廖伯權(quán)，何慶中，王 佳，彭 濤，陳雪峰，李科宏

（1.四川輕化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川宜賓 644000；2.華夏閥門(mén)有限公司，四川自貢 643000）

0 引言

迷宮式調(diào)節(jié)閥作為鍋爐過(guò)程控制裝備中的一種重要元件，具有降壓性能好，控速能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能很好地適應(yīng)高溫高壓的惡劣工況，在超（超）臨界火電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用［1］。調(diào)節(jié)閥節(jié)流效應(yīng)與文丘里管類(lèi)似，當(dāng)液體介質(zhì)流經(jīng)節(jié)流口時(shí)，劇烈的壓降易使介質(zhì)壓力P 降至飽和蒸汽壓Pv以下，產(chǎn)生空化現(xiàn)象，并形成大量氣泡。汽泡潰滅產(chǎn)生的爆裂能量直接作用在閥芯上，導(dǎo)致閥芯表面金屬層脫落，形成氣蝕，同時(shí)還伴隨著周期性的振動(dòng)、噪聲等現(xiàn)象，直接危害閥門(mén)和下游管道的正常運(yùn)行［2］。迷宮碟片是其中的核心降壓部件，實(shí)現(xiàn)和控制著調(diào)節(jié)閥的絕大部分壓降功能。多項(xiàng)研究結(jié)果表明［3-4］，閥內(nèi)空化現(xiàn)象主要發(fā)生在碟片流道內(nèi)。

目前，在高參數(shù)調(diào)節(jié)閥研究領(lǐng)域，空化現(xiàn)象研究主要集中在多相流介質(zhì)［5］、閥內(nèi)渦流與壓力脈動(dòng)［6-7］、閥芯材料［8］和管配系統(tǒng)［9］等方面，對(duì)閥門(mén)核心降壓部件及流道結(jié)構(gòu)研究較少。基于此，李樹(shù)勛等［10］分析了超（超）臨界調(diào)節(jié)閥因空化引起的嚴(yán)重汽蝕問(wèn)題，計(jì)算結(jié)果表明增加套筒級(jí)數(shù)可使閥內(nèi)最低壓力上升2.5 MPa，含氣量減少81.8%。Wang 等［11］基于CFD 方法對(duì)高壓調(diào)節(jié)閥直角分流式迷宮流道進(jìn)行了數(shù)值模擬，認(rèn)為串聯(lián)和并聯(lián)流道共同作用可避免閥內(nèi)空化現(xiàn)象的發(fā)生。Han 等［12］分析了3 種不同液壓錐閥內(nèi)部的氣蝕現(xiàn)象和流動(dòng)力特性，證明增加閥芯錐角會(huì)導(dǎo)致閥內(nèi)發(fā)生更嚴(yán)重的空化現(xiàn)象。Jin 等［13］對(duì)煤液化用高壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流場(chǎng)特性研究，仿真得到的閥內(nèi)空化區(qū)域和氣蝕位置與實(shí)際破壞形態(tài)相吻合，證明了數(shù)值模擬的可靠性。

本文針對(duì)超（超）臨界工況和特定閥門(mén)開(kāi)度，模擬了調(diào)節(jié)閥內(nèi)的空化流動(dòng)特性，重點(diǎn)研究了迷宮碟片結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)碟片流道空化現(xiàn)象的影響。

1 計(jì)算模型與邊界條件

1.1 計(jì)算模型

以圖1 所示水滴迷宮式調(diào)節(jié)閥（簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)節(jié)閥）為研究對(duì)象，它由閥體、閥座、閥瓣、碟片壓套、迷宮碟片組件等組成，箭頭為介質(zhì)流向。其中，迷宮碟片組件由10 個(gè)帶有水滴式凸臺(tái)的碟片堆疊而成。

圖2 為1/2 碟片流體區(qū)域示意，每個(gè)碟片被分為8 條 θ 角大小的獨(dú)立流道，每條流道由四排逐級(jí)減小的水滴凸臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)“水滴”）陣列組成，各排水滴在圓周上位于相鄰排水滴中心處，水滴高度均為10 mm。同級(jí)水滴間形成有多條流動(dòng)路徑（簡(jiǎn)稱(chēng)“流路”），但各排流路數(shù)不同，1，3 排有6 條流路，2，4 排有5 條流路。各同級(jí)水滴間最窄處為流路節(jié)流口，節(jié)流口是控制流體壓力的關(guān)鍵部位。

圖2 碟片流道結(jié)構(gòu)Fig.2 Flow passage structure of disc

1.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

為避免閥內(nèi)渦流對(duì)流場(chǎng)分析的影響，在閥門(mén)進(jìn)出口分別加十倍管徑長(zhǎng)度的直管［14］。選取空化現(xiàn)象最嚴(yán)重的20%開(kāi)度三維模型［9］，導(dǎo)入前處理模塊并抽取流體區(qū)域。由于碟片上水滴較多、流道復(fù)雜，在Mesh 中采用適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體網(wǎng)格對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對(duì)水滴流道區(qū)域網(wǎng)格加密處理，其網(wǎng)格模型如圖3 所示。設(shè)置進(jìn)口壓力為16.9 MPa，出口壓力為0.9 MPa，壁面條件為無(wú)滑移壁面。湍流邊界條件為：湍流強(qiáng)度10%，水力直徑8 mm。

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Grid model

2 控制方程及數(shù)值模型

2.1 控制方程

選用Mixture 模型來(lái)模擬閥內(nèi)的空化（汽液兩相流）現(xiàn)象。通過(guò)求解混合相連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、離散相（此處為汽相）體積輸運(yùn)方程來(lái)預(yù)測(cè)空化現(xiàn)象［15］。各控制方程如下。

（1）混合相連續(xù)性方程

式中將液相和氣相的混合物視為連續(xù)性介質(zhì)，定義混合物密度ρ=ρvαv+ρl（1-αv），其中ρv和ρl分別表示氣相和液相的密度；αv，αl（αl=1-αv） 分別表示氣相和液相的體積分?jǐn)?shù)；→V為混合相速度矢量。

（2）動(dòng)量方程

2.2 湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是通過(guò)引入湍動(dòng)能k 和耗散率ε的兩方程渦黏性模型，在一定程度上考慮了流場(chǎng)內(nèi)湍流發(fā)展的傳遞性，具有計(jì)算量小，穩(wěn)定好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，模型能較好的適用超（超）臨界工況下充分發(fā)展的閥內(nèi)高雷諾數(shù)復(fù)雜湍流流動(dòng)［16］。

湍動(dòng)能k 和耗散率 ε如下：

式中 ρ——流體密度；

t——時(shí)間；

μ ——分子黏性；

μt——湍流黏度；

σk，σε——k，ε的湍流普朗特?cái)?shù)；

Gk——由速度梯度而引起的湍動(dòng)能；

Gb——由浮力而引起的湍動(dòng)能；

YM—— 可壓縮流中壓力脈動(dòng)對(duì)總耗散率的影響；

C1，C2，C1ε，Cμ——常數(shù)。

2.3 空化模型

Schnerr-Sauer 空化模型是用于計(jì)算氣液兩相間相變轉(zhuǎn)換的模型，考慮了從液相到氣相的質(zhì)量傳遞。由Schnerr 等［17］定義的空化蒸發(fā)相與冷凝相如下。

當(dāng)PV＞P 時(shí)：

式中 RB——?dú)馀莅霃剑?/p>

P，PV—— 氣泡周?chē)鷫毫徒橘|(zhì)飽和蒸 汽壓。

3 計(jì)算結(jié)果

由于碟片流道的對(duì)稱(chēng)性，每個(gè)流道的流動(dòng)特性具有良好的一致性。故以下只取碟片平面（即XZ 平面）單個(gè)流道做具體展示。為進(jìn)一步分析閥內(nèi)流場(chǎng)特性和空化現(xiàn)象，沿介質(zhì)主要流路取多個(gè)樣點(diǎn)得到穩(wěn)態(tài)下流場(chǎng)參數(shù)。如圖4（a）所示，樣點(diǎn)路徑由9 條線(xiàn)段組成，每段取30 個(gè)樣點(diǎn)。

3.1 原結(jié)構(gòu)分析

由圖4（a）（b）可以看出，隨著介質(zhì)進(jìn)入一級(jí)流路，流通面積減小，介質(zhì)流速增大，在節(jié)流口附近出現(xiàn)低壓甚至負(fù)壓。第4 級(jí)水滴時(shí)流速達(dá)到237 m/s，且負(fù)壓最為明顯，達(dá)到24.9 MPa，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該溫度下介質(zhì)飽和蒸氣壓。流經(jīng)節(jié)流口后，流道擴(kuò)張，壓力恢復(fù)。由于介質(zhì)在進(jìn)入下一級(jí)流路前對(duì)水滴的撞擊，消耗了大量動(dòng)能，在兩級(jí)水滴間出現(xiàn)高壓區(qū)和速度緩沖區(qū)。其中，第一、二排水滴時(shí)最為明顯。隨著降壓級(jí)數(shù)增加，介質(zhì)壓力與速度在流道內(nèi)表現(xiàn)為反復(fù)的升降現(xiàn)象。

根據(jù)伯努利原理［18］，節(jié)流口處壓力與速度的變化值應(yīng)較其他區(qū)域更大，即水滴兩側(cè)（節(jié)流口）是最易發(fā)生空化的區(qū)域。圖4（c）也表明，各級(jí)水滴兩側(cè)均有空化現(xiàn)象出現(xiàn)。越靠近流道出口介質(zhì)汽化越嚴(yán)重，最后一級(jí)水滴流道幾乎全部為汽體，最大汽相體積分?jǐn)?shù)為1。雖然水滴結(jié)構(gòu)減壓能力強(qiáng)，但大面積的空化現(xiàn)象會(huì)影響閥門(mén)的正常運(yùn)行。故需對(duì)原有水滴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并改善空化性能。

圖4 原結(jié)構(gòu)流道云圖Fig.4 Nephogram of the flow channel of the original structure

3.2 圍堰結(jié)構(gòu)對(duì)空化影響

借鑒圍堰在水利工程領(lǐng)域的應(yīng)用［19-26］，在原水滴流道設(shè)環(huán)形圍堰。由圖4 可知，高速流和空化區(qū)域主要集中在流道出口附近，故將圍堰設(shè)在出口處，期望達(dá)到緩和壓降、消耗介質(zhì)能量最終實(shí)現(xiàn)抑制空化現(xiàn)象的目的?？紤]到圍堰的可加工性，圍堰截面形狀為矩形和圓形，高度為水滴高度一半。不同圍堰碟片如圖5 所示。

圖5 不同圍堰結(jié)構(gòu)碟片F(xiàn)ig.5 Discs with different cofferdam structures

各樣點(diǎn)平均壓力曲線(xiàn)如圖6 所示。由圖可以看出，改進(jìn)結(jié)構(gòu)介質(zhì)壓力曲線(xiàn)整體略高于原結(jié)構(gòu)。由于介質(zhì)流經(jīng)節(jié)流口前，流通面積逐漸縮小，3 種結(jié)構(gòu)在A-B、C-D、E-F、G-H 段內(nèi)介質(zhì)壓力均呈下降趨勢(shì)，在H 點(diǎn)出現(xiàn)最低壓力；經(jīng)節(jié)流口后，流路持續(xù)擴(kuò)張，在B-C、D-E、F-G、H-I 區(qū)間內(nèi)介質(zhì)壓力逐漸回升。I-J 段為出口附近無(wú)水滴區(qū)域流路，此區(qū)間內(nèi)原結(jié)構(gòu)介質(zhì)壓力趨于穩(wěn)定；由于圍堰的節(jié)流效應(yīng)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)壓力驟降。原結(jié)構(gòu)最大壓降為19.95 MPa，最低負(fù)壓為13.42 MPa；對(duì)于改進(jìn)結(jié)構(gòu)，由于介質(zhì)在出口處對(duì)圍堰的撞擊，在圍堰內(nèi)側(cè)形成部分回流和渦流，使流道內(nèi)各處壓力較無(wú)圍堰時(shí)更高。圓形圍堰各級(jí)最大壓降為15.88 MPa，最低負(fù)壓為7.2 MPa，較原結(jié)構(gòu)均有所降低。矩形圍堰各級(jí)壓降較其他結(jié)構(gòu)均更小，最大為9.48 MPa，僅為原結(jié)構(gòu)的47.5%；各級(jí)最低壓力為2.42 MPa，較原結(jié)構(gòu)升高了15.84MPa，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該溫度下介質(zhì)飽和蒸氣壓。說(shuō)明增加圍堰有利于控制閥內(nèi)壓降，且矩形圍堰的控制效果要優(yōu)于圓形圍堰。

圖6 各樣點(diǎn)平均壓力曲線(xiàn)Fig.6 Average pressure curve at various points

各樣點(diǎn)速度曲線(xiàn)如圖7 所示。由圖可以看出，原結(jié)構(gòu)速度曲線(xiàn)位于最上層，圓形圍堰次之，矩形圍堰最低，且介質(zhì)速度均趨于平緩。3 種結(jié)構(gòu)介質(zhì)速度在A-B、C-D、E-F、G-H 段內(nèi)均呈上升趨勢(shì)，在B-C、D-E、F-G、H-I 段內(nèi)迅速降低，且最大速度隨降壓級(jí)數(shù)的增加持續(xù)上升，第四級(jí)水滴時(shí)（即GI 段）變化最明顯。由于圍堰的存在，改進(jìn)結(jié)構(gòu)在I-J 段也出現(xiàn)小幅速度波動(dòng)。原結(jié)構(gòu)最大流速為237 m/s，遠(yuǎn)超出閥門(mén)工作要求。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，流道下層介質(zhì)在出口處對(duì)圍堰產(chǎn)生撞擊，轉(zhuǎn)向后與上層介質(zhì)交匯碰撞。這一過(guò)程消耗了大量動(dòng)能，使得介質(zhì)速度得以降低。圓形與矩形圍堰最大速度分別為189，145 m/s，相對(duì)于原結(jié)構(gòu)分別降低了20.3%，38.8%。在圍堰出口處，介質(zhì)經(jīng)過(guò)圓形圍堰形成扇形射流，使出口流速較其他兩種結(jié)構(gòu)更低，達(dá)到44.7 m/s。因此，增加圍堰可減小流道出口處介質(zhì)動(dòng)能，有效減輕高速介質(zhì)對(duì)水滴流路和閥體的沖蝕。相對(duì)于圓形圍堰，矩形圍堰的整體控速性能更佳，但出口流速偏高。

圖7 各樣點(diǎn)速度曲線(xiàn)Fig.7 Speed curve at various points

氣相體積分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)如圖8 所示。由圖4（c）可知，原結(jié)構(gòu)空化區(qū)域均出現(xiàn)在節(jié)流口附近，即圖8 樣點(diǎn)區(qū)域65-85，120-145，180-225。且降壓級(jí)數(shù)越多，空化區(qū)域越大，在三級(jí)和四級(jí)水滴附近，最大氣相體積分?jǐn)?shù)均為1。與原結(jié)構(gòu)相比，圓形圍堰流道內(nèi)空化區(qū)域有所收縮，空化相對(duì)嚴(yán)重的位置向流道出口處轉(zhuǎn)移，減小了水滴流路被汽蝕破壞的可能性。矩形圍堰的空化區(qū)域相對(duì)于其他兩種結(jié)構(gòu)有大幅縮減，僅樣點(diǎn)190 附近出現(xiàn)小面積空化現(xiàn)象，其最大氣相體積分?jǐn)?shù)為0.18，相對(duì)于原結(jié)構(gòu)降低了82%。因此，相對(duì)于其他兩種結(jié)構(gòu)，矩形圍堰有更好的抑制空化能力。

圖8 氣相體積分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)Fig.8 Gas volume fraction curve

3.3 圍堰尺寸對(duì)空化影響

基于上述研究結(jié)果，以下研究矩形圍堰高度對(duì)碟片流道空化特性的影響，圍堰高度h 為3，5，7 mm（簡(jiǎn)稱(chēng)h3，h5，h7）的汽相體積分?jǐn)?shù)分布云圖，如圖9 所示。

圖9 不同圍堰高度氣相體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.9 Nephogram of gas phase volume fraction at different cofferdam heights

由圖可以看出，由于h3時(shí)圍堰高度過(guò)低，對(duì)介質(zhì)形成阻力的區(qū)域較小，圍堰內(nèi)側(cè)不能形成足夠的回流來(lái)消耗后續(xù)介質(zhì)能量，導(dǎo)致節(jié)流口處介質(zhì)壓力低于該溫度下飽和蒸氣壓，出現(xiàn)大面積空化區(qū)域。h5時(shí)流道內(nèi)壓降更緩和，空化區(qū)域大面積減小，只出現(xiàn)在水滴兩側(cè)和圍堰附近很少一部分區(qū)域，最大氣相體積分?jǐn)?shù)為0.96，說(shuō)明增加圍堰高度有利于抑制流道內(nèi)空化的產(chǎn)生。h7時(shí)空化區(qū)域集中在圍堰附近，最大氣相體積分?jǐn)?shù)為0.57，較h5降低了40.6%，且流道內(nèi)不再有空化現(xiàn)象產(chǎn)生。由此表明，雖然過(guò)高的圍堰可能影響閥門(mén)流量，但可使空化現(xiàn)象減弱并向圍堰處轉(zhuǎn)移，避免流路遭汽蝕破壞。

如圖9（b）所示，在最后一級(jí)流路節(jié)流口和流道出口附近分別設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、監(jiān)測(cè)點(diǎn)2，對(duì)比圍堰高度對(duì)流道內(nèi)瞬態(tài)空化特性的影響。圖10 示出前50 ms 兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣相體積分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)。如圖10（a）中在最后一級(jí)流路節(jié)流口，前15 ms 內(nèi)氣相體積急劇上升，隨后流場(chǎng)穩(wěn)定，h3，h5氣泡體積占比維持在0.95，0.47。相反，h7氣泡體積則由最大的0.68 快速衰減至0，表明在該區(qū)域發(fā)生著劇烈的氣泡潰滅現(xiàn)象。如圖10（b）中圍堰上方前6 ms 內(nèi)氣泡體積急劇增加，h7最高達(dá)到0.75，流場(chǎng)穩(wěn)定后維持在0.45 左右；相對(duì)而言，h3，h5氣泡體積增長(zhǎng)緩慢且占比較低。因此，較高的圍堰尺寸會(huì)使水滴兩側(cè)形成大量氣泡并迅速潰滅，在短時(shí)間內(nèi)形成不穩(wěn)定流場(chǎng)，不利于閥門(mén)的啟閉操作。

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)空化特性Fig.10 Transient cavitation characteristics of monitoring points

4 結(jié)論

（1）對(duì)水滴迷宮式調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)空化特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明水滴迷宮式碟片減壓效果明顯，但碟片流道內(nèi)最低負(fù)壓達(dá)24.9 MPa，同時(shí)出現(xiàn)大面積空化現(xiàn)象，最大流速達(dá)到237 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出閥門(mén)工況要求。水滴結(jié)構(gòu)變化和節(jié)流口的存在是流道內(nèi)產(chǎn)生劇烈空化現(xiàn)象的主要原因。

（2）增加圍堰結(jié)構(gòu)有利于抑制空化現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時(shí)可控制閥內(nèi)壓降和高速流現(xiàn)象，且矩形圍堰抑制效果要優(yōu)于圓形圍堰。與原結(jié)構(gòu)相比，矩形圍堰結(jié)構(gòu)最大壓降減少52.5%，最大流速降低38.8%，最大氣相體積分?jǐn)?shù)為0.18，且空化區(qū)域幾乎消失。

（3）增加圍堰高度可抑制流道空化現(xiàn)象并使空化位置向圍堰出口處轉(zhuǎn)移。隨著圍堰高度增加，氣相體積分?jǐn)?shù)在節(jié)流口處由0.95 下降至0，在圍堰上方由0.15 上升至0.45。但過(guò)高的圍堰不僅會(huì)影響閥門(mén)正常流量和啟閉特性，還會(huì)加速?lài)呓Y(jié)構(gòu)破壞，影響調(diào)節(jié)閥使用性能。