国外研究：止回阀关闭时水击现象对管路的影响及防范措施

国外对阀门的研究早于我国，针对阀门做了大量的理论及应用研究工作，早在20世纪国外就有研究人员开始采取数值模拟办法来分析阀门内部流动的层流问题，比如Sallet D.W.对安全阀的水力特性进行了分析，获得了水力损失及水力特性曲线[96]；Bao M等通过CFD软件对滑阀内部的流动状态进行了仿真分析，得出了阀门的流量、能耗与进出口尺寸大小的关系[97]；M Borghi等利用FLUENT软件对不同开度下的安全阀进行稳态仿真，得到了不同开度下阀内介质压力和速度的分布情况，以及阀瓣在不同开度所受稳态液动力的大小[98]；Dallstream B E利用CFD对4种不同阀瓣尺寸的旋启式止回阀在不同开度下的流场进行了仿真模拟，得到了4种阀瓣尺寸所对应的速度矢量图及流量特性曲线，并发现与试验数据相统一[99]。Y Eguchi等针对阀门内部流场问题展开分析，重点研究了不可压缩黏性流体在阀门内部的流动特性[100]；研究人员通过针对阀门流动状态[101]、流量特性[102]以及动态特性[103]等问题，诞生了很多研究成果，随着时间的推移，国外有研究人员开始设计新型止回阀，并对止回阀的性能问题作了研究[104]，与国内相比较，国外对阀门结构的设计以及改进研究起步更早。

进入二十一世纪之后，伴随着计算机技术和计算流体动力学的迅速发展以及广泛应用，把数值模拟方法应用到阀门内部流动特性分析的研究成果不断涌现，利用CFD软件不仅可以得到阀门设计和分析需要的参数，还有助于设计人员全面掌握阀门内部流动的具体情形，比如压力场、温度场、速度场、气蚀部位等参数的变化，有研究人员针对蝶阀阀瓣作了分析及优化[105-106]，对设计和改进阀门结构提供了更为准确而全面的参考。Yuan等采用RNG k-ɛ湍流方程模拟了弯曲入口的截止阀湍流流动情况，并使用PIV的方法对流场监测，发现具有渐进式入口的截止阀流动情况要明显优于弯曲入口的[107]；Ramanath等利用CFD模拟了阀内部区域的流动，实现了阀体内部流动可视化[108]；Yuan利用RNG k-ɛ湍流模型模拟了对称平板和三维弯曲入口截止阀的流动，发现RNG k-ɛ湍流模型适用于模拟带漩涡分离的湍流流动[109]；Song通过模拟三维蝶阀的流体模型，计算了不同开度下阀内的流动情况，并测得了流体流动系数和动态力矩系数[110]。

随着产品的升级换代，简单的CFD仿真技术已经不能满足工程人员的设计需求，动网格和UDF技术开始在止回阀动态模拟分析和计算中被广泛应用。Srikanth通过CFD动网格技术进行数值仿真模拟，发现阀内压力变化一直受气腔内移动部件的速度影响[111]；Ba通过仿真模拟探究了截止阀打开和关闭的动态情况，提出了对带有漩涡的水锤现象以及死水区优化的改进意见[112]；Qinyang等对截止阀进行了内部流场仿真，得到了不同流量和速度下的阀门系统时频特性曲线，以及内部流场压力脉动波动特性与阀门引流口之间的关系，并证明了阀门系统的非线性[113]；Vu等利用CFD软件模拟了氧气安全阀在突发事故时的三维流场流动，发现阀开口附近涡的形成与其损坏形式有关[114]；Song Xueguan等对安全阀的启闭过程进行了仿真模拟分析，得到了安全阀内部压力分布情况，同时为了减小启闭过程中阀瓣的振动，对弹簧也进行了分析[115]；Martin Turesson通过有限元分析软件，编制UDF程序，模拟了旋启式止回阀的动态关闭过程[116]；Sugiyama H等采用动网格技术对意外停泵时止回阀迅速关闭的动态特性进行了模拟分析，得到了由低压水击和阀瓣撞击阀座产生的两个冲击加速度峰值[117]；Han Xu等选用RNG k-ɛ湍流模型，通过CFD对一种新型的逆推止回阀开启过程进行动态模拟分析，发现在阀门完全开启和完全关闭瞬间，阀瓣速度接近于零，表明该逆推式止回阀将不会发生冲击[118]；Himadri Chattopadhyay等针对轴向压力调节阀流场结构的优化，通过计算软件fluent以及湍流模型RNG k-ɛ求解并分析了其中流场结构形式，考虑了不同开度下预设压力不同的影响，计算了25%开度时不同湍流模型下的不同进出口压差下的流量、湍流强度、流量系数的变化[119]；Binod Kumar Saha等使用动网格技术，考虑了空气流经阀芯、阀座摩擦因素导致的阀芯运动特性以及对出口压力震荡的影响对调压阀进行了研究[120]。

Sibilla S等介绍了止回阀在设计与使用过程中，由于会产生压力急剧增加现象，选择最优动态响应曲线十分关键，文中叙述了动态响应曲线在计算止回阀预期性能以及对照具体系统响应的准确程度；采取动态分析办法和试验结果，设计人员在选择与安装止回阀之前可以预估轴流式止回阀的阀内流动特性；阀瓣的尺寸、弹簧的种类、内部元件类型和轴承的设计等均会影响轴流式止回阀的动态响应性能；文中还提出可以通过选择这些变量来控制止回阀的动态响应性能，Sibilla S等人提出的结论对研究止回阀动态特性的影响因素提供了参考[121]。

A.Beune等通过对高压安全阀开启过程中流固耦合的研究分析，表明在较高的压力作用下流体力连续减小表示流体入口流速迅速升高，阀瓣在重力与介质力的相互作用下开启，由于开启过程中水锤的影响，造成介质力剧烈波动，进而阀瓣出现强烈振动，流场内空穴的存在造成流动振荡[122]。(www.xing528.com)

Bryan karney等对夹式止回阀开启过程进行瞬态研究，应用非稳态CFD方法来模拟泵启动期间对夹式止回阀开启过程中的瞬态特性及流场演变规律，发现止回阀两端的压降特性与最小单位面积上速度高度相关，且由于阀瓣与阀座之间的小间隙，直到入口速度增大到某一值，阀瓣才开始移动，并引起局部峰点压降，在阀瓣旋转开始后的短时间内，压差减小，然后压差开始随流速的增长而增加，最后当流速达到最大，压降保持恒定[123]。

止回阀关闭时水击现象严重，会对整个管路造成破坏，使得水泵倒转，严重时会导致整个泵站停机，造成重大损失。为了更好地解决这些问题，A.S.Tijsseling等就分析了止回阀内部的工作特性，为提升管路系统的安全性能提供了参考；随着数值模拟技术的不断发展，非稳态动态模拟也逐渐有人开始研究[124-125]；Leati Eugenio等分析了高频振荡泵止回阀的动态特性，将仿真结果和实验结果进行对比，结果表明止回阀的设计会影响其流动特性[126]；Botros K K以止回阀为研究对象，分析了其内部流动特性，得到了止回阀内部流动特性曲线[127]。

OU K、Chiao M详细介绍了一种用于低压、低流量的止回阀，该种止回阀的流阻元件采用了聚苯乙烯材料，试验结果显示止回阀在低压、低流量工况下通流能力好[128]；Lumir进行了管路节流阀的试验，通过管路出口加装蓄能器对比验证了管路波动流量下，时频域内的流动特性[129]；Salvador等研发了一种能够精确代表三维控制阀流动特性的模型，并得到实验的精确验证[130]；Amirante对一个完全打开的单向阀进行了实验和模拟数据的比较，验证了在CFD方法在预测的阀门受力方面的可信度[131-132]；Cho等为了探究不平衡球阀的不平衡力，利用CFD的方法计算阀塞上下作用面压力分布情况以及受力情况，并经过了实验验证[133]；Emma Frosina等建立了电磁单向阀不同开关状态下的三维流体模型，并利用CFD进行稳态计算，得到了特定开放状态下的特性，并得到实验验证，在此基础上监测了阀芯不同位移下的受力情况，发现了阀芯在特定开放状态下随位移的变化存在受力极点，为设计改进阀门结构提供了方向性指导[134]；Valdes Jose R等为了研究止回阀存在的气穴问题，运用CFD软件对球形止回阀的流动状态进行模拟，并与试验结果进行比较，有效防止阀出口气穴的产生[135]。

通过了解国内外止回阀的研究现状可知，国内针对止回阀的研究起步时间较晚，最初的研究主要集中在改进止回阀结构和选型上，伴随着CFD及其他分析软件得以广泛应用，国内研究人员逐步开始研究止回阀的内部流动特性、流阻损失及节能技术等内容，为改进止回阀结构以及系统节能提供参考，而国外早在20世纪中期就已经开始运用有限元软件对止回阀展开研究，研究内容广泛，研究成果较多，有很多可借鉴之处。