三河口水利樞紐調流調壓閥模型試驗研究

柯嘯

摘?要：三河口水利樞紐供水系統選用DN2000大口徑調流調壓閥，該類型大口徑調流閥目前尚無實際應用先例，因此借助模型試驗對閥門進行仿真試驗并對原型機設計進行了驗證。按幾何相似準則設置了比尺為1∶5的相似模型，采用DN400調流閥模型對原型機進行仿真試驗，結果表明DN2000大口徑調流閥具有較好的流量及壓力調節能力。模型試驗結果與CFD計算結果吻合較好，模型滿足相似設計準則。

關鍵詞：調流調壓閥;相似準則;模型試驗;CFD計算;三河口水利樞紐

中圖分類號：TV66;TV131.6?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.023

Study on Model Test of Regulating Valve of Sanhekou Water Control Project

KE Xiao

（Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Xian 710010， China）

Abstract：The water supply system of Sanhekou Water Control Project adopts DN2000 large diameter regulating valve， which has not been used in practice. Therefore， the model test is used to simulate the valve and verify the prototype design. In this paper， a 1∶5 scale model was set up according to the geometric similarity criterion， and the DN400 model was used to simulate the prototype. The results show that the DN2000 large caliber valve has better capacity of flow and pressure regulation. The test results of the model parts are in good agreement with the CFD calculation results and the model parts meet the similar design criteria.

Key words： flow regulating and pressure regulating valve; similarity criterion; model test; CFD computing; Sanhekou Water Control Project

調流調壓閥具有在線調節管線壓力、流量及適用于各種特殊工況的調節要求的優點，在現代工業中應用廣泛，常用于火電、石油、水電等行業。近年來國內陸續建成多項長距離飲水工程，最大調流閥使用口徑達1 800 mm，而對于口徑2 000 mm的調流閥國內暫無使用先例[1]。目前對大口徑活塞式調流調壓閥的研究基本在理論及數值分析方面。李燕輝等[2]對大口徑活塞套筒調流閥流動特性進行了分析，靳衛華等[3]主要介紹了調流閥的選型及應用情況，楊富超等[4]介紹了調流閥的工程應用情況。對于閥門開度與管路特性的關系，楊開林[5-6]推導出了相關的解析公式。目前尚未有試驗論證大口徑調流閥相關性能參數。筆者針對三河口水利樞紐采用的DN2000調流閥，建立閥門相似模型，進行閥門水力性能試驗，并將模型機、原型機試驗數據與CFD計算結果對比，對原型機設計參數進行了驗證。

1?工程概況

三河口水利樞紐主要承擔供水、調蓄功能，兼顧發電任務，是整個引漢濟渭調水工程的調蓄中樞。水庫正常蓄水位643.0 m，最高洪水位644.7 m，根據工程設計，在電站廠房設置2條供水管線，每條管線上沿水流方向依次設置蝶閥、調流調壓閥及偏心半球閥。受三河口水利樞紐上游來水影響，水庫水位變化幅度較大，調流調壓閥工作水頭高差范圍為15.35～99.30 m，單臺閥門的流量為2.0～15.5 m3/s。閥門公稱通徑2 000 mm，公稱壓強1.6 MPa，采用電動啟閉方式，可在線調節流量計壓力。閥芯采用鼠籠結構，在鼠籠上分別開設不同類型及數量的噴水孔，實現閥門在不同開度下的流量成兩段線性關系，并有效降低噪音及振動。

2?模型設計及試驗

2.1?模型設計

模型試驗應盡可能地對閥門實際工作狀態進行仿真分析，根據以往經驗及現有實際條件，本次模型試驗試件的結構設計按照原型機的1/5比例進行設計，閥門流道及鼠籠開孔均完全嚴格按照5∶1的比例進行縮放設計。試件三維實體模型見圖1。

2.2?試驗裝置

根據模型設計比例，制作DN400 PN16調流調壓閥模型以驗證CFD數值分析的準確性，標準試驗段由2個直管段組成，如圖2所示，直管段公稱通徑D均為400 mm，上游直管線長度L2≥8 m，下游直管線長度L4≥4 m。閥門上游壓力計距離閥門L1=0.8 m，閥門下游壓力計距離閥門L3=2.4 m。

2.2.1?主要測量儀器

精密壓力表，量程0～1.6 MPa，精度0.4級，數量6個;差壓變送器，量程0～1.6 MPa，準確度0.1級，數量1個;靜態水流量標準裝置，量程150 t，精度0.031 6%，數量1套;溫度計，量程0～50 ℃，分度值1 ℃，最大允許誤差±1 ℃，數量1個。試驗前對儀器進行標定，使其滿足試驗要求。

2.2.2?測量誤差

閥門開度，測量誤差不得超出實際開度的±1%;上游壓力P1，測量誤差不得超出實際值的±2%;下游壓力P2，測量誤差不得超出實際值的±2%;流量Q，測量誤差不得超出實際值的±2%;溫度T，試驗過程中，流體入口的溫度應保持恒定，且溫度變化應保證在±3 ℃以內。

2.2.3?流阻系數的計算依據

流阻系數ζ計算式為

ζ=2 000ΔPρv2

式中：ΔP為被試閥門的凈壓差，kPa;ρ為水的密度，kg/m3;v為流速，m/s。

2.2.4?流量系數的計算公式

流量系數Kv計算式為

Kv=10QρΔPρ0

式中：Q為測得的水流量，m3/h;ρ0為15 ℃時水的密度，kg/m3。

2.2.5?氣蝕系數的計算公式

氣蝕系數δ計算式為

δ=H2+HAT-HdH1-H2+v2/2g

式中：H1為閥門上游壓力水頭，m;H2為閥門下游壓力水頭，m;HAT為大氣壓，m;Hd為液體飽和度，m;g為重力加速度，取9.81 m/s2。

2.3?試驗方案與結果分析

利用試驗臺上靜態水流量標準裝置，將閥門全開，啟動水泵使系統充滿水。根據試驗項目分別調整閥門開度，通過系統中水泵調整管道流量、上下游壓差等參數，記錄相關數據，分別代入公式演算數據結果。

2.3.1?流阻系數試驗

以10%均勻遞增調整閥門開度，在每個開度位置通過調節水泵轉速，測量4組數據，將數據代入流阻系數公式，計算各個開度的流阻系數算術平均值，繪制閥門開度與流阻系數關系圖（見圖3）。可知，閥門流阻系數與開度近似為指數關系，隨著開度的增大，流阻系數迅速減小。

2.3.2?流量系數和流量調節特性試驗

以10%開度均勻遞增調整閥門開度，并使下游壓強穩定在110～120 kPa，調節閥前流量，使閥門前后壓差為100 kPa（誤差±1 kPa），分別讀取并記錄流量計、壓力表、差壓變送器及溫度計的讀數。將數據代入流量系數公式，計算流量系數。以橫坐標為閥門開度，縱坐標為流量，繪制100 kPa壓差下閥門的流量—開度曲線（見圖4），可以看出，流量與開度關系為以開度為30%分界的兩段直線。模型試驗表明原型機設計的流量與開度呈兩段線性關系。

2.3.3?最大流量試驗

將試驗系統按閥門的設計工況參數設定后，調節閥門的開度至全開位置，測量流量Q。分別測得閥門前后壓差為160 kPa時，最大流量為2 642.98 m3/h;閥門前后壓差為110 kPa時，最大流量為2 192.40 m3/h。

閥門的設計工況參數如下：①閥前壓強320 kPa，閥后壓強160 kPa，壓差160±1 kPa，流量2 232 m3/h;②閥前壓強270 kPa，閥后壓強160 kPa，壓差110±1 kPa，流量2 016 m3/h。

可見，模型試驗測得的最大流量值大于閥門設計流量值，符合模型試驗相似準則。

2.3.4?氣蝕試驗

將閥門全開，調節閥前流量，使閥門上游壓力為400 kPa。以5%開度均勻遞減調整閥門開度，觀察各開度下閥門出口是否產生氣泡，氣泡是否破裂，以及氣泡破裂的位置，用攝像機拍攝記錄，直至閥門開度為5%。將試驗數據代入氣蝕系數計算公式計算氣蝕系數，結果見圖5。小開度時，閥門前后壓差較大，此時最容易發生氣蝕，根據測得數據計算此時氣蝕系數最小為0.56，對應的臨界氣蝕系數為0.15。根據氣蝕系數計算結果及通過高速攝像頭觀察，閥門氣蝕試驗過程未發生氣蝕現象，表明閥門設計抗氣蝕能力較強。

2.3.5?原型機CFD計算結果與設置值對比

原型機采用了流量與開度呈兩段線性關系的設計方案，三維模擬圖如圖6所示。采用Ansys Fluent14.5對原型機進行CFD模擬。調流調壓閥套筒上有數量非常多的小孔，它們是消能的關鍵角色。小孔附近射流的流速和壓力的梯度很大，因此小孔附近需要精細的網格。但小孔數目非常多，且閥體空間巨大，采用四面體網格容易導致網格數量巨大，使計算難以收斂或者計算誤差大。為了解決這個問題，計算時全部采用了疏密合理、數量合理、質量好的六面體網格。網格數量500萬～760萬個，小孔數目越多，網格數目越大。

選取原型機16 m水頭時流阻系數、流量計算結果與設置值進行對比，見表1。可知，CFD計算流阻系數及流量與預先設置值差異很小，表明原型機設計合理。

2.3.6?模型試驗結果與CFD計算結果對比

在水頭為16 m時流量及流阻系數試驗結果與CFD計算結果對比見表2。

可以看出，除100%開度外，其余開度的流量試驗結果與CFD計算結果相對差異都在5%以內，達到了設計要求。在70%開度以上，流量的CFD計算結果小于試驗結果，隨著開度增大二者流量相對差異有波動。試驗數值偏大可能與模型機鼠籠與閥座之間出現泄漏有關。另外，根據數據繪圖可直觀看到模型試驗件流量呈兩段線性變化，與原型機設計流量與開度兩段線性關系吻合，說明試驗件滿足相似設計要求。

對比模型試驗件在水頭16 m時流阻系數試驗結果與CFD計算結果可知，相對差異基本在10%以內，達到了設計要求。模型試驗證明了設計方案的合理性。

2.3.7?模型試驗件與原型機CFD計算結果對比

為了研究模型與原型機是否對應，將模型16 m水頭時CFD計算結果與原型機CFD計算結果進行對比，見表3。由表3可以看出，模型試驗件與原型機CFD計算結果相差很小，說明模型試驗件的設計基本達到了相似設計的要求。模型試驗件與原型機各開度的流量比值基本等于1∶25，說明模型試驗件滿足了相似設計的要求。

3?結?論

通過設計采用DN400調流閥模型對原型機DN2000進行模擬試驗，對閥門模型在各種工況下的流動特性進行了分析。具體結論如下：

（1）分析模型試驗件和原型機的CFD結果發現，模型試驗件的流阻系數與原型機的相差很小，模型試驗件與原型機在各個開度下的流量比值基本等于1∶25，模型試驗流阻系數—開度曲線與CDF分析數據的偏差≤5%，說明模型試驗件滿足了相似設計的要求。

（2）模型試驗件流阻系數、流量系數及最大流量數據表明原型機滿足設計要求。

（3）通過氣蝕試驗及數據分析，在所有工況范圍內，閥籠前后均沒有發生氣蝕，顯示閥門整體設計方案具有優良的抗氣蝕特性。

參考文獻：

[1]?閻秋霞.大口徑調流閥的應用研究[J].水利建設與管理，2012（5）：20-22.

[2]?李燕輝，廖志芳，蔣勁，等.大口徑活塞套筒式調流調壓閥流動特性分析[J].水利學報，2019，50（4）：516-523.

[3]?楊福超，馬韌韜，高普新，等.套筒式調流調壓閥在水利水電工程中的應用[J].水利水電工程設計，2018，37（2）：33-35.

[4]?靳衛華，謝鴻璽，馮玉林，等.供水工程中調流調壓閥的選型及應用[J].中國設備工程，2018（4）：103-105.

[5]?楊開林.適應水擊控制的多噴孔套筒式調流調壓閥設計原理[J].水利水電技術，2010，41（7）：36-39

[6]?楊開林.適應水擊控制的多噴孔套筒式調流調壓閥研究[J].水利水電技術，2009，40（12）：43-46.

【責任編輯?張華巖】