由閥門處水擊壓力波動(dòng)過程曲線可知：當(dāng)閥門開度較小時(shí)，出現(xiàn)了最大的水擊壓力，且水擊壓力出現(xiàn)了振蕩。為緩沖閥門小開度時(shí)的水擊壓力，采用在關(guān)閉末端加入緩沖段的優(yōu)化關(guān)閉規(guī)律（圖5），第一段關(guān)閉時(shí)間為9.6s；第二段關(guān)閉時(shí)間為30s，拐點(diǎn)相對(duì)開度為20%。但同時(shí)在拐點(diǎn)處，容易引起尾水管壓力以及機(jī)組流量的波動(dòng)。

圖5　進(jìn)水閥兩段關(guān)閉規(guī)律

計(jì)算結(jié)果如表2所示。主要的波動(dòng)過程曲線如圖6～8。

表2　兩段關(guān)閉計(jì)算結(jié)果

注：括號(hào)內(nèi)為極值發(fā)生時(shí)間（s）。

圖6　進(jìn)水閥水擊壓力過程曲線

圖7　尾水管壓力過程曲線

圖8　機(jī)組流量過程曲線

2　數(shù)學(xué)模型

特大口徑水輪機(jī)進(jìn)水球閥的內(nèi)部流動(dòng)情況比較復(fù)雜，在小開度的情況下存在大尺度的三維分離流動(dòng)，特別是對(duì)應(yīng)二階段關(guān)閉工況的情況下，需要對(duì)球閥動(dòng)水關(guān)閉過程中水擊壓力最高點(diǎn)的壓力場、速度場及漩渦分布情況進(jìn)行重點(diǎn)分析。

本文采用基于各向同性渦粘性理論的k-ε雙方程模式以及求解壓力耦合方程的半隱式SIMPLEC算法進(jìn)行求解。其控制方程如下。

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

紊動(dòng)能k方程：

紊動(dòng)能耗散率ε方程：

上面各式中：x_i（i=1，2，3）為笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)；u_i（i=1，2，3）為沿i方向的速度分量；f_i為沿i方向的質(zhì)量力；p為壓力（實(shí)際上為壓強(qiáng)，本文從工程習(xí)慣稱為壓力）；ρ為水的密度；v為水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；P_r為紊動(dòng)能生成率。P_r可以表達(dá)為

式中，v_t為渦粘性系數(shù)，可采用下式進(jìn)行計(jì)算：

k－ε模型中經(jīng)驗(yàn)常數(shù)的取值通常情況下為

在此只考慮在流道內(nèi)的流動(dòng)，而且在流道出口處水流一般是充分發(fā)展的湍流，一般認(rèn)為此時(shí)的下游邊界的流動(dòng)狀態(tài)影響不到上游方向的流場。因此，在流場出口的邊界條件僅為沿垂直于該斷面方向的壓力梯度為零，此外，還有：

在固壁上采用無滑移條件，有速度u=v=w=0，且因本次計(jì)算主要考慮局部損失，固壁處的摩阻流速不計(jì)。

3　計(jì)算及分析

3.1　網(wǎng)格劃分

球閥的閥體物理模型并不復(fù)雜，但如果采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在球冠和管道交接處會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格歪斜，造成整體網(wǎng)格質(zhì)量下降。因此，本文采用了結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的劃分方式，在閥體的周圍采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并進(jìn)行局部加密，確保網(wǎng)格質(zhì)量和求解精度，在管道部分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖10所示。

圖10　計(jì)算網(wǎng)格圖

3.2　計(jì)算結(jié)果及分析

由計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)特大口徑水輪機(jī)進(jìn)水球閥的開度大于80°時(shí)，過閥流線分布均勻，水流平滑地流過球體，球閥對(duì)水流的阻礙作用很小，閥體邊緣流線非常順暢，水力損失小，只在前閥體的球冠與進(jìn)水管連接部位有一定的壓力突變。

閥門關(guān)閉20°時(shí)，由于球冠的鈍體繞流作用，X2Y截面主流道邊緣開始出現(xiàn)壓降，靠近偏心球體的位置呈現(xiàn)出較明顯的兩個(gè)高速低壓區(qū)，但整體流道并沒有出現(xiàn)漩渦，對(duì)流場的順暢影響不大，球體內(nèi)部壓力均勻。如圖11所示。

圖11　球閥關(guān)閉20°（X2Y截面）

閥門關(guān)閉角度為40°時(shí)，X-Y截面上靠近閥門的出水管處出現(xiàn)了明顯的回流區(qū)，位于高速區(qū)的下方，流出球閥的高速流體在這個(gè)回流區(qū)消耗了大量的機(jī)械能，該回流區(qū)影響了出水流道的主要流場；閥體內(nèi)部存在一個(gè)明顯的高壓滯水區(qū)，并逐漸取代高速區(qū)控制閥內(nèi)流場，如圖12（a）。在X-Z截面上，從進(jìn)口流入閥門的流體向上沖擊，在球閥球冠下方形成了兩個(gè)對(duì)稱的漩渦，渦強(qiáng)度隨著開度的減小而增大，如圖12（b）。此時(shí)，在Y-Z截面上未出現(xiàn)明顯的漩渦區(qū)，如圖12（c）。

圖12　球閥關(guān)閉40°速度矢量圖

在關(guān)閥過程中的最大壓力點(diǎn)出現(xiàn)在閥門關(guān)閉74.34°，此時(shí)閥門進(jìn)口壓力4 119 119.56 Pa。此時(shí)，X-Y截面上的球閥內(nèi)部高速區(qū)斷裂，閥體內(nèi)的流場以低速區(qū)為主，漩渦向球冠邊緣處移動(dòng)，而出水口處的漩渦向下游移動(dòng)，在進(jìn)出口處出現(xiàn)了明顯的速度梯度，如圖13（a）。而此時(shí)X-Z截面上呈現(xiàn)出明顯的二次漩渦流動(dòng)現(xiàn)象，球體內(nèi)控制X-Z截面的漩渦非常對(duì)稱，強(qiáng)度相等，方向相反，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的擾動(dòng)趨勢，如圖13（b）。在X-Y截面上的閥體后部也出現(xiàn)了兩個(gè)對(duì)稱漩渦，與X-Z截面上的漩渦一同控制著大口徑球閥的內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，如圖13（c），這也是在水擊壓力最高點(diǎn)出現(xiàn)的特有現(xiàn)象。

圖13　球閥關(guān)閉74.34°速度矢量圖

4　結(jié)論

通過對(duì)特大口徑水輪機(jī)進(jìn)水球閥最優(yōu)動(dòng)水關(guān)閉規(guī)律及可視化的研究獲得以下結(jié)論：

1）采用在關(guān)閉末端加入緩沖段的二階段關(guān)閥方式，一方面可以有效地降低水輪機(jī)進(jìn)水球閥的最大水擊壓力，另一方面也可以使水擊壓力的震蕩趨勢趨于平緩，緩沖水擊對(duì)閥體的沖擊。

2）二階段關(guān)閥方式雖然可以優(yōu)化水擊壓力，但同時(shí)在拐點(diǎn)處也引起了尾水管壓力以及機(jī)組流量的波動(dòng)。

3）閥門開度較大的情況下，特大口徑球閥具有優(yōu)異的過流特性，流態(tài)穩(wěn)定，損失較小。但是隨著閥門的不斷關(guān)閉，X-Z、Y-Z截面首先形成了明顯的漩渦與回流區(qū)，漩渦強(qiáng)度隨開度的減小而增大。當(dāng)在閥門關(guān)閉到達(dá)74.34°時(shí)，水擊壓力達(dá)到了最大的4 119 119.56 Pa，在X-Y截面上也出現(xiàn)了明顯的對(duì)稱漩渦。

本文研究成果也為進(jìn)一步優(yōu)化大口徑水輪機(jī)進(jìn)水球閥的結(jié)構(gòu)提供了可靠的技術(shù)資料。但是對(duì)特大口徑水輪機(jī)進(jìn)水球閥的最優(yōu)關(guān)閉規(guī)律還需要做進(jìn)一步的深入研究。