由于调节阀结构较复杂，其流动参数难以测量，国内在实验方面的研究相对较少，对管道流场的流动细节的测量基本没有。吴石和张文平对3种阀门（蝶阀、球阀、闸阀）的流噪声进行了实验研究，在给水管网中的阀门阻力和电动球阀流量特性方面也有一定的实验研究。早在1885年，Menabrea首先提出水击概念。在1898年，Joukowsky提出了最著名的瞬态流方程理论，被称为“水锤的基本方程”。随后，许多学者致力于水击的研究。目前对水击的研究主要有两个方向，一是研究水击过程机理及预测方法，二是研究水击的防护方法及其设计。对水击过程及机理的掌握是其他研究工作的基础。以阀门迅速关闭时引起的正水击为例，水击波在时间t（等于4倍的管长l与声速c比值）内，等间隔完成增压逆波、减压顺波、增压顺波、减压逆波四个阶段，随后周而复始地进行。一般水击波的传播速度为1400m/s左右。水击波在管道常规流速情况下，产生交替的正压和负压，其幅值都在常压数值的数倍以上。同时，计算流体力学（CFD）的迅速发展，使得采用数值方法模拟水击发生过程的非恒定水流特性成为可能，采用数值方法求解能够很方便地进行。本文拟对闸板阀的关闭过程进行仿真研究。
一、计算模型与设置
计算选取模型如图1所示，以管轴心线为基准线，水箱高1.2m，水箱边长2.0m，在距水箱1.6m处设置闸门。在闸门上游1.1m、0.5m、0.15m处和下游0.15m的管道轴心线上设置监测点A、B、C和D点。在阀门或阀门附近设置三角形网格，其他区域设置四边形网格，总体网格数约10万。
图1 计算模型示意图
计算模型选取分离稳定与非定常相结合的隐式求法，压力选用标准离散格式，动量等采用一阶迎风格式，压力、速度的耦合采用标准SIMPLEC算法。在给定合适的速度进口求出合适的稳态流场，再计算动网格问题。在进行稳态计算时以物理实现为准。选择合适的边界条件后进行非稳态计算，随后开始大涡模拟。
在稳态的进口压强为0Pa时，所获得的速度分布如图2所示。完全开启时的板阀速度分布在管道部分呈抛物线分布，但其速度明显太小，最高也不过1.5m/s，与理论值不符。为构筑有效的流速场，选择速度进口。计算取进口速度值为0.24m/s，其对应速度场分布较合理，如图3所示。对应进口边界的压力数值定为非定常压力进口数值，本例为11873Pa（板阀）。
图2 压强进口作用下的速度等值线图
图3 速度进口作用下的速度等值线图
在给定压力进口下，对闸板阀完全闭合时的两侧面与接触流体面设置为Interface（内部面），选择不同的网格弹性因子、边界松弛因子和时间步长，校核总体网茖质量，所得结果见表1。大的网格弹性因子不保证网格总体质量，小的边界松弛因子也不能取得较好结果，非稳态计算取第5号设置方案，计算总步数取3900步，总体时间3.9s，时间步长0.001s，每时间步迭代20次。截取不同时刻的阀门处网格如图4所示。
表1 总体网格质量检查表
图4 不同时刻的阀门网格
二、计算结果
计算监测出口流速，压力进口与速度进口下的监测值见图5和图6。速度进口下的流速在阀门关闭时仍然保持较高的数值，与实际不符，在高值区振荡激烈。压力进口下的速度随阀门开度的减小，由大到小变化，分布合理。在实际非定常计算时，不能选择速度进口方式。
图5 压力进口下的出口监测速度
图6 速度进口下的出口监测速度
压力进口下的速度随阀门的依变关系与实验值对比见图7。理论实验值呈线性分布，计算值相比偏大，呈上抛物线形分布性，在小开度区偏离较大。
图7 计算与实验对比
不同监测点的压力值见图8，A点相对阀门较远，压力脉动在大开度呈现较大的压力脉动，但对应频率在170Hz以下。C点压力大开度时压力均值在2000Pa左右，在小开度时为9000Pa左右。在低频带存在几个低频峰值。阀后总体均压较小，为100Pa左右，压力波动不均，反映流场变化快。随着阀门开度减小，流场变得复杂，出现复杂涡系（见图9），损失增加，同时阀门受力变化较大，会导致冲击与振动，对阀体工作精度与结构强度都非常不利，其对应功率谱密度（PSD）集中在200Hz以下。
图8 监测点的压力及其变化
图9给出了4秒关闭过程中3.4s时的压强等值线云图，图中20代表压强10000Pa，19代表压强8000Pa，余数值以此类推。阀前压力较一致，存在少量的涡，阀后涡系复杂，在阀门和管道出口之间存在许多大小不等的涡团，至出口完全扩散，系统能量不断耗散。
图9 t=3。4s的管道压力等值线云图（X：m）
三、结论
水在常压下的不可压缩性，在计算机上进行水击数值模拟来显示其内部流动细节，当水击发生时，水流是可压缩的了，压强的太大变化使得难以成功建立水击流场的模型。本文采用CFD方法成功建立了阀门关闭过程的管道模型，比较了压力进口与速度进口对数值计算的影响。在阀门关闭的动态过程中，管道压力波动以阀芯顶端为源向管道上、下游传递，上游管道压力增加，流速减小，压强频谱低值区域集中，一般集中在200Hz以下。阀后流态复杂，涡系不断扩散，耗散系统能量。此研究可为机械设计和系统改进提供依据，为工程提供实际支持。
