基于ANSYS的智能节水灌溉水网抗水锤研究*

谢碧洪，刘晓初，萧金瑞

（1.罗定职业技术学院，广东云浮 527200；2.广州大学机械与电气工程学院，广州 510006）

0 引言

中国是农业大国，但农业灌溉用水资源稀缺。在当前水资源日益紧缺的情况下，推广节水浇灌、走绿色的可持续发展道路已成为中国农业生产的必然选择。在节水灌溉中，关闭阀门时伴随水锤现象，这是一种普遍存在的有压管道非恒定流问题。由于闸或阀的关闭，会迅速引起管道内水压、流速剧烈变化，导致压强升高，可达管道正常压强的几倍至数十倍。另外，管道内介质的动能在瞬间全部转变为势能，可导致管道系统强烈振动，产生噪声，造成阀门破坏，管件接头破裂、断开，甚至管道炸裂等重大事故[1-2]。对管壁、闸门以及阀门等附件产生巨大的冲击力，在水体惯性和可压缩性、管壁弹性以及系统阻力作用下，管道内水的压力和密度不断交替变化，直至稳定，工程上称这一水力过渡过程状态为水击（或水锤）现象[3-4]。

1 水锤产生机理

在节水灌溉水网中，水锤是由于管道中某一截面（闸门或阀门）的流速改变，引起管道压强的急剧升高或下降，这种瞬变波的压力波对管见产生的影响称为水锤[1]。在节水灌溉水网中，由于水锤计算受多种实际工程中的因素影响，本文研究运用的是简化了的水网研究模型，如图1所示。

图1 水网研究模型

假设水管长度为L，管内流速为v，当阀门突然关闭，则阀门处流速突然滞止为0。由于流体的向前惯性作用阀前受压迫压力跃升高，而阀后由于阀门关闭后流体的向前惯性会形成负压，假设这些跃升或降低的数值称为水锤压力，用ΔP表示，其以速度α向整个管道传播。若阀门关闭时间T＜2 L/α，这时产生的水锤最大，称为直接水锤，是对管道和阀门危害最大的一个压力ΔP[1，5-6]：

式中：ΔP为水锤压力，MPa；ρ为流体密度，kg/m3；α为水锤传播速度，m/s；Δv为流速的瞬间变化量，m/s。

2 抗水锤研究方案

参考专家学者及工程实践的经验做法，主要有以下3种抗水锤方法。

（1）慢慢地关闭阀门。该方法反应慢、效率低，在节水灌溉中不可取。

（2）在水网中加旁通管或安全缓冲装置。该方法所用装置较多，维护保养比较麻烦，不便应用于节水灌溉的野外环境。

（3）在水网加入空气罐抗水锤[7-8]。该方法是本文提倡采用的方法，如图2所示。方法简单，易于应用在实际工程中，并且装置耐久、稳定性好。图中，空气罐设置在距阀门Ln处，以等差距离（L1，L2，L3，L4，L5，L6，…） 距阀门设置空气罐，如表1所示。Ansys Fluent-Static Structural流固耦合有限元分析水锤过程，分析阀门阀芯、水管网受到的压力情况，以研究空气罐与阀门的设置距离（L1，L2，L3，L4，L5，L6，…）对管道、阀芯受水锤压力的影响。

图2 水网水网加入空气罐抗水锤

表1 空气罐与阀门距离mm

3 水锤冲击最大压力理论计算

根据阀门关闭时间Ts与O点压力变化周期T的关系，利用儒可夫斯基公式计算水锤压力增加值ΔP时，必须先确定水锤波速度α[9-10]，即：

式中：ρ为水的密度，kg/m3；K为水体积弹性模量，Pa；D为管道外径，m；e为管壁厚度，m；E为PVC-U管壁弹性模量，N/m2。

考虑水中有空气进入，水的密度ρ和体积弹性模量K将会减小[10-11]。假定管道中的微小气泡均匀分布，对式（1）进行修正，修正后的公式为：

式中：γ为水的容重，N/m3；γ′为空气的容重，N/m3；g为重力加速度，m/s2；W为混合液的体积，m3；W′为混合液中气泡的体积，m3。

计 算 时 ， 令 γ =104N/m3；γ′=12.70 N/m3； g=10 m/s2；W′/W=0.02；K=2.18×109Pa；D=0.032 m；e=0.003 5 m；E=2×109N/m2。代入式（2）求得水锤波速度α，m/s。

计算水锤压力增加值ΔP的儒可夫斯基公式为：

管内水流速度公式为：

式中：Qj为管道最大流量，m2/h。

4 抗水锤有限元分析

4.1 模型建立

如图2所示的水网模型尺寸，长度为500 mm；水管直径为25 mm；空气罐直径为60 mm；高为100 mm；口径为18 mm。在三维软件pro/e中建立模型，然后导入到AnsysFluent中的DesignModeler。图3所示为有限元简化后的三维图和阀门阀芯图。

图3 有限元简化后的三维图、阀门阀芯图

4.2 网格化

网格划分定义是基于CFD流体动力学控制划分，划分精度设为标准，划分秩序为线性控制，网格间中等平滑过渡，生成共形的混合四面体/棱柱和六面体网格[12]。划分出网格节点Nodes 43 858个，单元Elements 225 556个。划分后如图4所示。

图4 网格划分

4.3 边界条件及材料设定

用Ansys Fluent仿真分析流体域部分。设定水管和空气罐为流体域，流体材质为水，从水管左侧入口inlet以V=20 m/s的速度，其余表面为wall，slip设为光滑。阀芯部分为固体域用Ansys Structural分析，材质为铜质，固定阀芯转轴，将流体部分对阀芯的压力加载到球阀上。

4.4 水管单向流固耦合分析

求解时，将流体域迭代的次数都设为500步，模拟水网中阀门突然关闭，分析此时水网压力的变化。本文只列出空气罐与阀门距离Ln分别为30 mm、60 mm、240 mm的水管压力云图，如图5～7所示。

图5 空气罐与阀门距离为30 mm时水网受压云图

4.5 阀芯流固耦合结构力学分析

图6 空气罐与阀门距离为60 mm时水网受压云图

图8 Ln=60 mm阀芯受压云图 图9 Ln=90 mm阀芯受压云图

图7 空气罐与阀门距离为240 mm时水网受压云图

图10 Ln=150mm阀芯受压云图 图11 Ln=240mm阀芯受压云图

表2 空气罐与阀芯距离对水网和阀芯受压情况

求解时，固体域分析设置为1 s，模拟水网中阀门突然关闭，分析此时阀门受到的压力变化。图8～11所示为空气罐与阀门距离Ln分别为60 mm、90 mm、150 mm、240 mm时，阀芯受到的压强情况。

4.6 空气罐与阀芯距离对水网和阀芯受压情况

其他空气罐与阀门的设置距离对水网、阀芯受到的水锤压力数据情况如表2所示。

5 结束语

（1）建立了有限元分析软件，研究智能节水灌溉水网抗水锤的简化三维模型，仿真出水网和阀芯受到的水锤压力云图。

（2）从图5～7可以得出，设置空气罐对水锤压力局部均匀分布有利。

（3）从表2可以得出，空气罐与阀芯设置距离越长，阀芯和水网受到的最大压力越呈增大趋势；若空气罐与阀芯设置距离相对较短，水锤压力对水网的影响破坏应较少。

（3）研究结论对工程中减少水网的水锤破坏有一定的参考价值。