空气阀作为重要的水锤防护设备, 由于其结构简单, 安装方便等优势, 被广泛运用于长距离输水管道。针对不同的输水系统, 空气阀选型不合适, 空气阀进排气孔径大小与输水管道不匹配, 不仅不会起到水锤防护作用, 反而会使空气没能及时进入管道, 而引起管道中水负压气化, 或者因为排气过快而导致管道弥合水锤升压加大。

　　 影响空气阀水锤防护效果的特征参数主要包括空气阀进排气面积、进排气流量系数等。Naftail^[1]指出空气阀进排面积过大或过小, 不但不会起到水锤防护作用, 反而会加重水锤危害。Lee^[2]指出影响空气阀水锤防护效果主要参数是空气阀进、排气面积之比A_in/A_out, 比值越大水锤防护效果越好。Lingireddy等^[3]认为空气阀进气流量系数大则防止管道负压能力强;排气流量系数小, 虽然会延长管道压力波动时间, 但是会降低弥合水锤压力峰值。李小周等^[4]采用不同孔径缓闭式空气阀进行重力流水锤模拟, 得出当空气阀排气面积与进气面积之比为ε=0.05～0.2时, 空气阀可有效防止管道负压气化, 同时降低弥合水锤正压。柯勰等^[5]采用周期波动水源, 对缓闭式两阶段关闭空气阀进行水锤模拟, 发现小孔排气面积与大孔排气面积之比为u=0.1～0.15时, 管道水锤正压防护效果最佳。刘志勇等^[6]对空气阀进排气面积与流量系数的乘积Cω, 采用遗传优化算法, 得出 (C_ω) _in/ (C_ω) _out达到100时, 空气阀水锤防护效果最佳, 常规空气阀无法满足该结构条件, 只有采用缓闭式空气阀可以达到该结构特性。

　　 综上研究分析, 空气阀进气孔径大、进气流量系数大则可有效控制管道水锤负压;空气阀排气孔径小、排气流量系数小则防弥合水锤性能越好, 对于空气阀的水锤防护, 其结构上应该具有“快进慢排”的特性。

　　 目前国内外学者在研究空气阀最佳孔径时, 对不同孔径空气阀流量系数都取固定值, 且与实际流量系数相差太大。不同孔径的空气阀对水锤的防护效果不一样, 即使采用相同型号的空气阀, 由于各厂家生产的标准不统一, 进排气流量大小不一, 导致其水锤的防护效果也存在一定的差异。本文主要研究缓闭式空气阀三维结构, 缓冲阀瓣孔径大小及布置方式对空气阀水锤防护效果的影响, 进而指导空气阀的结构设计。

　　 本文研究的空气阀结构如图1所示, 该空气阀为缓闭型复合式空气阀, 它由高压微量排气孔和低压大量进排气孔组成, 同时在空气阀的下端或上端安装了可自由滑动式防水锤缓冲排气阀瓣。空气阀空气端孔径大小为240 mm, 管道段孔径大小为300 mm。

　　 防水锤缓冲阀瓣主要作用在管道发生水柱分离再弥合时, 降低排气速度, 控制两端水柱弥合时水锤升压。空气阀为两阶段排气, 在排气升力的作用下缓冲阀瓣上升至节流端面, 排气面积减小, 排气流量减小。当管道水柱分离产生负压时, 空气阀从空气侧吸气, 此时缓冲阀瓣下落至原位。空气阀高压微量排气孔用于管道正常输水时排出水中气团。

　　 本文对缓闭型复合式空气阀, 不改变空气阀进出口口径大小, 只改变缓冲阀瓣通流面积。

　　 图2为缓冲阀瓣下置空气阀, 其中D₁大小为节流端面孔径, 该孔径大小与空气阀出口端孔径大小一致D₁=240 mm, D₂为缓冲阀瓣的直径大小。取缓冲阀瓣上升至节流端面后, 节流端面通流面积与空气阀出口面积之比为u, 计算见式 (1) 。

　　 $u=\frac{\text{π}\left(\frac{D{}_1}{2}\right){}^2-\text{π}\left(\frac{D{}_2}{2}\right){}^2}{\text{π}\left(\frac{D{}_1}{2}\right){}^2}(1)$

　　 图2为缓冲阀瓣上置空气阀, 图2中D₁为空气阀的出口孔径, 缓冲阀瓣外径大小为D₁, D′₂为缓冲阀瓣内径大小。取缓冲阀瓣上升至密封面后, 缓冲面通流面积与空气阀出口面积之比为u′, 计算见式 (2) 。

　　 $u^{\prime }=\frac{\pi \left(\frac{D^{\prime }{}_2}{2}\right){}^2}{\pi \left(\frac{D{}_1}{2}\right){}^2}(2)$

　　 对缓冲阀瓣上置空气阀和缓冲阀瓣下置空阀分别取u (u′) =0.4、0.3、0.2、0.1、0.75、0.05、0.025共绘制14组空气阀三维结构。

　　 定义空气阀流量系数为实际流量大小与理论流量大小之比, 其中空气阀实际质量流量本文采用Fluent软件进行数值模拟计算。其流量系数计算见式 (3) 。

　　 $C=\frac{m}{m{}_0}(3)$

　　 式中m——通过空气阀实际质量流量, kg/s;

　　 m₀ ——理论质量流量, kg/s。

　　 空气阀在排气和进气的过程与气流在喷管中流动特性相似^[7]。对于空气阀理论流量计算式, 可采用同孔径喷管气流特性相关公式进行计算。

　　 根据缓闭式空气阀工作原理, 对于空气阀的排气工况, 按照缓冲阀瓣是否动作分别定义为“小孔排气”“大孔排气”;空气阀吸气工况定义为“吸气”, 对3组工况分别抽取流体域, 对空气阀流体域采用的网格类型为多面体网格。

　　 采用Fluent软件对空气阀进气和排气过程进行数值模拟分析。空气阀流体域介质设为理想气体ideal gas, 采用标准的湍流模型k-ε模型, 采用压力速度分离求解器, 压力速度耦合方程采用SIMPLE算法。

　　 空气阀边界参数设置, 按照3种工况, “大孔排气”“小孔排气”及“吸气”分别设置。空气阀排气时管道处压力大于大气压, 将排气工况工作参考压力设为101 325 Pa。吸气时空气阀管道处压力低于大气压, 将吸气工况工作参考压力设为0。对3组工况模型分别模拟计算, 收敛后求取空气阀在排气和进气过程中质量流量大小;进排气流量系数;分析空气阀排气时缓冲阀瓣所受气流升力, 当缓冲阀瓣所受气流升力等于其重力时, 缓冲阀瓣开始动作上升至节流端面, 空气阀“大空排气”改为“小孔排气”, 定义该排气压差空气阀过渡度压力。

　　 通过Fluent软件对14组模型, 采用相同的计算模型, 分别计算空气阀进排气流量特性参数。图4为空气阀进出口压差2 000 Pa时, u=0.4、0.3、0.2、0.1、0.05其中5组模型, 空气“小孔排气”速度云图。

　　 通过图3和图4可以看出, 对于空气阀“小孔排气”随着通流面积的减小, 缓冲阀瓣上置结构空气阀和缓冲阀瓣下置结构空气阀, 速度高速区域均降低, 其中缓冲阀瓣上置结构空气阀速度降低更加明显。

　　 表1为缓冲阀瓣下置空气阀, 表2为缓冲阀瓣上置空气阀, 14组空气阀结构其进排气流量系数与空气阀过渡压差表。

　　 表1与表2中空气阀进排气流量系数可以看出, 随u (u′) 值减小, “大孔排气”速度和“吸气”流量系数都降低, 但“小孔排气”流量系数降低更加显著, 流量系数变化趋势与速度云图变化一致。

　　 缓冲阀瓣下置空气阀当u=0.025时, 空气阀“吸气”流量系数与“小孔排气”流量系数比值为3.6, u=0.025缓冲阀瓣尺寸达到237 mm, 节流断面孔径为240 mm。上述数据说明缓冲阀瓣下置结构空气阀, 吸气流量系数与小孔排气流量系数比为3.6, 几乎达到极限值。

　　 缓冲阀瓣上置空气阀当u′=0.025时, 空气阀“吸气”流量系数与“小孔排气”系数比值为11.1。由于缓冲阀瓣采用的是变内径结构, 该比值可以变得更小, 但减小缓冲阀瓣内径, 空气阀的吸气流量系数也会大幅下降。

　　 通过Hammer软件对安装该结构空气阀的输水管道进行水锤防护效果分析。输水系统由2台离心泵, 将水从低位水池打到高位水池, 低位水池高程0 m, 高位水池高程79 m, 水泵扬程80 m。输水管道总长7.6 km, 管径2 400 mm。

　　 该输水管线距并联交汇处5 km处有1个拐点P, 该点高程为70 m。在输水管道P点及该点前300 m处各安置1个空气阀。该输水管线除安装2个空气阀外, 无其它水锤防护设备及措施, 只研究空气阀对停泵水锤防护效果。空气阀边界参数采用三段式设置, 其中“大孔排气”“小孔排气”及“吸气”均采用Fluent求取的流量系数, 设置空气阀过渡压差为缓冲阀瓣起跳压差, 见图5。

　　 采用相同的输水管道, 分别安装缓冲阀瓣下置结构空气阀和缓冲阀瓣上置结构空气阀。表3为安装不同结构空气阀, 管道P点后300 m管段, 平均最大压力水头和最小压力水头。水泵扬程为80 m, 根据泵站设计规范规定管道中的最高压力不超过水泵额定扬程的1.3～1.5倍^[8], 即该管道最大承压力为120 m。通过表3可以得出, 随着u减小, 空气阀“小孔排气”通流孔径小减小, 管道最大压力水头也逐渐降低, 说明减小缓冲阀瓣通流面积可有效降低水锤正压。缓冲阀瓣下置结构空气阀, 在u=0.1时可以达到最大安全承压范围;缓冲阀瓣上置结构空气阀, u=0.2时即可达到最大安全承压范围。对于管道水锤负压防护, 空气阀所处高程为70 m, 当管道水锤负压低于高程-10 m时, 管道中的水会负压气化。表3可以得出, 随着u减小, 缓冲阀瓣上置结构空气阀比缓冲阀瓣下置结构空气阀水锤负压改善效果好。

　　 图6为u=0.025, 2种空气阀沿程压力水头线, 图6中下置空气阀和上置空气阀分别表示, 缓冲阀瓣下置结构空气阀和缓冲阀瓣上置结构空气阀。通过图6可以看出当u=0.025时, 下置结构空气阀和上置结构空气阀最大压力水头均小于120 m, 满足管道最大安全承压范围之内。图6中最小压力水头线, 缓冲阀瓣下置结构空气阀, 只在管道P处空气阀之后一段距离提升了负压, P点之前管道仍处于气化压力。而缓冲阀瓣上置结构空气阀, 在P处前段管道和后段管道, 全线负压都提升, 降低了管道负压水锤的危害。

　　 综上分析可得, 缓冲阀瓣上置结构空气阀, 在u=0.025时, 可降低管道弥合水锤的正压, 又能改善水柱分离产生的负压, 满足水锤防护安全要求。

　　 本文对缓闭式空气阀, 按照缓冲阀瓣下置结构空气阀和缓冲阀瓣上置结构空气阀。通过Fluent软件对空气阀三维结构, 进行进排气流场特性分析, 求取进排气流量系数, 缓冲阀瓣动作压差。再对该空气阀进行水锤防护模拟, 发现缓冲阀瓣上置结构空气阀水锤防护效果好。当“小孔排气”面积与“大孔排气”面积之比为u=0.025时, 输水管线水锤防护全线达到安全范围之内。