长距离输水工程电动调节阀动态过流特性研究进展＊

范锡冉

（华北水利水电大学电力学院，河南 郑州450045；浙江水利水电学院水利与海洋工程研究所，浙江 杭州310018）

电动调节阀通过变化自身开度来实现通断管路系统及控制流量大小，它是输水工程系统的重要部件，其过流特性将对整个系统的效率和安全产生直接的影响。由于阀门对流体有阻止作用，不同的开度会致阀门内部流场结构变化，从而使能量损失。同时会有剧烈的冲击与振动，可能会导致阀体变形与疲劳破坏，会影响控制和调节的精度，严重情况下甚至会导致整个系统工作失灵。因此，研究电动调节阀过流特性对于提高整个输水系统的效率与安全性具有较高的实际价值。

对阀门小开度过流特性的研究，主要有模型试验、理论分析、数值计算、管道试验等几种。

1 理论和数值模拟方面的研究进展

秦明海[1]引入了两个不同的概念：几何开度和水力开度，正确理解阀门的过流特性，得到水泵断电工况下过流特性对水击的影响。万五一等[2]通过分析阀门基本特性，得到了流量系数变化规律对瞬变过程的影响，它会直接影响管路中产生的最大水击压力，相似的工况下流量系数变化较平缓，所产生的水击压力较小。杨国来等[3]利用FLUENT软件对节流阀流场进行了仿真分析，得知要得到稳定小流量，需要开度合适，不能太小，压差不能太大。将节流孔改为左右布置，使节流口的杂质沉积减少，对最小稳定流量的研究作出了贡献。李凤滨[4]根据系统采集的数据和压力流量关系理论，率定了调流阀的过流特性曲线簇，由曲线图可见存在一个转折点，当开度大于转折点之后，与流量的关系可以看作线性关系。这一结论可以在长距离输水工程中指导准确调节流量。黄伟等[5]以水泵出口控制阀为研究对象，建立理想关系模型来反映对流量系数与阀门相对开度的关系，通过分析工程实例，得到了四种水泵控制阀的特性曲线，理想曲线为下凹形，可以减小管道中的压力，有效抑制管路中产生负压。吴石等[6]研究发现阀门开度减小到一定角度时，附近会出现漩涡。三种阀门漩涡形成的位置不同，阀门开度越大，能量损失越大。刘华坪等[7]利用动网格、UDF技术、动态仿真，得到阀门开启和关闭过程不是反过程，流场特点和受力特点有很大差异。姚杨[8]确定了小开度各工况的范围，获得小开度工况水轮机特性曲线，分析了阀门7%开度时水轮机外特性的变化规律。邓聪等[9]发现转速增加时，漩涡结构更加不稳定，内部流场紊乱。胡建永等[10]计算表明，合理布置空气阀可以有效消除输水系统的负压。

2 物理实验方面的研究进展

曹明等[11]通过试验讨论了几种影响因素对减压阀静态特性的影响，对减压阀的设计提供了有效参考，比如要考虑阀芯的不平衡面积、膜片面积和总体刚度。何建慧等[12]得出结论，阀板上设置过流孔可以大大提高流量，且使流动平缓，也不会改变阀板结构强度，对过流孔的尺寸、分布方式等参数提出了综合考量。伍悦滨等[13]通过实验建立了闸阀阻力系数与相对开度的关系的模型，提出了一种新的计算方法，即计入阀门阻力。得出阀门的局部阻力系数的影响因素不仅有开度，还有管径。国内外的研究得到了阀门内一些总体性能参数，如流量特性、压力损失状况等，但是由于阀腔内部的流动是复杂的黏性非定常流动[14]，无法得到阀腔中变化复杂的流场分布，同时也无法进一步探究流动损失的机理。

3 优化设计方面的研究进展

孙晓等[15]研究了止回阀阀芯的优化设计，对阀芯长度与阀瓣进行优化设计，后期的实验验证了优化后的结构具有较好的性能。刘惺等[16]为蝶阀的设计与选型提供一定的技术支撑。前苏联莫斯科动力学院的研究者们对阀门的局部结构进行了优化设计，提高了阀门的安全性与稳定性[17]。美国的通用电气公司研制出了几种性能优良的高、中压调节阀，显著提高了管道的流通效率。并且在改进阀门的局部结构之后，减少了30%左右的能量损失[18]。德国的西门子公司和日本的三菱公司提高了阀门的流通能力[19]。袁新明等[20]对流道进行了优化设计，优化后的阀门流道通过性变得更好，阻力系数降低。

4 结论

综上所述，目前国内外对于阀门的流场特性已做了大量研究，但其研究方法与研究侧重点各有不同，得出的结论也不尽相同。尽管近年来阀门的控制向着自动化、智能化方向不断迈进，但是由于受研究条件的限制，阀门过流性能并没有得到明显改善，特别是小开度下阀门的流动损失与故障率无法得到有效控制。进行物理模型试验时，阀门连续变开度情况下，压力和流量的测量存在时差，需要进行数据的同步化处理。且在小开度状态下精确获取流量数据较为困难。因此，研究电动调节阀过流特性对于提高整个输水系统的效率与安全性具有实际的价值，为今后更加系统地研究阀门内流场细节以及阀门结构改进提供了大量的有价值的参考数据。