上翻式与侧翻式拍门动作过程中的水力损失系数研究

唐敏嘉, 李桑军, 秦战生

(1.河海大学 能源与电气学院,江苏 南京 211100; 2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,湖南 长沙 410014)

为了保证出水管道安全和保护机组,泵站一般使用拍门截断水流[1]。拍门为安装于排水管道的尾端、具有防止外水倒灌功能的逆止阀,根据开启方向可以分为上翻式拍门和侧翻式拍门。传统的上翻式拍门在工作过程中存在开启角度小、水力损失及闭门撞击力大[2]等不足,已不能对新建和技改等泵站工程适用。

随之而来的是节能型侧翻式拍门应运而生,文献[3]经过实际勘察和分析研究发现侧翻式拍门克服了拍门重力的直接干扰,提高了泵站运行的可靠性和装置效率。然而很多泵站在实际运用过程中发现侧翻式拍门并没有完全改变泵站出口水力损失大的现状,或者是没能达到预期效果,为优化侧翻式拍门,很多学者从多个角度进行了实验。文献[4]从水锤分析角度出发,通过调整延时条件模拟侧翻式拍门启闭过程;文献[5]通过计算机尽可能地模拟湍流运动的细节和湍流运动对平均流动特性的总体影响。

本文基于能量法进行水力损失分析，根据某泵站实例参数进行3D实体建模,对2种典型拍门开启过程中对应各开启角度分别做出瞬态数值模拟,选取拍门水力损失进行比较研究并从其对应开启角度的流态分析其内在原因。

1 数值计算模型与方法

1.1 模型基本参数

某泵站采用立式导叶混流泵,使用1500HLBK-24型号泵(Q=7 550 L/s,n=428.6 r/min),参照泵站的水泵管道布置图,确定出水管道、拍门(上翻式或者侧翻式)及出水池的流体为所需计算区域。2种拍门实物图如图1所示。

图1 拍门实物图

3D实体成型后,借助SolidWorks建模软件中装配体评估的干涉检查,发现模型在开启任意角度下均无干涉,证明模型设计及装配合理,之后导入ANSYS。

1.2 网格划分

因为多种因素的影响,比如离散误差、离散方法等因素导致控制方程求解时将会不可避免地产生离散误差,且随着网格数量的增多而趋于减少,所以此必须进行网格无关性分析[6]。

在Fluent中，对同一流体计算域模型进行网格划分,所需预测水泵扬程H的计算公式为:

(1)

其中:H为预测扬程值;v1为管道进口断面平均流速;v2为出水池出口断面平均流速;P1为管道进口断面压强;P2为出水池出口断面压强;γ为水的重度,此处取为104N/m3;z2为出水池出口断面的高程;z1为管道进口断面的高程。

根据实际参数查得进出口高程差z2-z1=17.760 m,采用总体网格数增大的方法验证计算结果对于网格密度变化的敏感性。通过不断增加网格数量,预测水泵扬程H的变化及观察高质量网格的百分比,以步数6为例,此时流体计算域总网格数为1 936 450。管道进口断面压强和出水池出口断面压强分别为3.226×104、1.210×103Pa,其差值为3.105×104Pa,管道进口速度v1=2.18 m/s,出水池出口速度v2=0.92 m/s,计算得到此时预测扬程H=21.060 m。

同理步数对应的网格数、节点数、所得预测扬程值见表1所列。

表1 网格无关性验证结果

由表1可知,当网格数量达到1.9×106级别时,网格数量的变化幅度已经不足以在单方面造成影响。故在后续计算过程中可以采纳步数6,即取网格数为1 936 450、总节点数为361 212,预测扬程值取为21.060 m。

2 求解模型

2.1 边界条件的设置

因泵站中流动为湍流,且本文基于Fluent进行计算,则可选择雷诺时均模拟法,通过将非定常的湍流问题转化为定常问题,由此选择连续性方程、雷诺时均Navier-Stokes方程等。现有的2种湍流模型中,选择k-epsilon中的RANS模型。

Setup中可以在确定计算精度的同时采用标准壁面函数以减少计算强度;进口使用实测速度,且忽略非轴向速度的影响,在出口处的流动假定为充分发展的,各个变量(压力除外)沿流动方向的梯度值为0;其余条件保持默认设置即可[7]。

2.2 上翻式对拍门水力损失的影响

通过实际工作中测量可知拍门正常工作时的最小开启角度为20°,由参考文献[8]可知理论上上翻式拍门最大开启角度α约为52°,鉴于实际工作中存在拍门门叶绕门铰转动的摩擦阻力等在内的诸多阻力,且正常工作中会出现频繁启闭的过程,同时为与侧翻式拍门进行对比的需要,可确定拍门开启范围为20°～5°区间内每10°一个工况点,以及单独的52°工况点。为监测每次的水力损失,布置2个压力测点,分别为管道出口断面与拍门出口断面,其总水力损失可按(1)式计算。

由于拍门水力损失仅与设计流量及拍门直径等有关,出于可推广性目的,放弃对绝对值讨论,对水力损失进行无量纲化处理[9-10],即

(2)

其中:ΔH为预测扬程差值;g为重力加速度,取9.81 m/s2。

监测拍门进口流速为3.101 m/s,计算得到此时局部水力损失系数ξ=2.491,并同理得出其他角度对应水力损失系数,结果见表2所列。显然,上翻式拍门的水力损失系数随开启角度的增加而减少,变化幅度趋于平缓。由于拍门在泵系统工作时大部分时间都处于最大开启角度,且上翻式拍门开启过程中的流态都大同小异,则仅列出开启角度为20°时的工况。

表2 不同开启角度下上翻式拍门水力损失系数模拟结果

开度为20°时上翻式拍门的流道纵剖面速度云图如图2所示。

上翻式拍门开启过程中,其水力损失系数以脱流损失为主,原因在于此时出口水流受到拍门门叶的严重阻挡,流态比较恶劣。

由于拍门和水流自重的双重影响,大部分水流都只能沿重力方向运动即顺沿门叶下部表面向前流动,此部分水流流速最大;小部分水流由于受到拍门门叶对其的反作用力,只能沿门叶上侧经由门铰空隙处运动,并由于自重的影响造成部分回流。

图2 开度为20°时上翻式拍门的流道纵剖面速度云图

因为整个流体部分会受到出水池的限制,只能渐渐充满整个出水池,而上述3个部分水流在交界面处自然会受到相互间的挤压,所以会在多个面产生脱流,如门叶上、下两侧及门铰空隙与出水池后壁间产生,而在这些区域与出口断面流域的交界面处,由于不同流速水流相互作用,将产生反向流动。随着开启角度增大至最大开启角,此工况都没有明显改善。

2.3 侧翻式对拍门水力损失的影响

经现场查证,一旦拍门冲开后开启角超过90°,出水设置关闭形式极不可靠,严重影响机组的安全稳定运行,由此确定开启范围为2°～90°,每10°确定一个工况点,模拟结果见表3所列。显然,侧翻式拍门水力损失系数与其开启角度依然呈负相关关系。

表3 不同开启角度下侧翻式拍门水力损失系数模拟结果

在设计流量下,侧翻式拍门开启角达到20°对应的管流道纵剖面速度云图如图3所示。此时为侧翻式动作初始阶段,其水力损失系数极大,甚至要远高于上翻式拍门,这就在于此时拍门门叶投影到管道出口截面的面积,几乎等于管道出口截面面积,仅有极少部分水流能横向从夹缝中流过。因而大部分水流都会受到拍门门叶的阻挡影响,主要沿纵向运动,呈四散发射,而非上翻式拍门的横向运动,流线弯曲极为明显,流态很不平稳,其脱流严重干扰了水流流态,直到延长段后这种情况才会剧烈减弱。

图3 开启角度为20°时侧翻式拍门的流道纵剖面速度云图

随着开启角度的逐渐增大,拍门对流线的阻挡迅速减弱,直至完全开启后管道中水流能继续沿管道方向运动,其速度几乎没有改变,拍门影响微乎其微。在设计流量下,侧翻式拍门达到最大开启角对应的管流道纵剖面速度云图如图4所示。

图4 开启角度为90°时侧翻式拍门的流道纵剖面速度云图

侧翻式拍门的水力损失系数比上翻式拍门有明显降低。究其原因,侧翻式拍门在结构上有了革命性的改进,通过倾斜门铰并竖向布置的手段,增大了拍门开启角度,使其在完全开启后可以达到几近全开,增加了通流能力,大大改善了出流条件。若考虑到本泵站工作时整个侧翻式拍门开启过程极为短暂,更多的状态都是保持最大开启角度,则其水力损失将显著减少。

2.4 计算结果可信度验证

由《泵站拍门技术导则SL656—2014》推荐经验公式，可得计算水力损失系数ξP为:

ξP=0.012e0.076(90-α+αm)

(3)

其中，αm为管(流)道中心线与水平线间的夹角,此处2种拍门都取为0°。

出于检测结果正确性和精密度2个方面的要求,将数值模拟计算结果与近似计算结果进行对比分析,结果见表4所列，并作出对应折线图如图5所示。

表4 上翻式和侧翻式拍门水力损失系数数值模拟计算结果可信度验证

由表2可得:

(1) 2种拍门的水力损失系数ξP与拍门瞬时开启角可以类比为负指数函数关系,随角度的增加而减小,且变化幅度也随之剧烈增加。

(2) 上翻式拍门数值模拟与按经验公式计算的2种结果极为接近,其结果可信度得到保证;而侧翻式拍门数值模拟计算结果与按导则近似计算结果差距极大,在小开度下两者数值偏离很大。

(3) 通过对侧翻式不同开启角度时对应的水力损失系数数据点进行拟合,可知图像为指数函数,代入计算可知此种侧翻式拍门水力损失系数经验公式如下:

ξ=0.017e0.083(90-α+αm)

(4)

由于侧翻式拍门的水力损失相对整体损失几乎可以忽略,以后设计侧翻式拍门时应该避免直接套用导则中的经验公式,而选择将侧翻式拍门完全开启后的水力损失忽略不计是根据对应开启角度选用计算所得经验公式:

3 结 论

通过对上翻式、侧翻式拍门的水力损失模拟计算以及与《泵站拍门技术导则》中推荐的水力损失系数经验公式计算结果对比,得出以下结论:

(1) 通过分析拍门水力损失系数ξP与对应开启角度,发现ξP与对应开启角度可以类比为指数函数关系,随开启角度的增加而减小,且变化幅度也随之剧烈减小。

(2) 现有设计导则中的公式仅适用于传统的上翻式拍门,以后实际设计侧翻式拍门可以参考本文中经验公式(4)式。

(3) 侧翻式拍门比上翻式拍门有了很大的改进,相应的出水流态有了极大改善,其优越性主要体现在其完全开启后,几乎不会对水流流动造成影响,以后运行时应考虑尽量使侧翻式拍门保持最大开启角度而不是在小开度下频繁启闭。