在大型离心式水泵排水系统中，闸阀是必不可少的元件，它一方面担负着水泵站可靠启动，消除水锤现象的重任；另一方面还能控制水泵流量，影响水泵工作特性。作为矿井用自动排水系统的组成元件，从手轮操作闸板阀自动化改造而成的可控闸阀要求可控性强，而且要具有防爆、运行可靠的能力。
液压系统由于其独特的优越性，在矿山自动化设备中得到广泛的应用。通过液压回路组成可控闸阀的控制系统是一种简单可行的方案，比电控闸阀更适应井下环境，具有更强的可控性、灵活性。
根据排水系统稳定性要求，闸阀的开启和关闭要缓开缓闭，以控制管路中的流速，避免水锤现象的发生。因此，闸阀液压控制系统模型是一个节流调速回路，如图1所示。从图中可以看去，该液压系统是泵-阀-液压马达开式系统。液压泵提供液压马达的动力源，电磁换向阀控制液压马达的正反转。通过调节溢流阀和节流阀控制系统的压力和流量，使液压马达工作在一定的运转速度下。
为使系统能够在突然断电的情况下可靠关闭闸阀，系统中间加入蓄能器及相应的控制调节阀。正常运行时，控制阀得电，蓄能器不起作用；在系统断电时，控制阀失电，蓄能器接通液压马达，使之反转，将阀门关闭。
图1 液压驱动系统原理图
一、仿真分析
1、建立数学模型
在管道中因为某种原因（如停泵等）使流速急剧变化时，管内有瞬时的压力交替升降，并以波的形式在管中往返传播的水力冲击现象叫水锤，又叫水击。液体流经管路时具有动能，突然停止时，它的运动量必须被消除，能量变成由停止点开始的高压波，它以接近于声速的速度沿着管路系统来回传递。通常采用防护水锤措施有：（1）延长开、关阀门的时间，避免直接水锤；（2）在停泵前关闭水泵出水闸阀，然后立刻停泵；（3）在止回阀处设旁通阀；（4）在关闭水泵出口出水闸阀时启动；（5）为防止水泵倒转、系统失水和压力升高的有效办法是在管路中安装2个两阶段关闭的止回阀，即水在泵出口安装一组止回阀，在排水管路中间安装一组止回阀，这样可以有效地阻止水锤的发生。
本文利用了FLUENT动网格技术来实现闸阀开、闭时运动区域流场的模拟，动网格技术是指随着流场区域的运动，运动区域的网格进行二次划分。因此，流场区域的运动就转化为网格的重新划分。由于所处理的问题位移较大，所以采用网格变形与局部重构相结合的方法实现动网格。基本做法是，开设一个包围运动边界的窗口，窗口内的网格可以变形以适应边界的运动。以单元面积为判据，当窗口内即变形区出现严重扭曲的网格单元时，删除变形区内的网格单元，然后用阵面推进法重新生成该区网格。流动参数通过线性插值由旧网格映射到新网格。
控制网格变形的弹簧近似模型是将变形区网格看作一个弹簧网络系统，每1条边都认为是1根具有一定倔强系数的弹簧，网格点所受的合力
式中
Kij———连结节点i、j的弹簧的倔强系数；
xi、xj———节点i、j的位置矢量；
Ni———与节点i相连的节点数。
网格点的受力始终等于初始状态所受的合力，式（1）可表示节点的初始受力，则当运动边界上的点移动后，变形区内节点的新位置坐标可以通过迭代求解如下的线性系统得到。
该系统对角占优，Jacobi迭代格式为
当边界运动时，下个时刻的固定边界点和主动边界点的位置解已知，因此弹簧系统的边界条件为Dirichlet型，式（2）经过数次迭代就可达到满意的精度。
考虑是不可压缩水流流动问题，基本控制方程为Reynolds方程，省略各变量的时间平均项标志“_”，紊流模型采用k-ε双方程模型：
连续方程
动量方程
k方程
ε方程
式中
t———时间；
ui、xi———速度分量和坐标分量；
ν———运动黏性系数；
p———修正压力；
fi———质量力；
υt———紊动黏性系数，νt=cuk2/ε；
Gk———平均速度梯度引起的紊动能产生项。
方程中的经验常数Cu=0109，σk=110，σε=1133，C1ε=1144，C2ε=1142，对于雷诺应力项-uiuj的封闭问题，这里用k-ε双方程模型来处理。
2、仿真分析
以矿用多级清水离心泵125 D25×8，扬程640m，流量450m3/h，配套使用的通径为250的液压可控闸阀进行分析。模型中给定进口总压6.4MPa，出口压力为0.1MPa，流质为水，根据液压可控闸阀实际构造，其升程为250mm，分别对2种情况进行计算：阀门关闭所用时间为25s、2.5s，即阀芯的对应运动速度为0.01m/s、0.1m/s。
（1）可控闸阀开启过程
①不同速度下，阀开口度与流量变化速率分析（见图2）在阀门开启过程中，阀开启速度v=0.01m/s时，流量增大的速率比较均匀，而阀开启速度v=0.1m/s时，流量增大的速率越来越快，紊流严重，易产生冲击。
图2 阀开口度与阀流量变化速率
11v=0.1m/s 21v=0.01m/s
②不同开启速度下，阀开口度与压力变化分析（见图3） 在阀门开启过程中，阀开启速度v=0.01m/s时，阀板所受压力减小的速率比较均匀，而阀开启速度v=0.1m/s时，阀板所受压力减小的速率越来越快，对阀板造成冲击，容易造成阀板损坏，且不容易对液压缸进行控制。当v=0.1m/s阀刚开启时，压力变化曲线中阀口附近由于流速变化引起局部压力降低，形成负压析出空气和气化，产生气穴。闸阀开启时，阀口处速度发生突变，由2m/s突变为110m/s。阀完全打开后，可以看出局部仍然存在负压，流量不均匀，容易产生冲击和噪声。当v=0.01m/s阀刚开启时，压力变化曲线中阀口附近虽然压力存在降低，但还没有形成负压，流速变化比较平稳。
图3 阀开口度与压力变化曲线图
1.v=0.1m/s 2.v=0.01m/s
（2）可控闸阀关闭过程
关闭过程流量变化曲线如图4所示。对于最缓慢的关闭过程v=0.01m/s，全程耗时25s，在阀门开始关闭时，流量的变化就比较明显，在阀关闭到一半时，流量减小的非常缓慢，直至完全关闭流量降为零。
图4 关闭过程流量变化曲线图
1.v=0.1m/s 2.v=0.01m/s
对于最迅速的关闭过程v=0.1m/s，由于阀芯迅速地往下运动，在阀门开始关闭时，流量的变化很小，随着阀芯的向下关闭运动，流量减小的速率越来越快，在接近关闭的时候速率最大，并且当流量达到零时又继续减小为负值，这表明此时水流已出现回流，此时出口管段的水流流进进口管段，这是由于阀门关闭过快引起压力迅速变化的原因。
二、流量特性试验研究
闸阀在开启和关闭过程中，由于水泵出口流量和压力的变化，液压马达负载力也相应变化。由于液压驱动系统是开式节流调速系统，所以液压马达的运转速度也会出现波动。为使水泵能够平稳启动、关闭，使液压马达在运行过程中速度趋于恒定，要求该系统有较好的动态特性。通过试验记录水泵启动过程中液压马达的流量变化情况，可以反映液压马达转速变化情况。图5是驱动DN125闸阀的液压马达起动过程流量时间变化曲线。从图5中可以看出，在水泵启动过程中（20s范围内），液压马达流量的波动趋于平稳，说明其动态特性良好，能够达到水泵站运行的性能要求。
图5 停泵过程液压马达流量变化
三、结论
通过以上分析可以发现，在排水设备选定后，决定最大水力冲击压力变化的参数只有一个，即闸阀的开启或关闭速度变化，而采用可控液压闸阀，通过控制开启速度，控制管路内水流速的变化，从而有效避免水泵在停止、启动以及管路中闸阀开启状态变化所引起的水锤现象。通过仿真可以发现，当阀门关闭或者开启速度大于0.01m/s，容易发生压力波动现象，引起水锤现象，应适当延长开、关阀门的时间。本方案设计出的闸阀，体积较小、运行平稳、性能可靠、速度易于调节。闸阀满足井下水泵房抽水自动化的要求，为井下水泵房抽水自动化的闸阀提供了一种新的解决方案，并建立可控闸阀二维模型，利用动网格论证与手动闸阀相比较具有一定的优越性。
