李燕辉等[2]对大口径活塞套筒调流阀流动特性进行了分析，靳卫华等[3]主要介绍了调流阀的选型及应用情况，杨富超等[4]介绍了调流阀的工程应用情况。对于阀门开度与管路特性的关系，杨开林[5-6]推导出了相关的解析公式。目前尚未有试验论证大口径调流阀相关性能参数。笔者针对三河口水利枢纽采用的DN2000调流阀，建立阀门相似模型，进行阀门水力性能试验，并将模型机、原型机试验数据与CFD计算结果对比，对原型机设计参数进行了验证。

1 工程概况

三河口水利枢纽主要承担供水、调蓄功能，兼顾发电任务，是整个引汉济渭调水工程的调蓄中枢。水库正常蓄水位643.0 m，最高洪水位644.7 m，根据工程设计，在电站厂房设置2条供水管线，每条管线上沿水流方向依次设置蝶阀、调流调压阀及偏心半球阀。受三河口水利枢纽上游来水影响，水库水位变化幅度较大，调流调压阀工作水头高差范围为15.35～99.30 m，单台阀门的流量为2.0～15.5 m3/s。閥门公称通径2 000 mm，公称压强1.6 MPa，采用电动启闭方式，可在线调节流量计压力。阀芯采用鼠笼结构，在鼠笼上分别开设不同类型及数量的喷水孔，实现阀门在不同开度下的流量成两段线性关系，并有效降低噪音及振动。

2 模型设计及试验

2.1 模型设计

模型试验应尽可能地对阀门实际工作状态进行仿真分析，根据以往经验及现有实际条件，本次模型试验试件的结构设计按照原型机的1/5比例进行设计，阀门流道及鼠笼开孔均完全严格按照5∶1的比例进行缩放设计。试件三维实体模型见图1。

2.2 试验装置

根据模型设计比例，制作DN400 PN16调流调压阀模型以验证CFD数值分析的准确性，标准试验段由2个直管段组成，如图2所示，直管段公称通径D均为400 mm，上游直管线长度L2≥8 m，下游直管线长度L4≥4 m。阀门上游压力计距离阀门L1=0.8 m，阀门下游压力计距离阀门L3=2.4 m。

2.2.1 主要测量仪器

精密压力表，量程0～1.6 MPa，精度0.4级，数量6个;差压变送器，量程0～1.6 MPa，准确度0.1级，数量1个;静态水流量标准装置，量程150 t，精度0.031 6%，数量1套;温度计，量程0～50 ℃，分度值1 ℃，最大允许误差±1 ℃，数量1个。试验前对仪器进行标定，使其满足试验要求。

2.2.2 测量误差

阀门开度，测量误差不得超出实际开度的±1%;上游压力P1，测量误差不得超出实际值的±2%;下游压力P2，测量误差不得超出实际值的±2%;流量Q，测量误差不得超出实际值的±2%;温度T，试验过程中，流体入口的温度应保持恒定，且温度变化应保证在±3 ℃以内。

2.2.3 流阻系数的计算依据

流阻系数ζ计算式为

ζ=2 000ΔPρv2

式中：ΔP为被试阀门的净压差，kPa;ρ为水的密度，kg/m3;v为流速，m/s。

2.2.4 流量系数的计算公式

流量系数Kv计算式为

Kv=10QρΔPρ0

式中：Q为测得的水流量，m3/h;ρ0为15 ℃时水的密度，kg/m3。

2.2.5 气蚀系数的计算公式

气蚀系数δ计算式为

δ=H2+HAT-HdH1-H2+v2/2g

式中：H1为阀门上游压力水头，m;H2为阀门下游压力水头，m;HAT为大气压，m;Hd为液体饱和度，m;g为重力加速度，取9.81 m/s2。

2.3 试验方案与结果分析

利用试验台上静态水流量标准装置，将阀门全开，启动水泵使系统充满水。根据试验项目分别调整阀门开度，通过系统中水泵调整管道流量、上下游压差等参数，记录相关数据，分别代入公式演算数据结果。

2.3.1 流阻系数试验

以10%均匀递增调整阀门开度，在每个开度位置通过调节水泵转速，测量4组数据，将数据代入流阻系数公式，计算各个开度的流阻系数算术平均值，绘制阀门开度与流阻系数关系图（见图3）。可知，阀门流阻系数与开度近似为指数关系，随着开度的增大，流阻系数迅速减小。

2.3.2 流量系数和流量调节特性试验

以10%开度均匀递增调整阀门开度，并使下游压强稳定在110～120 kPa，调节阀前流量，使阀门前后压差为100 kPa（误差±1 kPa），分别读取并记录流量计、压力表、差压变送器及温度计的读数。将数据代入流量系数公式，计算流量系数。以横坐标为阀门开度，纵坐标为流量，绘制100 kPa压差下阀门的流量—开度曲线（见图4），可以看出，流量与开度关系为以开度为30%分界的两段直线。模型试验表明原型机设计的流量与开度呈两段线性关系。

2.3.3 最大流量试验

将试验系统按阀门的设计工况参数设定后，调节阀门的开度至全开位置，测量流量Q。分别测得阀门前后压差为160 kPa时，最大流量为2 642.98 m3/h;阀门前后压差为110 kPa时，最大流量为2 192.40 m3/h。

阀门的设计工况参数如下：①阀前压强320 kPa，阀后压强160 kPa，压差160±1 kPa，流量2 232 m3/h;②阀前压强270 kPa，阀后压强160 kPa，压差110±1 kPa，流量2 016 m3/h。

可见，模型试验测得的最大流量值大于阀门设计流量值，符合模型试验相似准则。

2.3.4 气蚀试验

将阀门全开，调节阀前流量，使阀门上游压力为400 kPa。以5%开度均匀递减调整阀门开度，观察各开度下阀门出口是否产生气泡，气泡是否破裂，以及气泡破裂的位置，用摄像机拍摄记录，直至阀门开度为5%。将试验数据代入气蚀系数计算公式计算气蚀系数，结果见图5。小开度时，阀门前后压差较大，此时最容易发生气蚀，根据测得数据计算此时气蚀系数最小为0.56，对应的临界气蚀系数为0.15。根据气蚀系数计算结果及通过高速摄像头观察，阀门气蚀试验过程未发生气蚀现象，表明阀门设计抗气蚀能力较强。

2.3.5 原型机CFD计算结果与设置值对比

原型机采用了流量与开度呈两段线性关系的设计方案，三维模拟图如图6所示。采用Ansys Fluent14.5对原型机进行CFD模拟。调流调压阀套筒上有数量非常多的小孔，它们是消能的关键角色。小孔附近射流的流速和压力的梯度很大，因此小孔附近需要精细的网格。但小孔数目非常多，且阀体空间巨大，采用四面体网格容易导致网格数量巨大，使计算难以收敛或者计算误差大。为了解决这个问题，计算时全部采用了疏密合理、数量合理、质量好的六面体网格。网格数量500万～760万个，小孔数目越多，网格数目越大。

选取原型机16 m水头时流阻系数、流量计算结果与设置值进行对比，见表1。可知，CFD计算流阻系数及流量与预先设置值差异很小，表明原型机设计合理。

2.3.6 模型试验结果与CFD计算结果对比

在水头为16 m时流量及流阻系数试验结果与CFD计算结果对比见表2。

可以看出，除100%开度外，其余开度的流量试验结果与CFD计算结果相对差异都在5%以内，达到了设计要求。在70%开度以上，流量的CFD计算结果小于试验结果，随着开度增大二者流量相对差异有波动。试验数值偏大可能与模型机鼠笼与阀座之间出现泄漏有关。另外，根据数据绘图可直观看到模型试验件流量呈两段线性变化，与原型机设计流量与开度两段线性关系吻合，说明试验件满足相似设计要求。

对比模型试验件在水头16 m时流阻系数试验结果与CFD计算结果可知，相对差异基本在10%以内，达到了设计要求。模型试验证明了设计方案的合理性。

2.3.7 模型试验件与原型机CFD计算结果对比

为了研究模型与原型机是否对应，将模型16 m水头时CFD计算结果与原型机CFD计算结果进行对比，见表3。由表3可以看出，模型试验件与原型机CFD计算结果相差很小，说明模型试验件的设计基本达到了相似設计的要求。模型试验件与原型机各开度的流量比值基本等于1∶25，说明模型试验件满足了相似设计的要求。

3 结 论

通过设计采用DN400调流阀模型对原型机DN2000进行模拟试验，对阀门模型在各种工况下的流动特性进行了分析。具体结论如下：

（1）分析模型试验件和原型机的CFD结果发现，模型试验件的流阻系数与原型机的相差很小，模型试验件与原型机在各个开度下的流量比值基本等于1∶25，模型试验流阻系数—开度曲线与CDF分析数据的偏差≤5%，说明模型试验件满足了相似设计的要求。

（2）模型试验件流阻系数、流量系数及最大流量数据表明原型机满足设计要求。

（3）通过气蚀试验及数据分析，在所有工况范围内，阀笼前后均没有发生气蚀，显示阀门整体设计方案具有优良的抗气蚀特性。

参考文献：

[1] 阎秋霞.大口径调流阀的应用研究[J].水利建设与管理，2012（5）：20-22.

[2] 李燕辉，廖志芳，蒋劲，等.大口径活塞套筒式调流调压阀流动特性分析[J].水利学报，2019，50（4）：516-523.

[3] 杨福超，马韧韬，高普新，等.套筒式调流调压阀在水利水电工程中的应用[J].水利水电工程设计，2018，37（2）：33-35.

[4] 靳卫华，谢鸿玺，冯玉林，等.供水工程中调流调压阀的选型及应用[J].中国设备工程，2018（4）：103-105.

[5] 杨开林.适应水击控制的多喷孔套筒式调流调压阀设计原理[J].水利水电技术，2010，41（7）：36-39

[6] 杨开林.适应水击控制的多喷孔套筒式调流调压阀研究[J].水利水电技术，2009，40（12）：43-46.

【责任编辑 张华岩】