在长距离输水工程中由于阀门的关闭、水泵的启动和事故工况时掉电停泵, 都会引发输水管道中的水力过渡过程^[1], 尤其是在多起伏的地形, 管路会根据地形来敷设, 这就会使管线出现众多的坡度变化点^[2], 这在发生水力过渡过程时会引发水柱拉断, 进而形成弥合水锤, 严重时会造成管路塌陷、破裂, 危害供水工程的运行^[3]。空气阀能在管道内压力低于大气压时吸入空气, 而当管道中压力上升、高于大气压时排出空气, 采用补气的方法防止因负压而造成的水锤事故^[4], 空气阀作为一种有效的负压防护措施, 具有结构简单、投资少、安装方便等优势, 广泛应用于输水工程中^[5]。在易发生负压而导致水柱拉断的凸起点处安装传统的高速进排气阀, 虽然可以有效地消除负压, 但同时会因为排气时的速度过快而产生空气阀弥合水锤, 造成较大的压力升高^[6,7], 引发更严重的后果。

　　 针对传统的高速进排气阀存在的问题, 国内外的专家学者对此进行了广泛的研究:刘志勇^[5]认为在合理的位置安装适合进排气口径的空气阀可以有效地消除负压和防止因水柱弥合而造成的巨大水锤升压, 水锤防护效果受安装位置和口径的影响, 过大或过小的空气阀口径都会对水锤防护效果造成不利的影响。柯勰等^[8]对传统空气阀数学模型进了优化, 验证了水锤的防护效果与节流板孔口和空气阀孔口的面积比有关。Li等^[9]认为过快的排气速度会引发有害的瞬变压力, 在空气阀的出口处安装节流装置或使用缓闭式空气阀能减小瞬变压力, 并提出带有体积越大空气腔的空气阀对减小瞬变压力的作用越明显的问题。李小周等^[6]对比研究了传统空气阀与孔口面积比为0.05~0.2的空气阀组对水锤的防护效果, 结果表明采用适当孔口面积比的空气阀组能有效减小负压且降低正压。刘竹青等^[10]研究了不同流入流出流量系数的空气阀在水锤防护效果上的差异, 认为采用较高流入系数和较低流出系数的空气阀能对管路中的负压进行很好的控制。

　　 上述研究表明:为降低升压, 空气阀需在排气时降低排气速度, 为此提出了诸多降低排气速度的措施和方法, 本文采用在空气阀内部加入缓冲阀瓣的方法降低排气速度, 针对不同位置缓冲阀瓣进行阀体内部流动的CFD数值模拟, 再进行水锤防护研究, 验证缓冲阀瓣能否起到减小负压降低正压的效果。

　　 本文以口径为300mm的低压高速进排气阀为原型, 为减缓排气阶段时的排气速度, 防止因排气速度过快而发生的空气阀弥合水锤, 在低压高速进排气阀内部加入缓冲阀瓣, 缓冲阀瓣上布满一定直径和数量的小圆孔, 通过减小排气通流面积从而达到减缓排气速度的目的, 并且在排气速度达到一定值时, 缓冲阀瓣会被高速排出的气流托起, 起到进一步减缓排气速度的作用。缓冲阀瓣与缓冲阀瓣托起后的排气过程示意如图1所示。

　　 数值模拟计算采用FLUENT软件, 计算模型采用标准的k-ε湍流模型, 方程系数由经验公式给出。该模型计算量适中且拥有大量数据积累, 适用于曲率较大和压力梯度较强的复杂流动模拟, 其收敛性和计算精度能满足一般的工程计算要求。压力-速度耦合方程采用SIMPLE半隐式连接压力方程方法, 对流插值动量方程、湍动能与湍流耗散率方程采用高阶迎风格式, 压力插值采用标准格式, 梯度插值采用基于单元体的最小二乘法插值, 对于壁面采用标准的壁面函数。求解器的收敛残差Residual Target根据试运算逐步择低选取, 其值根据不同内部结构收敛性的不同设置为0.000 1~0.000 3。

　　 采用SolidWorks三维软件进行空气阀模型的三维模型建立, 建模以浮球式低压高速进排气阀为原型, 口径采用300 mm。建模过程中先对低压高速进排气阀的结构进行分析, 拟采用小孔口面积与空气阀入口面积比 (孔口面积比) 为0.1的缓冲阀瓣^[11], 从而确定了缓冲阀瓣的直径和阀瓣上小孔的数量和面积, 根据标准《给水管道复合式高速进排气阀》 (GJ/T 217—2005) ^[12]中第6节中的规定, 缓冲阀瓣采用灰铸铁HT250。最后通过SCDM软件, 对三维模型进行流场抽取, 由于模型轴对称分布, 因此可取一半进行流场分析, 结构优化后的空气阀三维模型如图2所示。

　　 根据所建立空气阀的三维模型与计算条件, 本次采用计算进出口边界条件采用压力进口及压力出口, 参考压力为大气压, 以保证模拟计算的准确性与较好的收敛效果。具体边界条件设置如下: (1) 进口面设置为inlet进口, 参数值为进口总压; (2) 出口面设置为outlet出口, 参数设置值为出口静压压力。

　　 空气阀流道复杂, 不易进行结构网格划分。模型采用多面体网格, 多面体网具有比四面体网格节点数量少、收敛好、运算速度快等优势。通过fluent meshing网格画分后, 网格质量到达0.4以上, 网格数量300万, 通过网格无关性验证及计算机的处理性能最终确定网格数量为300万, 网格数量和网格质量均满足流体分析要求。如图3所示为带缓冲阀瓣空气阀的网格划分。

　　 本次CFD数值模拟的目的在于分析缓冲阀瓣能否在排气过程中起到减缓排气速度的作用, 以及缓冲阀瓣在阀体内的位置对减缓效果的影响。因此在对排气过程进行模拟时, 将缓冲阀瓣安放于浮球下方的最高点与最低点进行模拟计算, 如图4所示。

　　 完成模拟后, 通过CFD后处理模块得到压力、速度和流线等数据的模拟计算结果, 选择进出口压差为5 000Pa时的模拟结果进行分析。如图5a所示为缓冲阀瓣位于高点时的速度云, 空气阀出口处的排气出口速度为13.14m/s;如图5b所示为缓冲阀瓣位于低点时的速度云, 空气阀出口处的排气出口速度为19.06m/s。

　　 改变空气阀进出口的压差 (规定排气时的压差△p为正, 排气时的流量为正) , 绘制出结构优化后带有缓冲阀瓣空气阀的流量曲线, 并结合Hammer水锤分析软件提供的低压高速进排气阀流量曲线进行对比分析, 如图6所示。

　　 根据排气阶段的速度云图, 从排气入口处进入空气阀的气体在通过缓冲阀瓣上的小孔口和阀瓣与阀体间的间隙时, 由于通流面积大幅减小从而减缓了进气速度。由缓冲阀瓣位于不同位置时的排气阶段模拟结果, 在进出口压差相同的情况下, 缓冲阀瓣位于高点时减缓排气速度效果更佳, 故在排气阶段, 应使缓冲阀瓣尽早上升到高点, 以减缓排气速度。

　　 从图6中可以看出, 由于缓冲阀瓣的作用导致进气、排气阶段的流量都小于高速进排气阀, 在相同压差下的进气阶段, 进气流量差距不大, 原因为进入的气体在不断消除负压, 减小了内外压差, 从而导致两种空气阀进气流量差距不大。但在排气阶段时的排气流量差距较为明显, 并且结构优化后的空气阀在缓冲阀瓣的作用下减缓了排气流量, 在缓冲阀瓣被托起后起到了进一步减缓排气流量的效果。因此缓冲阀瓣可以达到减缓排气速度的效果。

　　 如图7所示的输水工程, 管线全长980m共分为两段, 第一段为陡峭的上坡管线长570m, 第二段为平缓管线长410 m, 输水管采用直接D=2.5 m的钢制输水管, 采用两台型号为52B-11型离心泵并联供水, 离心泵额定流量为Q=7.33m³/s, 设计扬程为H=79.2m, 额定转矩M=168.7kg·m, 额定转速N=375r/min, 机组转动惯量GD²=981kg·m², 水锤波速由式 (1) 计算得出为a=1 056.07m/s, 比实际情况下的水锤波速大, 根据水锤理论计算结果更为安全。

　　 式中K———流体的体积弹性模量, N/m²;

　　 ρ———流体的密度, kg/m³;

　　 D———管道管径, mm;

　　 E———管材的弹性模量, N/m²;

　　 e———管壁厚度, mm。

　　 采用Hammer软件模拟两台离心泵同时断电情况下的事故工况, 管路中无其他阀门在事故工况时发生动作。两段管线的连接处存在事故工况时极易发生水柱分离的膝部点, 因此需要在此安装空气阀进行水锤防护, 分别采用结构优化后的空气阀和高速进排气阀进行水锤防护, 两种空气阀在事故停泵时的压力随时间变化曲线如图8所示。

　　 从图8中可以看出, 结构优化后的空气阀在进气消除负压阶段与高速进排气阀一样, 都可以保证膝部点在事故工况时不会因负压而导致水柱拉断进而发生严重事故。在管线升压空气阀排气阶段, 高速进排气阀由于排气速度太快而产生了空气阀弥合水锤, 最大压力升高达到了55mH₂O并且形成了压力波动, 这对管道的安全很不利, 严重时会造成管道破裂。而结构优化后的空气阀由于缓冲阀瓣的作用, 排气速度降低很多, 没有发生空气阀弥合水锤。因此结构优化后的空气阀对事故工况时的水锤防护效果优于高速进排气阀。

　　 本文为研究缓冲阀瓣在排气阶段减缓排气速度的效果, 对其进行了CFD数值模拟分析, 得到了进排气时的速度云图, 直观地了解到进排气阶段气体在阀体内的速度变化情况。

　　 (1) 缓冲阀瓣的使用减缓了进排气阶段的气体流量, 对排气阶段的减缓效果更加明显, 因此在排气阶段, 应使缓冲阀瓣尽早上升到高点, 以此减缓排气速度。事故停泵时, 带缓冲阀瓣空气阀的水锤防护效果优于高速进排气阀。

　　 (2) 通过CFD模拟结果, 缓冲阀瓣在保持孔口面积比不变的情况下, 应使直径更小从而增大阀瓣与阀体间的间隙, 使进气流量曲线更接近高速进排气阀的进气流量曲线, 而在排气阶段也可以保持较低的排气流量。