為了研究泵系統調閥過程的瞬態特性和內流機理，在一維分析軟件Flowmaster中建立了包含管路、閥門和泵在內的仿真模型，并以三維簡化閘閥為模型，采用Fluent6.2進行計算，對開啟過程的非定常內部流動進行數值模擬研究.采用動網格的方法分析了閥門開啟過程中閥芯運動引起的流場變形。結果表明：直線特性和對數特性的調節閥都具有快開特性，即流量變化對閥門的相對開度相當敏感，當閥門開度為10%～20%時，水擊壓力迅速下降;而通過內部流態分析可知，在閥門開度較小的工況下，閥后流場紊亂，造成較大的水力損失，使阻力系數值增加，當閥門開度小于50%時，穩態和瞬態工況下閥門的阻力系數值有較大的區別由分析可知，研究閥門開啟過程的瞬態特性，以及建立內部流態模型，都不能完全按照通常的穩態理論進行，尤其對閥門開度較小的工況，應對其進行一定程度的修正，以保證計算結果的正確性。

　　閥門作為管道系統中一種阻力可變的節流元件，通過改變其開度，可以改變管道系統的工作特性，從而實現調節流量和改變壓力的目的。它既是一種調節元件，同時也是一種控制元件，是實現管道系統安全經濟輸送的重要設備.使用閥門調節流量和控制瞬變壓力的關鍵因素是閥門的工作特性.由于閥門的工作特性受管道系統和工作狀態的影響很大，因而必須針對具體系統對閥門的特性進行具體分析.

　　通常，對于在瞬態操作條件下工作的閥門，其設計也是利用了穩態的結果，采取通常的設計方法，且在對泵系統進行計算時，把閥門的動態模型處理為靜態模型進行計算，而瞬態性能與穩態性能有很大的區別，因此很有必要研究閥門調節過程中的工作特性。但是，目前對閥門瞬態工作特性的研究工作，大多針對泵系統進行水錘分析，閥門只是作為其中的一個元件;對于閥門內部流態和外部工作特性的研究工作，由于非定常計算的難度和工作量較大，僅在試驗方面有一定的進展，而在數值模擬方面至今未見如何解決閥門調節過程中精確定義其邊界問題的方法。

　　文中應用外特性仿真分析以及內部流態分析軟件，針對閥門瞬態工作過程的調節特性進行研究，并對閥門的瞬態和穩態阻力系數進行對比分析，為分析閥門的動態特性提供一定的參考依據。

1、仿真分析模型

　　針對典型的泵裝置系統，建立仿真模型如圖1所示，供水裝置系統分為很多個計算模塊，其中進出口壓力大小設為大氣壓力值，閥門的運動特性由閥門控制器來確定，圖中黑色圓點代表節點。

圖1 泵裝置系統仿真模型

2、閥門的調節特性

　　2.1、閥門的流量特性

　　閥門的流量特性通常以相對流量NQ(某一開度時的流量與全開時流量之比)與相對開度φ(某一開度時閥桿行程或轉角與全開閥桿行程或轉角之比)的關系來表示，并以流量系數KQ(相對流量與閥門的最大通過能力的乘積)來衡量。

　　通常，閥門說明書上提供的流量系數是以清水為介質，閥門前后的壓差為0.1MPa，流體的密度為1000kg/m3。這種規定條件下的流量特性稱為閥門的固有流量特性。常見的調節閥固有流量特性有快開、直線和等百分比特性等3種.如圖2所示，曲線1，2，3分別是理想的快開特性、直線特性和等百分比特性閥門的特性曲線。但是在對閥門進行調節的過程中，由于閥門開度的改變，會對水力產生一定的擾動作用，并對水擊有一定的反射作用，這稱為閥門的動態特性，它與管路系統和調閥規律都有關系。下面針對閥門調節所引起的管路負載快速變化的過程，對泵裝置系統的水力變化進行分析，以研究閥門調節過程中，泵裝置系統特性以及閥門的動態特性。

圖2 閥門的流量特性

　　2.2、計算實例

　　水平輸水管道計算模型見圖1。兩種特性(直線特性和等百分比特性)的閥門安裝在距離心泵600m處。設閥門調節時間為10s。閥門在水力改變過程中的流量特性和閥前壓力計算結果見圖3-5。

圖3 直線閥固有特性與動態特性

圖4 等百分比閥固有特性與動態特性

圖5 閥前壓力

　　計算過程為閥門開啟的過程，由計算結果可知，即便安裝在短距離管線上，直線特性和等百分比特性的調節閥都具有快開特性，亦即閥在其開啟的初始行程和關閉的末段行程中，其流量變化對閥門的相對開度相當敏感，因此閥門在此時的調節作用很明顯。分析其原因：當管路系統中的管道長度足夠長時，管路的摩阻遠遠大于閥門的阻力，可忽略不計，于是各種不同特性閥門的動態特性都向快開特性靠近，且管道越長快開特性越明顯，而當管道長度較小時，閥門的動態特性和靜態特性較接近。如圖5所示，在閥開啟行程的前10%～20%，閥門的水擊壓力下降特別迅速，減壓幅值也很大.由于壓力的瞬變會帶來一系列的問題，因此在泵裝置系統中，應注意閥門的正確操作。

　　由圖3，4還可知，閥門在t=10s時即調節結束之后，流量的變化會滯后一定的時間，兩種調節方案均在t=15s左右達到穩定，其原因是由于泵的機組慣量所帶來的滯后性，且隨著機組慣量的增大，其滯后性會迅速增大，這一點在泵裝置系統中具有普遍性。

3、局部流動模擬分析

　　3.1、閥門模型建立及網格劃分

　　雖然動網格方法可以實現閥門的啟閉過程，但是由于閥門運動速度較快時，網格的更新速度加快，對網格的質量要求較高，從而增加了計算時間。圖6給出了實際計算過程中閥芯網格更新的過程。由圖可知，在閥門開啟過程中，網格不斷地被拉伸更新，網格密度變得逐漸稀疏，這對于高精度的數值模擬造成了很大的障礙。因此，如何保證網格質量且減少計算量，成為一個需要解決的關鍵問題。

圖6 網格變形圖

　　為解決這個問題，可參考區域動態滑移法，將閥門分為幾個計算區域，網格拉伸區和網格靜止區域。圖7為簡化的閘閥三維模型，動靜區域間采用滑移面連接的方法。在程序計算的過程中，單獨對網格更新區域采用含有移動邊界的N-S方程離散，而靜止區域采用N-S方程離散。

圖7 計算模型

　　將計算區域分區后，閥芯運動區域單獨進行網格更新，這在計算中可以保證靜止區域原有的網格分布質量，故大大提高了計算效率和精度。

　　對簡化模型進行網格劃分，閥芯在計算過程中，網格不斷地被拉伸和壓縮，因此，對閥芯部分加密，劃分結果如圖8所示。

圖8 計算網格

　　3.2、邊界條件

　　閥芯的運動采用動網格技術實現，邊界新的位置由Fluent自動執行更新。在使用動網格時，只需給定初始網格和使用用戶自定義函數定義運動區域的運動即可。

　　其邊界定義：采用速度進口和自由出流邊界條件，在壁面處采用無滑移邊界條件，近壁區采用標準壁面函數.閥芯的運動方式采用動邊界文件(udf)來控制。閥芯采用直線的啟閉規律，其運動速度為0.025m/s，運動時間為2s;計算時間步長為0.001s。

　　由于在閥門調節過程中，進口速度處于變化的過程，因此，首先通過對泵系統裝置在Flowmaster中仿真分析，對計算得出的數據進行擬合，得出的方程作為計算邊界，閥門進口速度曲線見圖9。

圖9 進口速度曲線

　　對此曲線進行二次擬合，則進口速度表達式為

υ=-1.1133t2+3.9283t+0.0423， (1)

　　其相關系數為R2=0.998。

　　3.3、動態計算結果討論

　　閥芯運動過程在不同瞬時的速度和壓力場分布見圖10。

圖10 不同時刻速度和壓力分布圖

　　由于閥門本身的結構特點，進口段的通流面積較大，而經過閥芯時通流面積突然縮小.這種結構特點對流動的影響，從靜壓分布上表現為進口段靜壓力相對較大，表明速度較小;出口端靜壓力較小，表明速度較大。而在閥芯位置處，截面的急劇縮小使流速迅速增大，由圖也可知，該位置的靜壓力值在整個流道內是最低的。在出口段靠近閥芯處，有一個較大范圍的旋渦區，這是由于流體流向的突然改變產生的，會引起較大的能量損失。

　　隨著閥門開度的不斷增大，由于其通流面積不斷地增大，閥芯附近的壓力變化范圍逐漸增大，而閥后的負壓區域逐漸減小。從速度矢量圖上也能反映這個變化，t=1.40s時流動的旋渦區相對于t=0.05s時的減小了，但旋渦伴在閥門開啟的整個過程中都是存在的。

　　3.4、瞬態和穩態阻力系數的比較

　　推得通過閥門的流量和損失系數的關系為

　　式中：Δh為壓力水頭，m;g為重力加速度，m/s²;A為管道截面積，m2;ξ為閥門的損失系數.

　　由式(2)可知，當閥門開度變化時，損失系數的變化導致了通過閥門流量的變化;這個流量的變化又對管路產生壓力變化。所以，確定一個正確的閥門損失系數與開度變化的關系，對于系統動態模型的建立是很重要的。

　　在閥芯開啟過程以及固定的情況下，利用公式(3)計算出閥門的損失系數，計算數據見表1，表中φ為閥門相對開度。

表1 穩態和瞬態阻力系數表

　　式中：Δp為被測閥門的壓力損失，即閥門的前后壓差;υav為流體在管道內的平均流速;ρ為流體密度。

　　為了定量分析閥芯運動過程和穩態過程的區別，設其阻力系數絕對誤差為

　　式中：ξs為瞬態計算阻力系數;ξw為穩態計算阻力系數。

　　將計算得到的數據以圖表的形式表示，見圖11。

圖11 瞬態和穩態的阻力系數誤差圖

　　由表1可知，隨著閥門開度φ的增大，瞬態阻力系數迅速降低，當閥門開度到50%時，穩態和瞬態阻力系數值達到較小的值4左右。由閥門阻力系數的計算公式可知，此時閥芯所受到的阻力較小，即此時閥門的通流能力較強;而在開度為4%時，穩態和瞬態阻力系數值均較大，即閥芯所受到的阻力值較大。同時比較分析圖11的瞬態和穩態阻力系數絕對誤差值可知，隨著閥門開度的增大，絕對誤差值逐漸降低，當閥門開度達到50%時，穩態和瞬態阻力系數值基本達到一致。

　　由以上數據分析可知，在分析開啟或關閉過程中閥門的阻力特性時，不能完全按照通常的穩態理論進行，尤其是對閥門開度較小的工況，如果閥門開度小于50%時，應對其進行一定程度的修正，以保證計算結果的正確性。

4、結論

　　該研究驗證了動網格技術可用于閥門開啟過程中分析，閥門開啟過程中的瞬態特性，對于研究閥門動態特性、優化閥門結構與強度設計，可提供一定的參考依據。

　　1)在閥門快速調節的過程中，閥門動態特性和靜態特性表現出較大的區別，且直線特性和等百分數特性的調節閥都具有快開特性，即流量變化對閥門的相對開度相當敏感，在閥門開度10%～20%范圍時，水擊壓力迅速下降。

　　2)比較分析靜態和動態的閥門阻力系數，閥門開度大于50%時，靜態和動態阻力系數值的差別較小;而在開度值小于50%時，動、靜阻力系數值有較大的區別，且隨著閥門開度的降低而增大。因此，在建立閥門的動態模型時應當加以考慮。

　　3)動網格技術模擬閥門的開啟過程中，水流的瞬態變化情況，相對于靜態仿真，動態仿真更能準確地模擬出這個過程，且在閥門的開啟過程中，流場呈現復雜的非定常特性，閥芯后面在開度較小時出現很強的旋渦。

　　4)結合外特性分析軟件Flowmaster和局部流動分析軟件Fluent對閥門的動態特性進行了研究，解決了閥門調節過程中復雜的邊界條件的定義問題。對于在瞬態工況下運行的閥門，其模型建立以及水力性能預測，都不能完全按照通常的穩態理論進行。