基于ANSYS的智能節(jié)水灌溉水網(wǎng)抗水錘研究*

謝碧洪，劉曉初，蕭金瑞

（1.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東云浮 527200；2.廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

中國是農(nóng)業(yè)大國，但農(nóng)業(yè)灌溉用水資源稀缺。在當(dāng)前水資源日益緊缺的情況下，推廣節(jié)水澆灌、走綠色的可持續(xù)發(fā)展道路已成為中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必然選擇。在節(jié)水灌溉中，關(guān)閉閥門時伴隨水錘現(xiàn)象，這是一種普遍存在的有壓管道非恒定流問題。由于閘或閥的關(guān)閉，會迅速引起管道內(nèi)水壓、流速劇烈變化，導(dǎo)致壓強升高，可達管道正常壓強的幾倍至數(shù)十倍。另外，管道內(nèi)介質(zhì)的動能在瞬間全部轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽?，可?dǎo)致管道系統(tǒng)強烈振動，產(chǎn)生噪聲，造成閥門破壞，管件接頭破裂、斷開，甚至管道炸裂等重大事故[1-2]。對管壁、閘門以及閥門等附件產(chǎn)生巨大的沖擊力，在水體慣性和可壓縮性、管壁彈性以及系統(tǒng)阻力作用下，管道內(nèi)水的壓力和密度不斷交替變化，直至穩(wěn)定，工程上稱這一水力過渡過程狀態(tài)為水擊（或水錘）現(xiàn)象[3-4]。

1 水錘產(chǎn)生機理

在節(jié)水灌溉水網(wǎng)中，水錘是由于管道中某一截面（閘門或閥門）的流速改變，引起管道壓強的急劇升高或下降，這種瞬變波的壓力波對管見產(chǎn)生的影響稱為水錘[1]。在節(jié)水灌溉水網(wǎng)中，由于水錘計算受多種實際工程中的因素影響，本文研究運用的是簡化了的水網(wǎng)研究模型，如圖1所示。

圖1 水網(wǎng)研究模型

假設(shè)水管長度為L，管內(nèi)流速為v，當(dāng)閥門突然關(guān)閉，則閥門處流速突然滯止為0。由于流體的向前慣性作用閥前受壓迫壓力躍升高，而閥后由于閥門關(guān)閉后流體的向前慣性會形成負(fù)壓，假設(shè)這些躍升或降低的數(shù)值稱為水錘壓力，用ΔP表示，其以速度α向整個管道傳播。若閥門關(guān)閉時間T＜2 L/α，這時產(chǎn)生的水錘最大，稱為直接水錘，是對管道和閥門危害最大的一個壓力ΔP[1，5-6]：

式中：ΔP為水錘壓力，MPa；ρ為流體密度，kg/m3；α為水錘傳播速度，m/s；Δv為流速的瞬間變化量，m/s。

2 抗水錘研究方案

參考專家學(xué)者及工程實踐的經(jīng)驗做法，主要有以下3種抗水錘方法。

（1）慢慢地關(guān)閉閥門。該方法反應(yīng)慢、效率低，在節(jié)水灌溉中不可取。

（2）在水網(wǎng)中加旁通管或安全緩沖裝置。該方法所用裝置較多，維護保養(yǎng)比較麻煩，不便應(yīng)用于節(jié)水灌溉的野外環(huán)境。

（3）在水網(wǎng)加入空氣罐抗水錘[7-8]。該方法是本文提倡采用的方法，如圖2所示。方法簡單，易于應(yīng)用在實際工程中，并且裝置耐久、穩(wěn)定性好。圖中，空氣罐設(shè)置在距閥門Ln處，以等差距離（L1，L2，L3，L4，L5，L6，…） 距閥門設(shè)置空氣罐，如表1所示。Ansys Fluent-Static Structural流固耦合有限元分析水錘過程，分析閥門閥芯、水管網(wǎng)受到的壓力情況，以研究空氣罐與閥門的設(shè)置距離（L1，L2，L3，L4，L5，L6，…）對管道、閥芯受水錘壓力的影響。

圖2 水網(wǎng)水網(wǎng)加入空氣罐抗水錘

表1 空氣罐與閥門距離mm

3 水錘沖擊最大壓力理論計算

根據(jù)閥門關(guān)閉時間Ts與O點壓力變化周期T的關(guān)系，利用儒可夫斯基公式計算水錘壓力增加值ΔP時，必須先確定水錘波速度α[9-10]，即：

式中：ρ為水的密度，kg/m3；K為水體積彈性模量，Pa；D為管道外徑，m；e為管壁厚度，m；E為PVC-U管壁彈性模量，N/m2。

考慮水中有空氣進入，水的密度ρ和體積彈性模量K將會減小[10-11]。假定管道中的微小氣泡均勻分布，對式（1）進行修正，修正后的公式為：

式中：γ為水的容重，N/m3；γ′為空氣的容重，N/m3；g為重力加速度，m/s2；W為混合液的體積，m3；W′為混合液中氣泡的體積，m3。

計 算 時 ， 令 γ =104N/m3；γ′=12.70 N/m3； g=10 m/s2；W′/W=0.02；K=2.18×109Pa；D=0.032 m；e=0.003 5 m；E=2×109N/m2。代入式（2）求得水錘波速度α，m/s。

計算水錘壓力增加值ΔP的儒可夫斯基公式為：

管內(nèi)水流速度公式為：

式中：Qj為管道最大流量，m2/h。

4 抗水錘有限元分析

4.1 模型建立

如圖2所示的水網(wǎng)模型尺寸，長度為500 mm；水管直徑為25 mm；空氣罐直徑為60 mm；高為100 mm；口徑為18 mm。在三維軟件pro/e中建立模型，然后導(dǎo)入到AnsysFluent中的DesignModeler。圖3所示為有限元簡化后的三維圖和閥門閥芯圖。

圖3 有限元簡化后的三維圖、閥門閥芯圖

4.2 網(wǎng)格化

網(wǎng)格劃分定義是基于CFD流體動力學(xué)控制劃分，劃分精度設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)，劃分秩序為線性控制，網(wǎng)格間中等平滑過渡，生成共形的混合四面體/棱柱和六面體網(wǎng)格[12]。劃分出網(wǎng)格節(jié)點Nodes 43 858個，單元Elements 225 556個。劃分后如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

4.3 邊界條件及材料設(shè)定

用Ansys Fluent仿真分析流體域部分。設(shè)定水管和空氣罐為流體域，流體材質(zhì)為水，從水管左側(cè)入口inlet以V=20 m/s的速度，其余表面為wall，slip設(shè)為光滑。閥芯部分為固體域用Ansys Structural分析，材質(zhì)為銅質(zhì)，固定閥芯轉(zhuǎn)軸，將流體部分對閥芯的壓力加載到球閥上。

4.4 水管單向流固耦合分析

求解時，將流體域迭代的次數(shù)都設(shè)為500步，模擬水網(wǎng)中閥門突然關(guān)閉，分析此時水網(wǎng)壓力的變化。本文只列出空氣罐與閥門距離Ln分別為30 mm、60 mm、240 mm的水管壓力云圖，如圖5～7所示。

圖5 空氣罐與閥門距離為30 mm時水網(wǎng)受壓云圖

4.5 閥芯流固耦合結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

圖6 空氣罐與閥門距離為60 mm時水網(wǎng)受壓云圖

圖8 Ln=60 mm閥芯受壓云圖 圖9 Ln=90 mm閥芯受壓云圖

圖7 空氣罐與閥門距離為240 mm時水網(wǎng)受壓云圖

圖10 Ln=150mm閥芯受壓云圖 圖11 Ln=240mm閥芯受壓云圖

表2 空氣罐與閥芯距離對水網(wǎng)和閥芯受壓情況

求解時，固體域分析設(shè)置為1 s，模擬水網(wǎng)中閥門突然關(guān)閉，分析此時閥門受到的壓力變化。圖8～11所示為空氣罐與閥門距離Ln分別為60 mm、90 mm、150 mm、240 mm時，閥芯受到的壓強情況。

4.6 空氣罐與閥芯距離對水網(wǎng)和閥芯受壓情況

其他空氣罐與閥門的設(shè)置距離對水網(wǎng)、閥芯受到的水錘壓力數(shù)據(jù)情況如表2所示。

5 結(jié)束語

（1）建立了有限元分析軟件，研究智能節(jié)水灌溉水網(wǎng)抗水錘的簡化三維模型，仿真出水網(wǎng)和閥芯受到的水錘壓力云圖。

（2）從圖5～7可以得出，設(shè)置空氣罐對水錘壓力局部均勻分布有利。

（3）從表2可以得出，空氣罐與閥芯設(shè)置距離越長，閥芯和水網(wǎng)受到的最大壓力越呈增大趨勢；若空氣罐與閥芯設(shè)置距離相對較短，水錘壓力對水網(wǎng)的影響破壞應(yīng)較少。

（3）研究結(jié)論對工程中減少水網(wǎng)的水錘破壞有一定的參考價值。