泵站有壓輸水系統(tǒng)啟動(dòng)過程中蝶閥非定常流場(chǎng)研究

鄒志超，王福軍，2，王　玲

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京　100083；2.北京市供水管網(wǎng)系統(tǒng)安全與節(jié)能工程技術(shù)研究中心，北京　100083）

1　研究背景

蝶閥在有壓輸水系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于流量調(diào)節(jié)［1］和系統(tǒng)啟停控制［2］。蝶閥開啟過程是輸水系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行的必經(jīng)階段，閥板按預(yù)定規(guī)律做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，狀態(tài)從全關(guān)轉(zhuǎn)至全開。該過程中，管路的過流流量從零逐漸增大，閥門內(nèi)過流面積不斷變化，閥門上下游的壓力也不斷變化，具有變壓差變截面的特點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的流量、壓力變化和安全性具有重要影響［3］。

有壓輸水系統(tǒng)分為重力自流輸水和泵站加壓輸水。對(duì)于重力自流輸水系統(tǒng)而言，用于控制系統(tǒng)啟停的蝶閥，往往布置在下游水庫前（見圖1（a）），以避免關(guān)閥后在下游管路出現(xiàn)水柱分離［4］。對(duì)于泵站加壓輸水系統(tǒng)而言，蝶閥布置在離心泵后（見圖1（b）），其開啟過程是離心泵站啟動(dòng)運(yùn)行的一部分，常發(fā)生于離心泵關(guān)閥啟動(dòng)之后［5］。在開閥過程中，蝶閥上游處泵的性能也將瞬時(shí)變化。因此，蝶閥上游的壓力變化將更為顯著。

為獲得蝶閥開啟過程中流動(dòng)的演變特征，三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）手段在近年被引入有壓輸水系統(tǒng)?，F(xiàn)有關(guān)于蝶閥的數(shù)值模擬，多是針對(duì)閥板特定角度下的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)分析［6-9］，即便是涉及閥板轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬態(tài)分析，也多是在進(jìn)出口恒定邊界條件下進(jìn)行的。如在對(duì)蝶閥開啟過程的模擬中，文獻(xiàn)［10］在計(jì)算域進(jìn)口設(shè)置了恒定的總能、出口設(shè)置了恒定的靜壓；文獻(xiàn)［11］則在計(jì)算域進(jìn)口設(shè)置了恒定的流速。這些研究?jī)H給出了特定條件下，閥板轉(zhuǎn)動(dòng)過程中流場(chǎng)的演變特征，尚不能揭示有壓輸水系統(tǒng)中蝶閥開啟過程的流動(dòng)演變特征。環(huán)繞閥板的流場(chǎng)瞬時(shí)演變情況，決定了閥板所受的水力轉(zhuǎn)矩，對(duì)于蝶閥的開啟操作而言，其瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩特性尤為重要，它是選擇外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要因素之一［9］。在對(duì)中心對(duì)稱蝶閥開啟過程的模擬中，文獻(xiàn)［11］采用恒定的進(jìn)口流速、出口靜壓邊界條件，結(jié)果表明隨著閥板角度的增大，水力轉(zhuǎn)矩是逐漸降低的。而文獻(xiàn)［10］采用進(jìn)口恒定的總能，出口恒定的靜壓邊界，結(jié)果表明隨著閥板角度的增大，水力轉(zhuǎn)矩緩慢增大，約在70°～80°位置出現(xiàn)峰值，之后快速降低，至90°時(shí)約為零。由此可見，雖是開閥過程，但因應(yīng)用場(chǎng)合的差異其水力轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。而有壓輸水系統(tǒng)中，蝶閥開啟過程中閥板水力轉(zhuǎn)矩的演變特征尚不清楚。綜上，對(duì)有壓輸水系統(tǒng)的開閥工況而言，建立蝶閥的三維流場(chǎng)的計(jì)算方法，明確蝶閥前后流場(chǎng)演化及閥板水力轉(zhuǎn)矩演變特征，對(duì)工程設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

圖1　有壓輸水系統(tǒng)及蝶閥段示意圖

然而，三維數(shù)值模擬在計(jì)算域尺寸上受到約束。對(duì)數(shù)十公里長(zhǎng)的整個(gè)輸水系統(tǒng)進(jìn)行三維建模是不可行的，通常只包括蝶閥及其上下游的一段管道（見圖1（c））。對(duì)于有限計(jì)算域而言，隨著閥板轉(zhuǎn)動(dòng)，其計(jì)算域進(jìn)出口邊界條件也是瞬時(shí)變化的，它對(duì)流場(chǎng)演化及閥板轉(zhuǎn)矩具有重要影響。因此，該計(jì)算域進(jìn)出口動(dòng)態(tài)邊界條件的給定是數(shù)值模擬的一個(gè)前提條件。本文采用一維/三維耦合計(jì)算思路，建立蝶閥開啟過程數(shù)值模擬方法，并針對(duì)某一泵站加壓輸水系統(tǒng)研究蝶閥開啟過程中流場(chǎng)演變及蝶閥水力轉(zhuǎn)矩變化情況。

2　計(jì)算方法的建立

2.1計(jì)算域?yàn)榱瞬捎靡痪S/三維耦合思路研究蝶閥開啟過程中流場(chǎng)及蝶閥外特性變化情況，構(gòu)建三個(gè)既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系的計(jì)算域。在圖1中，以3-3斷面和4-4斷面為界，包含一個(gè)主計(jì)算域和兩個(gè)次計(jì)算域。其中，主計(jì)算域是三維計(jì)算域，包括蝶閥區(qū)域、閥前至少3D長(zhǎng)管道和閥后至少7D長(zhǎng)管道的流體域，即圖1（c）的區(qū)域，從3-3斷面至4-4斷面。蝶閥三維計(jì)算域尺寸的選擇，需考慮流動(dòng)充分發(fā)展，應(yīng)在保證進(jìn)、出口邊界斷面上流速分布均勻的前提下盡可能小，以提高計(jì)算效率。流動(dòng)受閥板轉(zhuǎn)動(dòng)影響，一般距離閥板較遠(yuǎn)的上游和下游流體的流動(dòng)呈現(xiàn)很好的穩(wěn)定狀態(tài)，相反，離閥門較近的上游和下游流體流動(dòng)的狀態(tài)是紊亂的。據(jù)此，Huang等［6］曾給出上游2D下游8D的推薦方案。Jeon等［1］選用過上游約2D下游約6D的計(jì)算域。宋學(xué)官等［12］在蝶閥穩(wěn)態(tài)特性的模擬中，選取較大的計(jì)算域尺寸，分析了不同管道位置橫斷面上流速分布的均勻性，發(fā)現(xiàn)在上游2D下游8D位置處，兩者平均速率的誤差小于0.01%，說明尺寸已完全滿足模擬要求。這個(gè)計(jì)算域是實(shí)施三維流動(dòng)瞬態(tài)計(jì)算的區(qū)域，將以CFD中的動(dòng)網(wǎng)格法來模擬閥板的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。動(dòng)網(wǎng)格法是用來解決由于流體域邊界剛性運(yùn)動(dòng)引起的流體域形狀隨時(shí)間變化的流動(dòng)問題的一種主要方法［13］，閥板作為流體域中的壁面邊界，它的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)改變流體域的形狀。兩個(gè)次計(jì)算域均是一維計(jì)算域，第一個(gè)次計(jì)算域指上游水庫至閥門段進(jìn)口端3-3斷面，第二個(gè)次計(jì)算域指閥門段出口端4-4斷面至下游水庫。兩個(gè)次計(jì)算域的建立，是為了基于一維水力學(xué)中的能量方程（伯努利方程）向主計(jì)算域提供動(dòng)態(tài)邊界條件。其中，第一個(gè)次計(jì)算域向主計(jì)算域提供蝶閥進(jìn)口邊界條件；第二個(gè)次計(jì)算域向主計(jì)算域提供蝶閥出口邊界條件。

2.2準(zhǔn)恒定動(dòng)態(tài)邊界條件一般開閥時(shí)間是由水錘計(jì)算確定的，以保證管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)較平穩(wěn)的水力過渡。為考慮這個(gè)過程中泵及管網(wǎng)對(duì)閥門流場(chǎng)影響，在平穩(wěn)水力過渡的基礎(chǔ)上，假設(shè)管路中流動(dòng)是準(zhǔn)恒定的，即當(dāng)閥門區(qū)域過流量改變時(shí)，管路系統(tǒng)按這個(gè)流量恒定運(yùn)行。蝶閥在開啟前，閥板前后承受著較大壓差。Zhao等［14］認(rèn)為在研究由壓差引起的瞬時(shí)流動(dòng)問題時(shí)，進(jìn)口采用總能、出口采用靜壓比較適合。在有關(guān)閥門的模擬中，進(jìn)口總能、出口靜壓的邊界，很多學(xué)者也有采用［8，15-16］。因此，本文針對(duì)前面確定的兩個(gè)次計(jì)算域，即圖1中上游水庫至3-3斷面，以及4-4斷面至下游水庫間區(qū)域，基于一維水力學(xué)中的能量方程，計(jì)算主計(jì)算域進(jìn)口總能E3-3、出口靜壓p4-4，并以此作為主計(jì)算域的邊界條件。

對(duì)于泵站加壓輸水系統(tǒng)而言（見圖1（b）），在閥門開啟前，閥門上游斷面3-3的壓力為泵的關(guān)死點(diǎn)壓力，下游斷面4-4的壓力為下游水庫的靜水壓力。圖1中z1、z2為上、下游水庫水位，p1、p2為上、下游水庫表面壓力，通常情況下，p1、p2取為大氣壓。Wu等［17］研究泵內(nèi)流場(chǎng)在閥門開啟過程中的演化特點(diǎn)時(shí)，將閥門開啟過程用流量變化來等效，并不對(duì)其建立三維模型，可見這種用性能曲線代替水力機(jī)械的方法是可行的且具有高效率。為簡(jiǎn)化處理，假設(shè)在流量變化過程中，泵的揚(yáng)程由特性曲線表示。從上游水庫水面到斷面3-3，根據(jù)能量方程（1）可獲得斷面3-3的總能E3-3：

式中：H為泵揚(yáng)程，是已知條件，可表示為流量的函數(shù)H=f(Q )。而流量（v4-4與管道截面積乘積）則根據(jù)上一時(shí)間步主計(jì)算域的計(jì)算結(jié)果獲得，初始時(shí)流量為零。hf1為上游水庫水面至斷面3-3的水力損失。

從下游水庫水面到斷面4-4，根據(jù)能量方程（2）可獲得斷面4-4的靜壓p4-4：

式中：hf2為斷面4-4至下游水庫的水力損失；v4-4為閥門出口斷面4-4處的流速，它是上一時(shí)間步主計(jì)算域流場(chǎng)的求解結(jié)果，其初始值為0。

這里的水力損失是指次計(jì)算域（除三維計(jì)算域外管路段）的水力損失，包括沿程損失和局部損失。對(duì)于圓管有壓流動(dòng)，沿程損失可由達(dá)西—威斯巴哈公式進(jìn)行計(jì)算，局部損失可根據(jù)管線的布置特征按沿程損失的百分之k計(jì)算，故水力損失可由公式（3）算出：

式中：λ為沿程阻力系數(shù)，取常數(shù)。d為管道直徑，l為管路長(zhǎng)度。

聯(lián)立式（1）、式（2）和式（3）即可建立泵站加壓輸水系統(tǒng)主計(jì)算域的準(zhǔn)恒定動(dòng)態(tài)邊界條件。對(duì)于重力自流輸水系統(tǒng)而言（見圖1（a）），可按類似方法建立主計(jì)算域的準(zhǔn)恒定動(dòng)態(tài)邊界條件。

2.3數(shù)據(jù)更新方式數(shù)據(jù)更新方式包括邊界數(shù)據(jù)交換、耦合求解順序、以及計(jì)算流程三方面。

2.3.1邊界數(shù)據(jù)交換由于主計(jì)算域與次計(jì)算域是獨(dú)立計(jì)算的，兩者之間僅通過邊界數(shù)據(jù)交換建立聯(lián)系。由于一維水力學(xué)計(jì)算的邊界是點(diǎn)，而三維CFD求解的邊界則是面，兩者間的數(shù)據(jù)傳遞需要“維數(shù)縮放”，即考慮不同維度之間傳遞時(shí)要保證參數(shù)守恒及耦合界面上參數(shù)分布的合理性［18］。Avdyush?enko等［19］對(duì)耦合計(jì)算中邊界條件的選取進(jìn)行了說明，流量、壓力是溝通兩側(cè)計(jì)算的橋梁。耦合一側(cè)的邊界有兩種情形，接收流量傳遞壓力，或者接收壓力傳遞流量，而另一側(cè)正好與之相反。一般流量需要考慮守恒性，壓力需要考慮分布特點(diǎn)，通常邊界面的壓力按均勻分布考慮。本研究中，一維數(shù)據(jù)接收的是流量，它是由三維計(jì)算結(jié)果傳遞而來，應(yīng)考慮流量的守恒性，需要對(duì)邊界面上的、每個(gè)網(wǎng)格單元中心的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，再傳給一維水力學(xué)計(jì)算；而三維數(shù)據(jù)接收的是壓力，需要將一維節(jié)點(diǎn)的壓力值賦給邊界面上的、每個(gè)網(wǎng)格單元的中心。在忽略重力影響，以及2.1節(jié)中計(jì)算域尺寸保證邊界面上物理量分布均勻的基礎(chǔ)上，這里假設(shè)每一個(gè)網(wǎng)格單元中心的壓力值相等。

2.3.2耦合求解順序由于開閥過程中，流量從零逐漸增大，本文采用如圖2所示的順序耦合算法。首先進(jìn)行三維CFD計(jì)算，圖中時(shí)間步長(zhǎng)Δt內(nèi)的小豎線，代表若干次的迭代數(shù)。計(jì)算后將CFD計(jì)算得到的流量結(jié)果作為邊界條件，施加到一維水力學(xué)進(jìn)行計(jì)算，一維水力學(xué)計(jì)算得到水力損失后，將結(jié)果（E3-3、p4-4）作為邊界條件返回三維CFD計(jì)算，如此反復(fù)進(jìn)行，直到三維計(jì)算結(jié)束。圖中序號(hào)表明了耦合求解的順序。

圖2　順序耦合算法示意圖

2.3.3計(jì)算流程假定閥門開啟時(shí)間為t_open，計(jì)算總時(shí)間為t_com，采用Fluent中的用戶自定義功能UDF［20］來實(shí)現(xiàn)計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件的更新。圖3為計(jì)算流程圖，其中虛線框表示對(duì)次計(jì)算域的計(jì)算，其余為對(duì)主計(jì)算域的計(jì)算。首先對(duì)主計(jì)算域三維流場(chǎng)進(jìn)行初始化，需指定閥板上、下游側(cè)壓力及流場(chǎng)的初始速度（一般為0）；接著進(jìn)行時(shí)步判斷；進(jìn)行基于UDF的網(wǎng)格更新；進(jìn)行三維流場(chǎng)計(jì)算；獲得結(jié)果后為次計(jì)算域提供邊界條件，進(jìn)行一維水力學(xué)計(jì)算，再將結(jié)果傳遞給三維邊界，作為主計(jì)算域下一時(shí)步的邊界條件；然后再重復(fù)上述過程進(jìn)行蝶閥計(jì)算。

圖3　計(jì)算流程圖　

圖4　離心泵揚(yáng)程曲線

3　研究對(duì)象及計(jì)算模型

3.1研究對(duì)象本文選擇圖1（b）所示的泵站加壓輸水系統(tǒng)進(jìn)行蝶閥啟動(dòng)過程分析。已知蝶閥公稱直徑為1.40 m，蝶閥上游處離心泵設(shè)計(jì)流量為3.75 m3/s，流量揚(yáng)程曲線如圖4所示，QR為相對(duì)流量，揚(yáng)程表達(dá)式為H=-10.209-6.2668QR+72.944（m）。沿程阻力系數(shù)λ為0.02。假定蝶閥閥板轉(zhuǎn)角θ在25.0 s內(nèi)由0°勻速轉(zhuǎn)到90°。

3.2網(wǎng)格劃分針對(duì)閥板所在的主計(jì)算域進(jìn)行基于動(dòng)網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分。閥板運(yùn)動(dòng)屬于大角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，需用到網(wǎng)格重構(gòu)和網(wǎng)格光順?biāo)惴?，故該區(qū)域內(nèi)體網(wǎng)格需為四面體網(wǎng)格。動(dòng)網(wǎng)格域指計(jì)算過程中網(wǎng)格變化的區(qū)域，為閥板中心上下游各1.40 m。并通過交界面與上下游管路連接，上游管路長(zhǎng)2.80 m，下游管路長(zhǎng)8.40 m。圖5為計(jì)算域網(wǎng)格。最終所用網(wǎng)格類型及單元數(shù)為：上游段六面體網(wǎng)格約8萬，動(dòng)網(wǎng)格域四面體網(wǎng)格約110萬，下游段六面體網(wǎng)格約24萬。

圖5　計(jì)算域網(wǎng)格示意圖

3.3邊界條件代入水庫水位、泵揚(yáng)程后，主計(jì)算域進(jìn)口總能E3-3和出口靜壓p4-4分別見式（4）和式（5）。其中t=0時(shí)，QR=0。每一時(shí)間步，QR為上一時(shí)間步流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果出口斷面4-4的流量與泵額定流量的比值。

3.4求解設(shè)置管道表面及閥板表面，設(shè)置為無滑移壁面。通過UDF指定閥板轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律。計(jì)算前，按式（4）和式（5）中t=0時(shí)的值，對(duì)閥板上游和下游區(qū)域給定靜壓，全計(jì)算域速度為零來初始化。本文采用RNG k-ε湍流模型，由于其在求解高曲率和彎曲條件下的流動(dòng)具有明顯優(yōu)勢(shì)［21］。速度-壓力的耦合計(jì)算采用PISO算法，時(shí)間項(xiàng)的離散格式采用一階隱式，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式離散。閥門開啟時(shí)間t_open=25.0 s，計(jì)算總時(shí)間t_com=27.5 s，根據(jù)網(wǎng)格尺寸及開啟時(shí)間，綜合考慮選擇時(shí)間步長(zhǎng)為0.005 s。各項(xiàng)殘差設(shè)置為1.0×10-4，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的最大迭代步數(shù)設(shè)置為40。

4　結(jié)果及分析

4.1外特性圖6為蝶閥流量和計(jì)算域進(jìn)出口動(dòng)態(tài)壓力邊界隨著時(shí)間變化的計(jì)算結(jié)果。從圖中可見，流量在閥板轉(zhuǎn)角0～45°變化過程中快速增長(zhǎng)，在45°時(shí)達(dá)到額定流量的90%，之后增長(zhǎng)緩慢，流量的增長(zhǎng)滯后于閥板轉(zhuǎn)角的變化，在達(dá)到最大轉(zhuǎn)角前，流量已基本趨于穩(wěn)定。這與Cui等［3］在球閥開啟過程中獲得的流量增長(zhǎng)趨勢(shì)一致。需要說明的是，本文計(jì)算得到的流量無須提前通過試驗(yàn)提供流量系數(shù)或阻力系數(shù)。

水力轉(zhuǎn)矩是由閥板表面的受力特征決定的，它是作用在閥板表面每個(gè)網(wǎng)格單元上的力對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生力矩的積分。閥板水力轉(zhuǎn)矩變化曲線如圖7所示。由圖可見，曲線呈現(xiàn)先增后減，且增加的速率比減少的快。轉(zhuǎn)矩在5.58 s（閥板轉(zhuǎn)角近似為20°）出現(xiàn)最大值，為7982.4 N·m。

4.2流場(chǎng)演化圖8為閥板0～90°開啟過程中每隔10°繪制的縱剖面和橫剖面流場(chǎng)的演變過程。從縱剖面流線圖可見，在閥板轉(zhuǎn)角為10°時(shí)，閥板下游處，存在兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的漩渦，上下分布，上面的漩渦呈順時(shí)針，與閥板轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，下面的漩渦呈逆時(shí)針，與閥板轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。閥板角度增大至20°位置時(shí)，閥板下游處上部的漩渦尺度增大，下部漩渦在管軸線方向被拉伸，在垂直方向上被壓縮。至30°位置時(shí)，上部漩渦進(jìn)一步增長(zhǎng)，下部漩渦基本消失。整體上，閥板下游處存在一個(gè)漩渦，其轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針，與閥板轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。至40°位置時(shí)，這個(gè)漩渦的尺度也在不斷減小，至50°位置時(shí)，該漩渦也基本消失。之后，流場(chǎng)中只是因閥板位置變化導(dǎo)致流線方向的改變，隨著閥板角度繼續(xù)增大，流線逐漸平順。從其橫剖面流線圖可見，流場(chǎng)整體上也呈現(xiàn)出由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的漩渦向流線平順的演變過程，但漩渦演變狀態(tài)比縱剖面混亂，小尺寸的渦比較多。

圖6　過流流量和進(jìn)出口壓力　

圖7　閥板水力轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖9為閥板0～90°開啟過程中每隔10°繪制的閥板表面及縱剖面壓力場(chǎng)的演變過程。從圖中可見，閥板上游壓力在0～50°變化范圍內(nèi)快速減少，而下游壓力變化較平緩。這主要是受到蝶閥上游處泵揚(yáng)程隨流量變化的影響?？梢?，對(duì)于泵站加壓輸水系統(tǒng)而言，在開閥過程中，離心泵性能的改變對(duì)閥門內(nèi)部流場(chǎng)具有重要影響。

圖8　流場(chǎng)演變過程

圖9　壓力場(chǎng)演變過程

4.3水力轉(zhuǎn)矩與流場(chǎng)演化的關(guān)系環(huán)繞閥板的流場(chǎng)瞬時(shí)演變情況，決定了閥板所受的水力轉(zhuǎn)矩。為了分析轉(zhuǎn)矩與流場(chǎng)演化的關(guān)系，建立閥板表面均一化力矩參數(shù)：

式中：Ti為閥板表面網(wǎng)格單元i所受的壓力對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的力矩；Ai為網(wǎng)格單元i的面積；為閥板表面網(wǎng)格單元i所受的單位面積上的力矩，可直觀反映閥板不同區(qū)域?qū)φw轉(zhuǎn)矩的貢獻(xiàn)。

圖10為閥板0～90°開啟過程中每隔10°繪制的閥板表面局部均一化力矩演變過程。轉(zhuǎn)軸中線將閥板四等分后，A、C區(qū)域的力矩為順時(shí)針方向；B、D區(qū)域的力矩為逆時(shí)針方向。由圖可見，閥板表面各區(qū)域轉(zhuǎn)矩主要受到兩方面影響，即閥板表面壓力變化和閥板轉(zhuǎn)角變化。轉(zhuǎn)矩的合成則主要看四個(gè)區(qū)域繞轉(zhuǎn)軸分布的對(duì)稱性。在0～30°之間，由于閥板前后壓差較大，A、B區(qū)域的轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于C、D區(qū)域，但A、B之間以及C、D之間的對(duì)稱性使得轉(zhuǎn)矩又相互抵消一部分。在40～90°之間，閥板前后壓差變小，各區(qū)域轉(zhuǎn)矩大小分布基本相同。

圖10　閥板表面局部均一化力矩演變過程

在閥板從0～90°變化過程中，由于閥板位置改變，其表面不同位置所受的壓力開始變化。壓力變化是因繞閥板的流動(dòng)演變導(dǎo)致的。在10°位置時(shí)，閥板下游側(cè)呈現(xiàn)出兩個(gè)上下分布的漩渦，閥板C、D兩側(cè)壓力變化不大，因此其轉(zhuǎn)矩略有增大。至20°位置時(shí)，閥板下游側(cè)上部漩渦增大，下部渦旋拉伸壓縮，由圖10中20°位置可見，其閥板下游側(cè)C、D區(qū)域～Ti分布的對(duì)稱性惡化，結(jié)合圖9可見，閥板下游側(cè)表面壓力分布的對(duì)稱性最差（D區(qū)域壓力明顯小于C區(qū)域），因此所受水力轉(zhuǎn)矩最大。隨著流場(chǎng)的演變，至30°位置時(shí)，閥板下游側(cè)形成一個(gè)主渦結(jié)構(gòu)，其閥板下游側(cè)（C、D區(qū)域）壓力分布的對(duì)稱性有所恢復(fù)，故水力轉(zhuǎn)矩逐漸減小。隨著閥板角度不斷增大，閥板表面壓力分布的對(duì)稱性逐漸改善，水力轉(zhuǎn)矩逐漸降低直至為零。

5　結(jié)論

本文針對(duì)有壓輸水系統(tǒng)開閥啟動(dòng)過程，建立了蝶閥內(nèi)部三維數(shù)值分析方法。進(jìn)一步，以泵站加壓輸水系統(tǒng)為例，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格方法，對(duì)一個(gè)蝶閥的開啟過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。主要結(jié)論如下：

（1）建立了蝶閥開啟過程數(shù)值分析方法。該方法引入了一維/三維耦合分析思路，在蝶閥所在的區(qū)域?qū)嵤┤SCFD計(jì)算，在蝶閥前后的管道實(shí)施一維水力學(xué)計(jì)算，兩個(gè)計(jì)算過程交替進(jìn)行，為對(duì)方提供邊界條件，從而實(shí)現(xiàn)界面數(shù)據(jù)的解耦，為有效進(jìn)行蝶閥三維非定常流動(dòng)分析提供了新的解決方案。

（2）獲得了蝶閥開啟過程中外特性及內(nèi)流場(chǎng)的演變特征。在外特性方面，流量在閥板轉(zhuǎn)角0～45°范圍內(nèi)快速增長(zhǎng)，在45°時(shí)達(dá)到額定流量的90%，之后增長(zhǎng)速度變緩。閥板水力轉(zhuǎn)矩呈先快增、后慢減的變化趨勢(shì)，在閥板轉(zhuǎn)角20°時(shí)出現(xiàn)最大值；內(nèi)流場(chǎng)方面，管道縱剖面流場(chǎng)的宏觀演化特征呈現(xiàn)出：從閥后上下分布的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的漩渦、到一個(gè)與閥板轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的漩渦、到漩渦縮小消失、到流線平順的演變特征。

（3）建立了閥板表面均一化力矩參數(shù)，建立了閥板水力轉(zhuǎn)矩與閥板表面壓力分布及下游側(cè)流場(chǎng)演化的關(guān)系。隨著閥板下游側(cè)出現(xiàn)兩個(gè)上下分布的漩渦到上部漩渦增大、下部漩渦拉伸壓縮，其閥板表面壓力分布的對(duì)稱性逐漸惡化，閥板水力轉(zhuǎn)矩逐漸增大。隨著兩個(gè)漩渦變成一個(gè)漩渦直至流線平順的過程，流場(chǎng)逐步光順，閥板表面壓力分布的對(duì)稱性逐漸改善，閥板水力轉(zhuǎn)矩逐漸變小，直至為零。