彎管角度對充水閥過流能力影響的數(shù)值計(jì)算研究

舒崚峰，劉 婧，方 杰，李勝兵，姚志峰，3

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京100083；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)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)

0 引 言

水力機(jī)組進(jìn)水口閘門一般均為靜水開啟，開啟前需要利用庫水向閘門后至機(jī)組前的隧洞或者壓力管道充水平壓，充水閥是目前國內(nèi)最常用的充水平壓方式。受水輪發(fā)電機(jī)組漏水、上游水位、充水閥流量系數(shù)等因素的綜合作用，充水平壓過程中，當(dāng)閘門前后水位差達(dá)到某一值后充水量和漏水量會實(shí)現(xiàn)平衡，所以實(shí)際閘門開啟時(shí)存在1～5 m的水位差，但隨著機(jī)組設(shè)計(jì)水頭、額定容量的不斷加大，已有若干工程出現(xiàn)了8 m的水位差還無法實(shí)現(xiàn)充水量和漏水量平衡，使進(jìn)水口閘門無法開啟并影響發(fā)電的情況。

為保證進(jìn)水閘門在規(guī)定水位差內(nèi)實(shí)現(xiàn)正常開啟，需對影響充水閥過流能力的因素進(jìn)行深入分析。由于以往設(shè)計(jì)充水閥對于大部分電站均能滿足要求，為此國內(nèi)對于閘門充水閥的研究并不多：夏維紅[1]通過公式分析和水力試驗(yàn)分析了充水閥的空穴特性，劉素英[2]從工程實(shí)際出發(fā)介紹了充水閥的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，肖段龍[3]等經(jīng)理論計(jì)算與分析推導(dǎo)了充水閥流量和開度的相互關(guān)系，龔洪波[4]等對快速閘門充水方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，鄧亞新[5]對已運(yùn)行多年的充水閥改造要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，陶云冬[6]結(jié)合抽水蓄能電站充水特點(diǎn)揭示該類充水閥設(shè)計(jì)及運(yùn)用中需要注意的要點(diǎn)。

本文依托某水利工程，利用數(shù)值計(jì)算方法(CFD)對充水閥在不同出水彎管角度和不同開度下的過流能力進(jìn)行了分析。

1 研究對象與數(shù)值計(jì)算方案

1.1 充水閥基本參數(shù)

本文選取的充水閥出口彎管角度為工程上常用為90°和105°。閥門剖面圖如圖1所示，閥門開度由閥體向上提升的行程表示：圖中閥體行程為0 mm，處于全關(guān)位置；閥體向上行程250 mm為全開位置。

圖1 充水閥結(jié)構(gòu)

1.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

1.2.1模型簡化

考慮上游側(cè)來流通過充水閥流至下游側(cè)的距離短，其對閘門上方流場影響范圍很有限。為此，在控制總體計(jì)算量和計(jì)算精度的前提下，將閥門井流體域限定在閘門上方3 m處。此外，充水閥上游流場流速低，水力損失不顯著，故對充水閥上游側(cè)模型做一定簡化，最終簡化計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

1.2.2網(wǎng)格劃分

計(jì)算采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對主體流場計(jì)算區(qū)域(閥體附近位置)做網(wǎng)格加密，對于非主要流體計(jì)算區(qū)域采取一定的疏化處理。網(wǎng)格單元總數(shù)約為380 000，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為65 000，網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

1.3 計(jì)算設(shè)置

通過充水閥的水流主要來自閘門上游，設(shè)置上游流體進(jìn)口為20 kPa的總壓進(jìn)口，并將閥門井流體域限定在閘門上方3m處。充水閥過流量相對于閘門下游側(cè)的引水隧洞體積非常小，故不考慮引水隧洞內(nèi)流場。出口定義在閥門彎管出口，采用0 kPa靜壓出口，并設(shè)置流量監(jiān)測點(diǎn)。最終邊界條件如圖4所示。

圖4 計(jì)算邊界

本次數(shù)值計(jì)算采用k-ε湍流模型，該湍流模型具有穩(wěn)定、簡單、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)[7]，對于一般工程均能獲得較為滿意的計(jì)算精度。為充分了解彎管角度對不同充水閥過流能力的影響，分別選取25、75、100、150、250 mm共5個(gè)開度進(jìn)行計(jì)算。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 收斂性分析

收斂情況用最后100步計(jì)算結(jié)果的峰-峰值與平均值的比值反映。整體收斂情況顯示：大開度下，計(jì)算結(jié)果較為穩(wěn)定；在小開度下，計(jì)算結(jié)果具有較高振蕩性。收斂振蕩性與實(shí)際流場紊亂程度呈現(xiàn)關(guān)聯(lián)性。

圖6 速度矢量場

圖7 總壓分布

2.2 流場分析

圖5 全局流場情況(100 mm開度)

全局流線圖顯示(見圖5)，從上游側(cè)進(jìn)入閘門上方水體的水流，呈螺旋式流向充水閥進(jìn)口，但水體流速非常低。水力損失主要集中在閥體附近及彎管區(qū)域。速度矢量場顯示(見圖6)，小開度下，閥門出口的水流以類似射流的方式進(jìn)入彎管，在內(nèi)、外側(cè)壁處伴有漩渦形成；大開度下，閥門內(nèi)流場順暢，閥門出口流速均勻；在彎管段，離心作用導(dǎo)致二次流的形成，彎管外側(cè)處流體降速增壓，內(nèi)側(cè)處流體升速降壓。隨著開度增大，旋渦范圍逐漸減小，這增大了彎管處的過流面積，減小了能量損耗。此外，對比90°與105°彎管出口流場，大開度下，105°彎管出口流場分布更加均勻、流暢；小開度下，兩種結(jié)構(gòu)紊亂程度均非常高。

圖7顯示了總壓的變化情況?？倝鹤兓闆r與速度場的變化相符合。大開度下：內(nèi)側(cè)壁出口附近存在部分能量耗散；彎管段主流區(qū)能量在速度能與壓力能之間轉(zhuǎn)換，幾乎無損失。隨著開度減小，內(nèi)側(cè)壁出口能量損耗區(qū)增大，且主流區(qū)受到漩渦區(qū)域的影響，速度能與壓力能的轉(zhuǎn)換過程中能量也被消耗，主流區(qū)也無法再恢復(fù)到原先的總壓能。

圖8顯示了壓力梯度的變化情況。壓力梯度的大小反應(yīng)了能量轉(zhuǎn)換過程中速度能與壓力能變化最為劇烈的位置。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，閥體附近一直為壓力能變化最劇烈的地方；對于彎管段，開度較大時(shí)，彎管內(nèi)側(cè)壁能量轉(zhuǎn)換劇烈，而在小開度下，彎管外側(cè)壁有較大的能量轉(zhuǎn)換。

2.3 過流特性分析

2.3.1阻力系數(shù)

閥門的過流能力可由其阻力系數(shù)反應(yīng)，流量與阻力系數(shù)的關(guān)系如下：

圖8 壓力梯度

(1)

式中，Q為通過閥門的流量，m3/h；H表示閥門前后水頭壓差，m；K為阻力系數(shù)(流量系數(shù)倒數(shù))，m0.5/(m3/h)。

計(jì)算區(qū)域內(nèi)的水力損失主要集中在閥體附近，故按式(1)計(jì)算阻力系數(shù)時(shí)，可將計(jì)算域進(jìn)出口壓差作為閥門前后壓差。根據(jù)計(jì)算得到90°和105°兩種彎管出口下的充水閥流量-開度曲線(見圖9)和阻力系數(shù)-開度曲線(見圖10)，可以發(fā)現(xiàn)：0～100 mm開度范圍內(nèi)，增加閥門開度能顯著提高閥門過流能力，降低阻力系數(shù)，過流量增加幅度約為5.82 kg·s-1/mm；150～250 mm開度范圍內(nèi)，阻力系數(shù)趨向恒定，增大開度對提升過流能力的幫助有限，過流量增加幅度約為2.0 kg·s-1/mm；此外，0～50 mm開度范圍內(nèi)，改變彎管角度對充水閥過流能力幾乎無影響；當(dāng)開度超過75 mm時(shí)，105°出口彎管比90°出口彎管更能有效提高充水閥的過流能力，最大提高約16.4%。

圖9 流量—開度曲線計(jì)算結(jié)果

圖10 阻力系數(shù)—開度曲線計(jì)算結(jié)果

2.3.2水力損失

流速平均化對比情況(見圖11)顯示：大開度下，質(zhì)量平均和面積平均的計(jì)算結(jié)果差別較小；小開度下，兩者計(jì)算結(jié)果差異較大。由于小開度下的有效過流面積小，閥門出口過流斷面流態(tài)已不符合過流斷面上各點(diǎn)流速均勻分布的假設(shè)，故采用斷面平均流速無法真實(shí)反映損失特性。為此，均按照質(zhì)量平均考慮水力損失。最終計(jì)算得到不同開度下的閥門水損情況如表1所示，計(jì)算結(jié)果可為充實(shí)閥的設(shè)計(jì)和選擇提供參考。

圖11 不同平均化流速對比

3 結(jié) 論

對某水力工程進(jìn)水口閘門的DN500充水閥流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了開度及出口彎管角度對充水閥過流能力和流場特性的影響情況，得到主要結(jié)論如下：

表1 充水閥水損

注：壓力用相應(yīng)的水柱高度表示，進(jìn)口質(zhì)量平均總壓均為2.04 m。

(1)流場隨閥門開度變化規(guī)律為：0～100 mm開度下，彎管在內(nèi)、外側(cè)壁形成漩渦，減小過流面積，增大能量損耗，開度增大能快速降低漩渦影響范圍，增大過流能力；100 ～250 mm開度下，流體順暢通過閥門，彎管出口流速較均勻，增大開度對流場的改善作用有限。此外，當(dāng)出口未出現(xiàn)回流現(xiàn)象時(shí)，105°彎管出口流場分布更加均勻、流暢；而在小開度下，兩種結(jié)構(gòu)紊亂程度均非常高。

(2)閥門開度增大能夠提高閥門過流能力、降低阻力系數(shù)。開度小于100 mm時(shí)，過流能力提升效果顯著，每毫米開度的平均流量增長率可達(dá)5.82 kg/s；開度大于150 mm時(shí)候，過流能力提升效果降低，每毫米開度的平均流量增長率為2.0 kg/s。

(3)開度為0～75 mm時(shí)，改變閥門出口彎管角度對閥門過流能力影響不大；開度為75～250 mm時(shí)，105°彎管相比90°彎管能有效提高閥門的過流能力，整個(gè)開度范圍內(nèi)的平均過流量增加14.1%，最大過流量增加16.39%。