玛尔挡水电站自流减压供水系统ZJY46H组合式减压阀CDF分析及节流锥型线优化

2021年12月11日17时14分2021年12月11日17时14分二、二、ZJY46H组合式减压阀组合式减压阀CFD分析及节流锥型线优化分析及节流锥型线优化三、结论三、结论2021年12月11日17时14分 技术供水方式的选择多种多样，有自流减压供水方式、水泵供水方式、水轮机顶盖取水供水方式、小水轮机减压后供水方式等。玛尔挡水电站拟采用自流减压供水方式，因为自流减压供水方式运行稳定、维护简单且可节约工程投资，技术可靠优越且有较高的经济性，更适合玛尔挡电站工程。经设计之后确定玛尔挡电站技术供水方式采用自流减压供水方式，但采用自流减压供水方式突破我国现行规范的要求，是否采用自流减压供水方式宜做进一步的分析研究，并且技术供水供水对象对水压有严格的要求，加之玛尔挡水电站水头较高，必须通过ZJY46H组合式减压阀将来自上游高压水的多余水压加以削减，因此必须对ZJY46H组合式减压阀有关性能进行可行性研究和分析。2021年12月11日17时14分M玛尔挡技术供水系统图玛尔挡电站每台机组设一个供水单元，每个供水单元分别设2台ZJY46H组合式减压阀和滤水器，互为备用，水源取自蜗壳前压力钢管，技术供水管路由一台双向供水阀即四通转阀控制实现机组正反向技术供水，机组正常运行一段时间后可以利用双向供水阀切换进行反向运行，这样有益于防止淤泥累积造成堵塞影响机组正常运行，此外，由技术供水系统图可知，技术供水管路中设置了主机冷却器冷却水排水管流量开关，通流或断流时给出信号，各冷却水管进出口设置压力变送器，水压过高或过低给出报警信号。2021年12月11日17时14分ZJY46H组合式减压阀结构图2021年12月11日17时14分 计算技术和计算流体力学的飞速发展使得设计者可以借助CFD软件模拟各种复杂流动现象，对流场特性有直观的了解，进而可针对所出现的问题改进设计，大大节约时间和成本。 利用三维CFD技术，拟对ZJY46H组合式减压阀的减压过程，流场特性如压力场、速度场等以及空化和噪声性能进行定性描述，以验证所采用的ZJY46H组合式减压阀在玛尔挡电站自流供水系统中的可行性。 ZJY46H组合式减压阀是依靠调整阀芯开度来改变阀芯与阀座之间的环形通道（也就是过流面积）来达到减压目的的，水流冲击ZJY46H组合式减压阀阀芯会消耗部分能量，从狭小的过流面积通过的水流流速会急剧上升，从而导致较大的压力降。显然，节流锥型线对ZJY46H组合式减压阀性能有直接影响。2021年12月11日17时14分标称直径（DN）450mm标称压力（PN）2.5MPa进口压力（PN1）1.56-2MPa出口压力（PN2）0.6MPa流量（Q）1600m3/hZJY46H组合式减压阀模型及网格划分2021年12月11日17时14分边界条件边界条件Remark进口 Total pressure(2.04MPa)出口 Mass flow rate (365.556kg/s)壁面No-slip、Smooth湍流模型K-Epsilon2021年12月11日17时14分 针对玛尔挡水电站技术供水的实际运行情况，如果运行工况稳定，一定的进口压力或流量会对应于ZJY46H组合式减压阀的某个开度H，首先应该寻找出对应于玛尔挡水电站技术供水的ZJY46H组合式减压阀阀芯开度。 分别试算H= 45mm、35mm、30mm、29mm、28mm、27mm六种阀芯开度并比较计算结果，得出在H=28mm时，ZJY46H组合式减压阀出口压力约为0.6MPa，因此适于正常水位下玛尔挡水电站技术供水系统的ZJY46H型ZJY46H组合式减压阀的开度应为28mm。26283032343638404244460.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0出口压力(MPa)阀芯开度(mm)ZJY46H组合式减压阀出口压力随开度变化曲线2021年12月11日17时14分(a)H=45mm 压力云图 (b)H=28mm 压力云图(a)H=28mm 速度云图 (b)H=28mm 速度矢量图2021年12月11日17时14分（a）（b）（c）（d）2021年12月11日17时14分 水流在经过阀芯与阀座之间狭小的过流面时，流速急剧增大，压力会迅速降低，形成低压区，这些低压区域很容易发生空化现象，若空化现象持续累积将会造成ZJY46H组合式减压阀减压性能的下降，增加运行成本。 空化发生的根本原因是在液体温度一定的条件下，液体的绝对压力降低到当地汽化压力以下，此时液体会汽化或者溶解于液体中的空气发育形成空穴，当空穴随水流运动至高压区时，气泡会溃灭，若溃灭发生在固体避免附近，将会引起过流表面的材料损坏。 采用FLUENT进行ZJY46H组合式减压阀的空化数值模拟，空化模型采用基于混合相的“Schnerr-Sauer”空化模型，汽化压力取为3540Pa，空泡数密度为1e+13，进口给定速度入口边界条件，且进口处水蒸气体积分数为零，出口给定压力，同样水蒸气体积分数为零，采用无滑移壁面条件。计算时先采用定常计算，然后在定常计算的基础上采用非定常计算，时间歩长取为5e-6s，计算步数取为2000，每一时间步迭代次数为20。2021年12月11日17时14分阀芯表面空泡体积分数分布云图导流板表面空泡体积分数分布云图2021年12月11日17时14分 ZJY46H组合式减压阀内的流场是极不稳定的，不稳定的流场会产生一定强度的流噪声。并且伴随着空化现象的发生，空泡的不断溃灭，势必会引起ZJY46H组合式减压阀的噪声和振动，因此有必要对ZJY46H组合式减压阀内的噪声进行仿真分析。 借助FLUENT，在空化非定常计算的基础上，利用噪声模块，采用“Ffowcs-Williams & Hawkings”噪声模型，远场密度为水密度998.2kg/m3,远场声速为1483m/s ，参考升压为1e-5Pa，定义ZJY46H组合式减压阀阀芯为噪声源，FWH模型可以将流场分布转化为阀芯表面的声源，从而进行噪声分析。 由奈奎斯特采样定律：在进行模拟或数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中的最高频率的两倍时，那么采样之后的数字信号完整的保留了原始信号中的信息。一般实际应用中应该保证采样频率为信号最高频率的5-10倍，本次噪声数值模拟中取时间歩长t=5e-6s,则根据采样最高频率与时间歩长的关系：12ft经计算，f=100KHZ2021年12月11日17时14分 低频时声压级幅值较大，且变化梯度大，随着频率的升高，幅值持续下降，最后在基本保持在一个定值，由此可知，噪声的低频能量较大，高频部分能量较小。并且远离阀芯的位置噪声越小，且上游噪声较下游小一些。2021年12月11日17时14分 基于对ZJY46H组合式减压阀流动特性的分析，拟对ZJY46H组合式减压阀进行节流锥型线进行优化，旨在降低空化发生率，同时期望阀芯附近的最大噪声有一定的下降。 ZJY46H组合式减压阀阀芯断面靠近上表面处最易发生空化，根本原因是此处流体过流通道的急剧改变形成了较大的速度梯度，因次可以考虑将端面与上表面之间的过渡面改为曲率更大的曲面形结构，使流道更加光滑。改型后ZJY46H组合式减压阀出口压力随阀芯开度变化曲线 ZJY46H组合式减压阀节流锥改型前后断面型线对比图1416182022242628300.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0出口压力（MPa）阀芯开度（mm）2021年12月11日17时14分（a）改型前 （b）改型后改型前后阀芯与阀座上流区域压力云图和下流区域速度云图2021年12月11日17时14分 改型前后ZJY46H组合式减压阀阀芯气泡体积分数分布图（a）改型前 改型之后的ZJY46H组合式减压阀空化性能得到明显地改善，气泡的最大体积分数由0.537减小到0.214，减幅达60%以上（b）改型后 2021年12月11日17时14分02000040000600008000010000080100120140160180200220240Sound Pressure level(dB)Frequency(HZ) 优化前 优化后02000040000600008000010000080100120140160180200220240Sound Pressure level(dB)Frequency(HZ) 优化前 优化后020000400006000080000100000406080100120140160180200220240Sound Pressure level(dB)Frequency(HZ) 优化前 优化后02000040000600008000010000080100120140160180200220240Sound Pressure level(dB)Frequency(HZ) 优化前 优化后 (a)Point 4 (b)Point 5 (c)Point 6 (d)Point 7优化前后的ZJY46H组合式减压阀有相同趋势的声压级图，优化节流锥型线后的ZJY46H组合式减压阀声压级平均下降了20dB以上，并且优化后的ZJY46H组合式减压阀声压级脉动性较未优化明显，达到一定的减噪要求。改型前后ZJY46H组合式减压阀声压级对比图2021年12月11日17时14分 通过对ZJY46H-25-P-Q2型ZJY46H组合式减压阀进行三维建模，划分网格，给定计算条件，对ZJY46H组合式减压阀进行了CFD三维流场特性、空化特性和噪声仿真的研究。由CFD计算结果来看，ZJY46H组合式减压阀在阀座与阀芯之间的过流区域流场最不稳定，其压力、速度等梯度变化较大，易发生空化现象并且伴随着一定的噪声，严重时可能影响机组技术供水的正常供应。根据初步关于ZJY46H组合式减压阀的数值模拟结果，对节流锥进行型线优化，重新计算并与初始结果做一对比，结果表明：优化节流锥型线后的ZJY46H组合式减压阀在未改变减压效果的前提下，其空化性能有所改善并且噪声有一定的下降，达到了预期的优化效果。2021年12月11日17时14分