消能錐形閥過流狀態(tài)研究與優(yōu)化

1、    消能錐形閥過流狀態(tài)研究與優(yōu)化    秦武+李志鵬+喻哲欽+童成彪+巨偉摘要：消能錐形閥是一種用于中、高水頭下的消能控流閥門，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響著控流效果。為探究消能錐形閥在不同開度下，過流流量及內(nèi)部流場的變化情況。進(jìn)行了模型試驗(yàn)與cfd數(shù)值模擬計(jì)算，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)開度從100%關(guān)至85%時(shí)出現(xiàn)了流量反而上升、進(jìn)口壓力下降的情況。利用cfd數(shù)值模擬的方法對內(nèi)部流場進(jìn)行了可視化研究。研究結(jié)果表明，在全開狀態(tài)下錐形閥內(nèi)部存在以下問題：過強(qiáng)的局部高速高壓區(qū)域、低速流動死區(qū)范圍過大、渦流區(qū)過度影響高速過流部分。并對錐形閥進(jìn)行了一定的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，優(yōu)化了其

2、內(nèi)部流場情況。關(guān)鍵詞：錐形閥；試驗(yàn)；cfd；開度；過流能力；內(nèi)部結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)：tv131.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a：1672-1683（2017）01-0193-06abstract：energy dissipating fixed cone valve is used under medium or high water head，and the design of its internal structure directly affects its flow control efficiency.to study the changes of the valves internal flow

3、field and flow rate when the closed switch is opened to varied degrees，the writer conducted model tests and cfd numerical simulation computation，and found that when the switch was turned down from 100% open to 85% open，the flow rate increased and pressure around the inlet dropped.the writer also con

4、ducted visualization research on the valves internal flow field through cfd numerical simulation，and the results showed the following problems inside the valve when the switch was fully open：excessively high speed and high pressure in partial areas，extensive low-flow stagnation areas，excess impact o

5、f eddy area on the high-speed flow area.finally，the writer optimized the valves structure and its internal flow field.key words：fixed cone valve；test；cfd；opening degree；flow capacity；internal structure；optimal design泄水消能建筑是水利水電工程建設(shè)中的重要組成部分。在水利水電工程中，泄水消能建筑的建設(shè)成本達(dá)到了總建設(shè)成本的三成以上1， 所以優(yōu)化泄水消能設(shè)備使其在相同的條件下達(dá)到更好的

6、使用效果具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。消能錐形閥一般應(yīng)用于較高水頭、大流量下的消能控流工作，其內(nèi)部流場較為復(fù)雜，通過內(nèi)部消能結(jié)構(gòu)促生高速流撞擊、漩渦、摩擦、擴(kuò)散等現(xiàn)象，以此將過大的出流能量轉(zhuǎn)化消除2-3。魏文禮等人研究并提出了利用嵌套式結(jié)構(gòu)提高錐形閥的消能效果4-5。dallin stephens，michael c.johnson等人為提高錐形閥的性能效果，創(chuàng)新地在錐形閥內(nèi)部增加了金屬罩部件。 6-7。李穎，楊東升在對內(nèi)流式錐形閥的流場情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化8-9。鄭淑娟等人對錐形閥內(nèi)部流場進(jìn)行了預(yù)測得到了更精確的液動力計(jì)算公式10-12。ji kang bo在應(yīng)用研究中驗(yàn)證了流固

7、耦合的多學(xué)科聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)在錐形閥領(lǐng)域的可行性13。國外科研團(tuán)隊(duì)則通過大量的試驗(yàn)研究認(rèn)為消能錐形閥可以對高水頭出流達(dá)到70%以上的消能效果14-15。蘭州理工大學(xué)閔為等人利用流固耦合的模擬方法得出合理選取半錐角度可以改善錐形閥的穩(wěn)定性、優(yōu)化出流條件16-17。jalal m.jalil等對錐形閥數(shù)值研究和試驗(yàn)進(jìn)行了聯(lián)合研究，對閥芯位置、渦流半徑及強(qiáng)度等對錐形閥整體性能影響進(jìn)行了探討18。kelly roes則通過研究認(rèn)為消能錐形閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸與部件的選擇設(shè)計(jì)對消能錐形閥的整體消能效果起到關(guān)鍵作用19。消能錐形閥除了消減上游過大水頭能量外還擔(dān)負(fù)著一定的流量調(diào)節(jié)作用。文本目的在于探究不同開度下消能錐

8、形閥過流流量、進(jìn)出口壓力及內(nèi)部流場的變化情況；并嘗試對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。研究中，先進(jìn)行不同開度下的錐形閥模型試驗(yàn)。再利用cfd數(shù)值模擬的手段進(jìn)一步對內(nèi)部流場進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對錐形閥進(jìn)行一定的優(yōu)化改進(jìn)。1 錐形閥模型試驗(yàn)1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c裝置本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵阅炒笮烷y門企業(yè)提供的消能錐形閥為原型制作。根據(jù)試驗(yàn)條件對原型進(jìn)行一定比例的縮小處理。原型錐形閥進(jìn)口直徑為2.5 m，縮小模型的幾何比例尺為30。本次搭建了完整的水力工程試驗(yàn)臺進(jìn)行試驗(yàn)工作，使模型與原型滿足弗勞德數(shù)相似，其模型流速比例尺為5.48，流量比例尺為4 929.50。圖1為消能錐形閥模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況，為了更清楚地表示錐形閥開度定位

9、情況，錐形閥內(nèi)部只繪制出錐形閥芯與啟閉套筒。該消能錐形閥通過啟閉套筒在水平方向的前后移動來改變開度的大小。圖1l中是啟閉套筒最大開啟行程，l1是當(dāng)前位置的開啟行程。當(dāng)套筒關(guān)閉至與錐形閥芯相貼合時(shí)，達(dá)到對過流的完全截止，即l1=0；同時(shí)，啟閉套筒也可開啟至最大行程開度，即l1=l。并將消能錐形閥的行程開度定義為k=l1/l×100%。 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎酶邚?qiáng)度的有機(jī)玻璃材料制作，以更好的觀察錐形閥內(nèi)部的流動情況。在試驗(yàn)裝置本上，次試驗(yàn)采用高位供水水箱提供穩(wěn)定的恒壓進(jìn)流。在錐形閥前后連接了測壓管測量其進(jìn)出口壓力值的大小。并在試驗(yàn)裝置出流水槽處設(shè)置了量水三角堰。模型試驗(yàn)裝置見圖2。壓力降低的反常

10、現(xiàn)象。故認(rèn)為該錐形閥存在有全開狀態(tài)下過流能力不佳的問題，且該變化趨勢在實(shí)際應(yīng)用中將對壓力流量的調(diào)節(jié)產(chǎn)生不利影響。為了探究該現(xiàn)象發(fā)生的原因并優(yōu)化消能錐形閥的過流條件。在后續(xù)研究中采用cfd數(shù)值模擬的方法對不同開度下錐形閥內(nèi)部流場進(jìn)行了相同工況條件下的數(shù)值模擬分析。2 數(shù)值模擬分析2.1 三維建模本次采用pro/e軟件進(jìn)行錐形閥三維模型的建立。三維建模是為cfd流體計(jì)算提供幾何計(jì)算域，為了保證模擬與試驗(yàn)的一致性，三維建模尺寸采用與試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗤壤哌M(jìn)行縮小。本次研究的消能錐形閥，內(nèi)部部件包括：錐形閥芯、環(huán)形孔套、啟閉套筒。建模過程中先建立錐形閥整體流道的幾何模型。再分別建立啟閉套筒、閥芯、孔套等內(nèi)

11、部結(jié)構(gòu)，通過模型切除的操作從整體流道中切除為非流通壁面區(qū)域的內(nèi)部部件，即得到所需要的三維計(jì)算域。2.2 網(wǎng)格劃分與參數(shù)設(shè)置網(wǎng)格劃分是cfd模擬計(jì)算中質(zhì)量要求最嚴(yán)格的一步，所建網(wǎng)格質(zhì)量的好壞將直接關(guān)系到是否能夠得到準(zhǔn)確的收斂結(jié)果。本次研究采用ansys軟件組中的icem軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于錐形閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故采用幾何適應(yīng)性更好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。同時(shí)，為了更好的體現(xiàn)錐形閥內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)，計(jì)算網(wǎng)格尺寸設(shè)定為0.19。全開狀態(tài)下模型網(wǎng)格數(shù)量為1150萬，小開度下模型網(wǎng)格數(shù)量略微減少，40%開度下網(wǎng)格數(shù)量為1 000萬。經(jīng)網(wǎng)格檢查其質(zhì)量均在0.35以上，符合本次研究的計(jì)算精度要求。消能錐形閥三維

12、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分情況見圖4。完成網(wǎng)格劃分后，在cfx軟件中進(jìn)行模擬計(jì)算及計(jì)算結(jié)果的后處理分析。cfx同屬于ansys軟件組，具有計(jì)算精度高、收斂效果好及計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。模擬參數(shù)設(shè)置的關(guān)鍵在于確定合適的邊界條件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。本次模擬采用收斂效果較好的進(jìn)口速度與出口壓力來進(jìn)行設(shè)置，內(nèi)部套筒、閥芯及孔套等結(jié)構(gòu)則設(shè)置為非流通的wall邊界。完成設(shè)置后進(jìn)行迭代計(jì)算，均在500步以內(nèi)得到收斂結(jié)果。2.3 模擬結(jié)果及誤差分析本次模擬采用速度進(jìn)口和壓力出口邊界設(shè)置，進(jìn)口壓力是模擬關(guān)鍵的結(jié)果值，故可以通過對比分析數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)中進(jìn)口壓力值，進(jìn)行模擬計(jì)算精度的驗(yàn)證。表2為模擬精度驗(yàn)證結(jié)果，試驗(yàn)與模型進(jìn)口壓

13、力對比見圖5。從驗(yàn)證結(jié)果可以看出，在較大開度下數(shù)值模擬具有很高的精度，70%以上開度誤差小于5%，在55%和40%的小開度下誤差上升到5%左右。從折線圖看，模擬隨開度改變壓力變化的趨勢與試驗(yàn)一致。通過對cfd模擬與模型試驗(yàn)方法、過程進(jìn)行分析，得出可能造成誤差的原因有以下幾點(diǎn)：首先，在小開度下由于流道對過流更強(qiáng)的阻礙作用，造成內(nèi)部流場的進(jìn)一步復(fù)雜化，對數(shù)值模擬的準(zhǔn)確計(jì)算造成了困難。其次，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诩庸ぶ圃焐想y免會與理想模型存在誤差。其三，試驗(yàn)與模擬本身均存在難以避免的誤差。例如在試驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)儀器與試驗(yàn)人員觀察計(jì)量上存在不可避免的誤差；同時(shí)cfd數(shù)值模擬作為一種計(jì)算機(jī)仿真手段也難以對真實(shí)情況實(shí)現(xiàn)百分

14、百準(zhǔn)確的模擬。綜上分析，由于本次研究的目的在于探究100%至85%開度時(shí)流量壓力的反常變化原因，且試驗(yàn)與模擬在100%、85%、75%三個(gè)開度下均只有較小的誤差。同時(shí)，從整體來看模擬所得結(jié)果變化趨勢也與試驗(yàn)一致，故認(rèn)為該次模擬結(jié)果具有良好的研究可靠性。3 分析與優(yōu)化建議3.1 模擬結(jié)果分析研究為探究流量壓力曲線出現(xiàn)反常變化的原因，對100%、85%、70%三個(gè)開度下內(nèi)部流場的cfd模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。重點(diǎn)分析錐形閥內(nèi)部壓力和速度分布及流線變化情況，cfd模擬計(jì)算結(jié)果見圖6，其中182 cm水頭與133 cm水頭工況下的壓力、流線分布變化相似，故文中只給出182 cm水頭工況組模擬圖。分析得出

15、以下幾點(diǎn)結(jié)論。（1）消能錐形閥各開度下內(nèi)部壓力分布趨勢基本一致。由于過流流道的突然改變使得在閥芯頭部及錐形形變處出現(xiàn)高壓區(qū)域。但是85%開度時(shí)錐形閥內(nèi)部最高壓力均小于100%及70%開度，認(rèn)為錐形閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)在85%時(shí)對過流流態(tài)的影響更小。（2）消能錐形閥各開度下速度分布趨勢基本一致。流場在流道收縮處出現(xiàn)了局部的高速現(xiàn)象，流速的突變以及高速流的撞擊將影響整體流動狀態(tài)?？梢钥闯鲈?5%開度時(shí)錐形閥內(nèi)部最大速度均小于100%及70%開度，認(rèn)為85%開度時(shí)實(shí)際的流通狀態(tài)更好。（3）消能錐形閥大致流線變化情況相似?？梢园l(fā)現(xiàn)在閥芯后側(cè)和周側(cè)出現(xiàn)了幾處渦旋區(qū)域，且伴隨有流速極低的流動死區(qū)，這都將對流體的通過

16、性能產(chǎn)生影響。并可看出100%與70%開度時(shí)，旋流與低速流動死區(qū)范圍更大，其對流道中部高速流動區(qū)域的通過性將產(chǎn)生更大阻礙作用。3.2 錐形閥優(yōu)化建議在錐形閥試驗(yàn)與模擬研究中，均出現(xiàn)100%至85%開度下出現(xiàn)了反常的流量上升和閥前壓力下降現(xiàn)象。這在實(shí)際工程應(yīng)用中將對流量的控制調(diào)節(jié)產(chǎn)生不利影響。故研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)錐形閥設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及模擬分析結(jié)果對該類型消能錐形閥進(jìn)行了一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在環(huán)形孔套后部增加了錐形孔套部件以改善其內(nèi)部流場情況。為驗(yàn)證優(yōu)化后模型是否改善了在全開狀態(tài)下的內(nèi)部流場情況，對改進(jìn)后模型進(jìn)行了相同工況下的cfd數(shù)值模擬計(jì)算，并以之與優(yōu)化前模型模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。模擬邊界條件采用與優(yōu)化前

17、模型相同的進(jìn)口速度與出口壓力進(jìn)行設(shè)置。從模擬結(jié)果可以看出，優(yōu)化后模型有效的降低了局部最大壓力；同時(shí)減小了閥芯后側(cè)渦旋區(qū)域與流動死區(qū)的范圍，使影響較大的大面積渦旋區(qū)域轉(zhuǎn)化為面積和影響較小的多個(gè)小渦旋區(qū)域，降低了其對高速過流的阻礙作用。模擬對比分析結(jié)果見表3與圖7，模擬結(jié)果同樣以182cm水頭工況為例。 4 結(jié)論本次為探究消能錐形閥在不同開度下過流流量及內(nèi)部流場的變化情況。進(jìn)行了水力模型試驗(yàn)和cfd數(shù)值模擬計(jì)算。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)開度從100%關(guān)至85%時(shí)出現(xiàn)過流流量上升和進(jìn)口壓力下降的變化情況，這在實(shí)際工程應(yīng)用中將對過流調(diào)節(jié)產(chǎn)生不利影響。故利用cfd數(shù)值模擬的方法對不同開度下內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，

18、分析結(jié)果認(rèn)為在全開開度下錐形閥內(nèi)部流場存在以下問題：過強(qiáng)的局部高壓高速區(qū)域、低速流動死區(qū)過大、渦流區(qū)過度影響高速過流部分。并對錐形閥進(jìn)行了一定的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，降低了最高壓力、最大流速，減小了流動死區(qū)及渦流區(qū)對過流能力的影響，優(yōu)化了其內(nèi)部流場情況。參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)（references）：1 高季章，董興林，劉繼廣.生態(tài)環(huán)境友好的消能技術(shù)-內(nèi)消能的研究與應(yīng)用j.水利學(xué)報(bào)，2008（10）：1176-1182，1188。 （gao ji-zhang，dong xing-lin，liu ji-guang.research and application of eco-friendly energy d

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