基于水力特性的多阀装配段布局优化研究：提升抗空化性能与管道安全

为解决受限空间内多阀并联+矩形突扩结构导致的横向空间占用大、结构不连续易应力集中、以及突扩段长度不足引发多股射流冲击侧壁危及管道安全等问题，研究人员开展了基于三维数值模拟的阀段布局优化研究。通过分析突扩长度(L/a)、边距(H/a)、阀间距(D/a)及阀门布置形式等参数对压力与水力特性的影响，确定了最优参数范围（L/a≈6.50, H/a≈1.00, D/a≈2.00）并提出改进的三角形三维阀配置，显著提升了阀段的抗空化性能、管道安全性、通用性和施工便利性。

　　

在水利水电、输水系统和防洪基础设施中，阀门作为关键的控制元件，其性能至关重要。然而，在高压力差、大流量以及不利的几何配置下，阀门极易发生空化现象，这不仅会损坏阀门本身，还可能危及整个管道系统的安全。特别是在像景洪水力升船机这样的世界首例液压升船机中，采用了“三阀并联+矩形突扩”的配置，该系统需要在空中运输期间维持大流量，并在对接时实现精确的流量控制，这对阀门段的设计提出了极高的要求。传统的“三阀并联+矩形突扩”配置虽然能实现精确供流并改善抗空化性能，但也存在占用横向空间过大、矩形角等结构不连续处易产生应力集中等问题。更棘手的是，如果下游的突扩段长度设计不当，从多个阀门喷出的高速射流会强烈冲击侧壁，对管道安全构成严重威胁。因此，如何优化阀门段的布局，在有限空间内平衡水力性能、结构安全性和工程可行性，成为一个亟待解决的工程难题。

为了回答上述问题，发表在《Results in Engineering》上的这项研究，建立了一个精细的三维数值模型，聚焦于组合阀门及其下游的突扩结构。研究团队系统性地探讨了突扩段长度、边距（侧向距离）、阀门间距以及阀门布置形式（如平行布置与三角形三维布置）对阀门段压力特性和内部流场水力特性的影响。通过参数分析和敏感性分析，最终确定了一组最优的参数范围，并提出了一种改进的阀门配置方案。该方案不仅显著提升了阀段的抗空化能力和管道安全性，还增强了其通用性和施工便利性。研究还发现，阀门的三维布置形式对突扩段侧壁的时间平均压力影响最为显著，而突扩长度、阀门间距和边距的影响相对较小。

研究人员为开展此项研究，主要运用了几个关键技术方法。首先是计算流体动力学（CFD）数值模拟技术，这是研究的核心手段。他们建立了包含阀门进口流直段、组合阀、突扩体及汇流管段的完整三维计算域模型。其次，在湍流模型的选择上，研究采用了经过改进的RNG k-ε湍流模型，该模型相较于标准k-ε模型，通过动态调整湍流粘度系数，能够更准确地模拟高雷诺数和高应变率流动，尤其适用于阀门输水过程中出现的回流、旋流等复杂流动现象。第三，研究进行了网格无关性验证，通过比较不同网格尺度下的阀门流量系数等关键参数，确定了既能保证计算精度又兼顾计算效率的最佳网格方案（整体网格尺度0.1米，局部加密至0.05米，总网格数约150万）。此外，研究还通过将数值模拟结果与基于景洪工程缩尺比为10.667的物理模型试验数据进行对比，验证了所建立三维数值模型的可靠性，计算值与实验值的最大偏差控制在5%以内，确保了模拟结果的准确性。

模型建立

研究首先建立了代表水力升船机进水阀段的三维数值模型。模型主要包含四个部分：阀门进口流直段、组合阀、突扩体以及汇流管。为了精确模拟突扩体内的水力特性，进口流直段和汇流管段长度均设置为10倍管径，以稳定进出口边界条件。组合阀考虑了主阀和辅阀的流量阻力差异，中间主阀流量系数较大，两侧辅阀流量系数较小（流量系数比≈3:1），所有阀门直径相等（a = 1.6米）。计算域尺寸为28米×10米×3米（长×宽×高），采用混合网格进行划分，对复杂几何区域如阀门进行非结构化网格划分和局部加密。通过网格有效性验证，最终确定采用整体0.1米、局部0.05米的网格尺度。

湍流模型

数值模拟研究选用了RNG k-ε涡粘模型来模拟阀门输水过程的水力特性。该模型是对标准k-ε模型的改进，增加了一个附加项，能更好地处理高应变率流动和流线弯曲。其控制方程包括湍动能（k）方程和湍流耗散率（ε）方程。研究表明，RNG k-ε模型和雷诺应力模型（RSM）对于三维壁面射流的模拟具有最合理的精度。由于阀门输水过程中存在回流、旋流等复杂现象，RNG k-ε模型通过动态调整湍流粘度系数（μ_t），在低应变区给出更高的μ_t值，在高应变区给出更低的μ_t值，从而实现了对高雷诺数和高应变率流动的改进模拟。

计算条件

研究重点考察了突扩体结构尺寸（长度L、边距H）和阀门组合配置（间距D、布置形式）的影响。基于阀门直径（a），将主要布置参数无量纲化（L/a, H/a, D/a），以研究无量纲参数与阀门段水力特性的关系，获得更具普适性的结果。研究计划分为两部分：（1）阀后突扩体结构尺寸优化研究，系统改变L/a和H/a；（2）组合阀布置形式研究，在确定最优突扩尺寸后，研究D/a和阀门组合类型（平行三阀与三角形三阀）的影响。

模型验证

模型通过与物理模型试验在相同工况下（50%和70%阀门开度）的计算结果进行对比验证。验证点选在主阀后突扩体廊道顶部的沿程测点。结果表明，在所有验证工况下，计算值均略小于实验值，且偏差随阀门开度增大略有增加，但最大偏差不超过5%。计算值总体略小的原因在于三维模型的汇流管采用直管，而实验模型采用弯管，弯管改变了突扩进口断面的流速分布，增加了能量耗散，导致突扩段内压力略有升高。

突扩体尺寸的影响

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  突扩体长度（L/a）的影响：研究发现，当L/a = 6.56时，侧壁平均压力出现拐点。长度小于6.56时，壁面压力随突扩长度变化基本不变；超过6.56后，壁面压力增幅减小并趋于稳定。这表明在此长度下，阀段流场结构可能发生变化。理论分析表明，环形活塞阀出流汇聚后形成的圆形湍流射流，其初始段长度L₀约为6.7a，与计算结果L/a ≈ 6.50吻合良好。考虑到多股射流间的相互涡旋效应有助于缩短射流潜在核心区长度，研究认为L/a ≈ 6.50是突扩体的合理长度。
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  突扩体边距（H/a）的影响：当H/a ≥ 0.88时，边壁压力变化很小。当H/a = 0.75时，突扩体高度等于汇流管直径，对主阀射流无约束作用，射流衰减慢，进入汇流管后仍保持高速，直接冲刷结构侧壁。当H/a = 0.88时，突扩体对射流的约束作用增强，射流冲击范围得到控制。当H/a = 1.13时，射流与突扩体顶部之间已形成一定厚度的水垫层。因此，取H/a ≈ 1.00更为合理。

阀段布置形式的影响

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  阀门间距（D/a）的影响：当D/a = 1.69时，时间平均压力出现峰值，随后急剧下降并趋于稳定。这表明在此间距下流场结构发生转变。当阀门间距较小（D/a=1.44–1.69）时，随着间距增加，突扩体内流场结构从多股平行射流转变为相互交汇混合的射流，湍流增强，平均壁压升高。当间距较大（D/a=1.94–2.44）时，射流间距逐渐超过直接相互作用的最大距离，射流间相互作用减弱，较高湍流动能区域趋向突扩体后部，时间平均壁压下降并稳定。因此，射流间直接相互作用距离约为D/a = 1.69。综合考虑，取D/a ≈ 2.00是合理的。
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  阀门组合配置的影响：对比“平行三阀+矩形突扩体”和“三角形三阀+圆形突扩体”（遵循等体积设计原则）发现，三角形配置下射流沿程衰减更快，尾流振荡更早，表明射流间相互作用更强。三角形三阀配置显著提高了突扩段侧壁的时间平均压力（无量纲时间平均压力从平行布置的约0.3提高到约1.5），特别是对突扩体迎流面的冲击更强（无量纲压力从约0.6提高到约2.6）。这表明三角形配置虽增强了抗空化能力，但也导致对突扩体后部侧壁的射流冲击稍强。圆形突扩体则便于制造和施工。

因素敏感性分析

为量化各因素对阀段侧壁压力特性的影响程度，研究以测点1的时间平均压力为比较指标，计算了各因素（L/a, D/a, H/a, 阀门配置形式）变化时的敏感性系数。结果表明，阀门配置形式的影响远大于其他参数（压力变化率达57.89%）。各因素对突扩体侧壁平均压力影响的顺序为：阀门组合形式 > 突扩体长度 ≈ 阀门间距 > 突扩体边距。使用三维组合阀能显著增加突扩体侧壁的时间平均压力，而突扩体长度、阀门间距和边距的影响相对较小。

本研究通过系统的数值模拟和参数分析，为“三阀并联+突扩”结构的阀门段布局优化提供了科学依据和具体的设计参数。研究确定的突扩体合理长度（L/a ≈ 6.50）、边距（H/a ≈ 1.00）和阀门间距（D/a ≈ 2.00）能有效将高速射流限制在突扩体内，防止其对侧壁和顶部结构的直接冲击，从而显著降低空化、振动和疲劳损伤风险，延长阀段结构使用寿命。提出的三角形三阀配置与圆形突扩体组合，在提升抗空化性能的同时，也考虑了工程制造的便利性。敏感性分析结果进一步指明阀门布置形式是优化设计中最关键的因素。这些研究成果不仅直接应用于景洪水力升船机等特定工程，其基于无量纲分析的方法和获得的三维缩尺准则，也为类似输水管道系统中多阀门和突扩结构的设计提供了有价值的参考，对推动高性能、抗空化阀门系统的发展具有重要意义。