倒流防止器壓力損失試驗(yàn)與流場數(shù)值模擬

陳宗杰，鄭榮部，蔣 威，鄭積泉

(國家閥門產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(福建)，福建 泉州 362800)

隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，人民生活不斷改善，對城市供水質(zhì)量與安全要求也越來越高[1]。倒流防止器作為保護(hù)供水水質(zhì)安全的有效設(shè)備，得到了高度重視和廣泛使用[2]。在市政供水管網(wǎng)中，生活飲用水管道與其他用途供水管道連接時，通常會設(shè)置倒流防止器，從而有效隔斷不同水質(zhì)系統(tǒng)，防止回流污染[3]。

近年來，韓同祝分析了低阻力倒流防止器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，以及安裝、維護(hù)和使用事項(xiàng)[4]；靳衛(wèi)華等人介紹了減壓型和低阻型倒流防止器的作用和結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行性能試驗(yàn)分析[5,6]；林海等人討論了倒流防止器在城市供水管網(wǎng)的應(yīng)用，從技術(shù)和管理方面綜合分析，確保其安全性能[7]；杜金海等人探討地鐵車站消防給水倒流防止器設(shè)置問題，分析了常見的錯誤設(shè)置，并給出了2種正確設(shè)置方法[8]；馮衛(wèi)明等人運(yùn)用CFD對新型大流量減壓閥進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了其流量流阻特性[9,10]；汪志琨研究發(fā)現(xiàn)大渦模擬相比標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型更加耗費(fèi)計算資源和時間，且對仿真精度提高效果不大，綜合考慮采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型結(jié)合自適應(yīng)技術(shù)對閥門的流通能力進(jìn)行仿真更具優(yōu)勢[11]。目前國內(nèi)外有關(guān)倒流防止器流通性能分析方面的研究較少[12,13]，因此本文開展低阻力倒流防止器壓力損失試驗(yàn)，驗(yàn)證壓力損失符合設(shè)計要求，開展全開狀態(tài)下內(nèi)部流場數(shù)值模擬，繪制流速～壓力損失曲線，對比分析試驗(yàn)與模擬結(jié)果，驗(yàn)證倒流防止器工作在全開狀態(tài)，也為其工程應(yīng)用及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效參考。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

低阻力倒流防止器由閥體、閥蓋、進(jìn)水止回閥、出水止回閥、中腔、排水器和相關(guān)附件等組成，其中出水止回閥又由閥座、閥瓣、導(dǎo)向套和復(fù)位彈簧等組成。低阻力倒流防止器具有密封性能好、壓力損失小等優(yōu)點(diǎn)。本文以LHS743X-16Q DN100低阻力倒流防止器為研究對象，該倒流防止器結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 LHS743X DN100低阻力倒流防止器結(jié)構(gòu)Fig.1 LHS743X DN100 low resistance backflow preventer注：1、8-進(jìn)、出水止回閥閥桿；2、9-進(jìn)、出水止回閥復(fù)位彈簧；3、10-進(jìn)、出水止回閥導(dǎo)向套；4、11-進(jìn)、出水止回閥閥座；5、12-進(jìn)、出水止回閥閥瓣；6-閥體中腔；7-閥蓋；13-閥體；14-外連接管；15-排水器閥瓣；16-排水器彈簧；17-排水管。

1.2 工作原理

由圖1可知：p1表示進(jìn)口壓力，p2表示中腔壓力，p3表示出口壓力。當(dāng)供水管網(wǎng)壓力正常時，則p1>p2>p3，進(jìn)、出水止回閥開啟，排水器關(guān)閉，管路正常供水。當(dāng)供水管網(wǎng)壓力出現(xiàn)異常時，則p3>p1，此時出水口止回閥在復(fù)位彈簧和反向壓差的作用下關(guān)閉。這種情況下，如果出水止回閥沒有出現(xiàn)滲漏，高壓水不會回流到中腔，中腔內(nèi)保持流動壓力，則p1>p2，排水器仍處于關(guān)閉狀態(tài)；如果出水止回閥出現(xiàn)滲漏，高壓水回流到中腔，使得中腔壓力升高，則p2>p1，排水器開啟，將回流流體排出，同時空氣進(jìn)入中腔形成隔斷，當(dāng)達(dá)到一定值時排水器自動關(guān)閉。

2 壓力損失試驗(yàn)

2.1 閥門流量流阻試驗(yàn)裝置

低阻力倒流防止器的壓力損失試驗(yàn)按GB/T 30832-2014《閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行試驗(yàn)。本單位閥門流量流阻試驗(yàn)裝置檢測公稱直徑范圍DN15～DN500，該試驗(yàn)裝置包含循環(huán)水源、動力系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、測試管路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，上、下游取壓孔都是由同一截面上4個對稱布置的取壓孔匯集合成，上、下游取壓孔與測試閥門距離分別為5倍和10倍管徑，流量、壓力測量儀表精度不低于1.0級，溫度測量儀表分辨值不低于±1 ℃。閥門流量流阻試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 閥門流量流阻試驗(yàn)裝置Fig.2 Valve flow resistance device注：1-上游閥門；2-溫度傳感器；3-電磁流量計；4-壓力傳感器；5-壓差測量儀；6-上游取壓孔；7-測試閥門；8-下游取壓孔；9-下游調(diào)節(jié)閥門。

2.2 壓力損失試驗(yàn)結(jié)果評價

倒流防止器內(nèi)部介質(zhì)流動要處于湍流狀態(tài)，雷諾數(shù)應(yīng)大于40 000。雷諾數(shù)計算公式為：

式中：Re為雷諾數(shù)；v為平均流速，m/s；d為管道內(nèi)徑，m；u為運(yùn)動黏度，m2/s。

常溫水與15 ℃水密度基本相同，取其比值為1。流量系數(shù)計算公式為：

式中：KV為流量系數(shù)；Δp為閥門凈壓差，kPa。

流阻系數(shù)計算公式為：

式中：ζ為流阻系數(shù)；ρ為常溫水密度，kg/m3。

運(yùn)用閥門流量流阻試驗(yàn)裝置對低阻力倒流防止器進(jìn)行壓力損失試驗(yàn)，調(diào)整下游調(diào)節(jié)閥控制流量以符合試驗(yàn)要求。壓力損失試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同流速下試驗(yàn)的壓力損失Tab.1 Test pressure loss at different flow rates

根據(jù)JB/T 11151-2011《低阻力倒流防止器》設(shè)計要求，用于防止有害和輕微污染的倒流防止器，在流速v=1 m/s時，凈壓差Δp<0.02 MPa；在流速v=2 m/s時，凈壓差Δp<0.03 MPa。由表1可知，該倒流防止器壓力損失符合設(shè)計要求，同時驗(yàn)證其低阻力特性。

3 流場數(shù)值模擬

3.1 流動控制方程

對于所有的流動，都需要求解質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，涉及湍流問題，還需要選擇求解相應(yīng)的湍流模型。

質(zhì)量守恒方程可表示為：

式中：ρ為密度；t為時間；ui為速度張量；xi為坐標(biāo)張量；Sm為稀疏相增加到連續(xù)相中的質(zhì)量源項(xiàng)；n為維數(shù)。

動量守恒方程可表示為：

式中：ρ為密度；t為時間；μ為黏性系數(shù)；ui和uj為速度張量；xi和xj為坐標(biāo)張量；Fi為重力體積力或其他體積力源項(xiàng)；δij為克羅內(nèi)克符號。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型計算精度高，應(yīng)用簡單，節(jié)省計算時間，具有通用性，是最常用的湍流模型之一。標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型湍動能方程和耗散率方程可分別表示為：

式中：k為湍動能量；ε為耗散率；ρ為密度；t為時間；μ為黏性系數(shù)；xi為坐標(biāo)張量；Gk為平均速度梯度引起的湍動能；Gb為浮力影響引起的湍動能；YM為可壓速湍流脈動膨脹對總耗散率的影響。

3.2 流場數(shù)值模擬

運(yùn)用PTC Creo軟件創(chuàng)建倒流防止器的流道模型。為了使仿真結(jié)果更貼近實(shí)際工況，閥前加長5倍管徑，閥后加長10倍管徑，確保內(nèi)部流體流動具有充分發(fā)展空間。倒流防止器及加長管道內(nèi)部流道三維模型如圖3所示。

圖3 流道幾何模型Fig.3 Geometric model of flow channel

運(yùn)用ANSYS軟件的Fluent模塊進(jìn)行流場計算，將三維流道結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入進(jìn)行對稱設(shè)置，選取一半進(jìn)行計算，以減少計算時間。進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對流動變化劇烈區(qū)域進(jìn)行加密處理，以確保計算結(jié)果更精確，可生成66 997個節(jié)點(diǎn)和337 919個單元。查看給定單元的體積與邊長的比值，1時網(wǎng)格質(zhì)量最佳，0時網(wǎng)格質(zhì)量最差。檢查網(wǎng)格質(zhì)量顯示比值為1，檢查網(wǎng)格最小體積為正數(shù)，并且計算時所有曲線都能穩(wěn)定收斂，說明網(wǎng)格質(zhì)量已達(dá)到最佳，符合工程計算的標(biāo)準(zhǔn)。倒流防止器及加長管道內(nèi)部流道網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 流道網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh generation of flow channel

選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，采用SIMPLE算法，設(shè)置進(jìn)口流速、出口壓力邊界，顯示結(jié)果選取倒流防止器內(nèi)腔流道。不同進(jìn)口流速、出口壓力下的速度分布云圖如圖5所示，壓力分布云圖如圖6所示。

采用多次拾取求平均值方法，分別在不同進(jìn)口流速及出口壓力的壓力分布云圖中拾取進(jìn)、出口端部壓力值，計算求取各自的凈壓差。壓力損失模擬結(jié)果如表2所示。

表2 不同流速下模擬的壓力損失Tab.2 Simulated pressure loss at different flow rates

圖5 不同進(jìn)口流速、出口壓力下的速度分布云圖Fig.5 Velocity distribution cloud diagram under different inlet velocity and outlet pressure

圖6 不同進(jìn)口流速、出口壓力下的壓力分布云圖Fig.6 Pressure distribution cloud diagram under different inlet velocity and outlet pressure

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由圖5和圖6可知，倒流防止器在全開狀態(tài)，不同進(jìn)口流速和出口壓力下的流場速度分布云圖及壓力分布云圖的變化規(guī)律都基本一致，不同位置的速度值及壓力值隨著邊界條件的不同而有具體區(qū)別。由圖5和圖7可以看出流場速度分布情況，流體通過過流部件，產(chǎn)生復(fù)雜繞流，2止回閥之間中腔流體流動狀態(tài)較為復(fù)雜，出現(xiàn)多處繞流并呈現(xiàn)S形流動路徑，局部繞流區(qū)域形成旋渦，繞流中心區(qū)域流體流速較低。受邊界層影響，在近壁面的流體流速一般也較低，流體流速最大位置位于出口止回閥瓣與出口端變徑部位之間的縮流流道上。由圖6可以看出流場壓力分布情況，整個內(nèi)流道流場壓力變化較為平緩，以2個止回閥瓣為分割，基本呈現(xiàn)3段式壓力分布，進(jìn)口、中腔、出口壓力依次降低，進(jìn)口端縮頸處、止回閥導(dǎo)向桿、止回閥瓣背部等區(qū)域受流體沖刷，壓力較高，而在2止回閥之間中腔的局部繞流區(qū)域，壓力較周圍的低。

圖7 流線分布云圖Fig.7 Streamline distribution cloud diagram

4 試驗(yàn)與模擬結(jié)果對比驗(yàn)證

對比倒流防止器不同流速下的試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果，建立流速～壓力損失試驗(yàn)與模擬對比曲線，見圖8。

圖8 流速～壓力損失試驗(yàn)與模擬對比曲線Fig.8 Velocity～pressure loss curve of test and simulation

由圖8可知，倒流防止器流速越大，壓力損失越大，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果變化趨勢一致。通過對比試驗(yàn)與模擬所得壓力損失，試驗(yàn)值略高于模擬值，誤差為3.09～4.81 kPa，在同類工程研究中，該差值在可接受范圍內(nèi)。數(shù)值模擬結(jié)果基本能夠反映倒流防止器內(nèi)部真實(shí)流動狀態(tài)，數(shù)值模擬方法可靠，且結(jié)果準(zhǔn)確、有效。通過分析倒流防止器內(nèi)部流場壓力分布云圖和速度分布云圖，可見不同流速下的顏色變化非常接近。由于數(shù)值模擬都是基于倒流防止器前后止回閥瓣達(dá)到全開狀態(tài)的工況，因此綜合研判該倒流防止器在試驗(yàn)過程中處于全開狀態(tài)，同時也反映了該倒流防止器具有低阻力特性。

5 結(jié) 論

(1)低阻力倒流防止器有效解決了城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)回流、倒流污染的問題，同時具有低阻力特性，不僅能夠保障人們生活飲用水的安全與衛(wèi)生，還有利于節(jié)能降耗。隨著科技水平的不斷提高，低阻力倒流防止器的受關(guān)注度及使用范圍將不斷地提升。

(2)通過分析低阻力倒流防止器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，并進(jìn)行壓力損失試驗(yàn)，驗(yàn)證LHS743X-16Q DN100倒流防止器符合低阻力設(shè)計要求，適用于防止有害和輕微污染水介質(zhì)回流。

(3)進(jìn)行低阻力倒流防止器數(shù)值模擬，研究內(nèi)部流場速度分布規(guī)律和壓力分布規(guī)律，流體通過內(nèi)部過流部件產(chǎn)生了復(fù)雜繞流，形成S形流動路徑，從進(jìn)口端至出口端壓力大致呈現(xiàn)3段式分布，并依次降低，正面受沖刷區(qū)域壓力較高，近壁面及繞流旋渦處流速較低，突變縮頸節(jié)流間隙會出現(xiàn)較高流速。

(4)對比倒流防止器不同流速下的試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果，建立對比曲線，發(fā)現(xiàn)2條曲線的變化趨勢一致，誤差較小且在可接受范圍內(nèi)，判定該低阻力倒流防止器試驗(yàn)過程中可達(dá)全開，并驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性與可行性，所得流場可直觀反映內(nèi)部真實(shí)流動規(guī)律，今后在倒流防止器結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化過程可加以應(yīng)用，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高研究效率。

(5)止回閥是倒流防止器的關(guān)鍵過流部件，下一步將嘗試設(shè)計不同類型的止回部件結(jié)構(gòu)，通過試驗(yàn)與模擬相結(jié)合的手段，研究內(nèi)部流動規(guī)律及壓力損失情況，優(yōu)選壓力損失小、節(jié)能效果好，并且運(yùn)行可靠的止回部件結(jié)構(gòu)，推動倒流防止器研發(fā)技術(shù)創(chuàng)新。