米 博，黨建濤

(甘肅紅峰機械有限責任公司，甘肅 平?jīng)?744000)

0 引 言

蒸汽疏水閥顧名思義是把蒸汽使用裝置內(nèi)產(chǎn)生的凝結水迅速排出，使其不形成滯留，同時將需要的蒸汽阻止而不泄漏，保證蒸汽使用裝置的加熱效率保持在最高狀態(tài)[1]。常規(guī)蒸汽疏水閥結構復雜，由于部件頻繁動作而極易磨蝕、損壞，導致動作失靈和蒸汽泄漏。為了克服以上缺點，美國 Mr.L.Guzick發(fā)明了孔板式蒸汽疏水閥用于替代海軍艦船上的常規(guī)蒸汽疏水閥，為美國海軍節(jié)約了一千萬美元以上的投資，從而獲得卡特總統(tǒng)的嘉獎。然而孔板式蒸汽疏水閥只能處理流量固定的冷凝水，無法適應負荷變化的工況，為此20世紀60年代，一種新型的文丘里式疏水閥得到開發(fā)并在美國海軍艦船中首先得到應用，并在90年代在工業(yè)裝置得到應用[2]。

筆者通過對文丘里疏水閥的工作原理的闡述，數(shù)學模型的建立以及有限元數(shù)值模擬，得到了文丘里疏水閥內(nèi)部流場中溫度、速度、壓力及湍流動能的變化情況，為進一步研究及工程實踐提供了技術保障。

1 文丘里蒸汽疏水閥的工作原理

文丘里式蒸汽疏水閥具有以下特點：

(1) 連續(xù)排水，排水速度快，蒸汽泄漏少。

(2) 操作范圍大，適應負荷變化的工況。

(3) 能自動排除閥內(nèi)不凝氣，工作中無汽阻。

(4) 無可動部件，使用壽命長，工作噪音小，抗水擊。

(5) 尺寸小，占地少，維護方便。

文丘里式蒸汽疏水閥主要原理是利用蒸汽和凝結水不同比容所造成的流阻，實現(xiàn)阻汽排水的效果。介質(zhì)通過流道的能力與比容成反比，凝結水與蒸汽的比容在相同的壓力下要相差約兩個數(shù)量級，這使得同樣的孔徑、壓力下，凝結水的排量要幾十倍與蒸汽的排量。根據(jù)凝結水流量的大小和壓差,來選取適當?shù)目讖?，從而把系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的凝結水順利地排放掉，使蒸汽的泄漏減少到最低程度，達到節(jié)能的目的。其內(nèi)部流域結構如圖1所示。

圖1 文丘里管結構示意圖

1.1 數(shù)學模型

將凝結水經(jīng)過文丘里管的流動視為穩(wěn)定流動，符合質(zhì)量和動量守恒定律，其基本控制方程由連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程[3]等構成，連續(xù)性方程為：

Navier-Stokes：

式中：μ為水的動力黏度系數(shù)，Pa·s；ρ為水的密度，kg/m3；t為時間，s；U為速度矢量，m/s；p為流體微元體上的壓力，Pa；FX、FY、FZ分別為單位體積上質(zhì)量力在x、y、z方向的分量，N。因質(zhì)量力只有重力，則FX=0，F(xiàn)Y=0，F(xiàn)Z=-ρg。

1.2 邊界條件的設置

在Workbench Fluent模塊中設置文丘里疏水閥入口壓力為1.6 MPa,出口壓力0.3 MPa，入口、出口溫度都為300 K。

1.3 雷諾數(shù)計算

Re=ρνd/η

式中：ρ為流體的密度；ν為流體的流速；d為管道直徑；η為流體的粘度。

流體雷諾數(shù)計算表如表1所列。所以根據(jù)流體狀態(tài)判定條件，可界定該流動為完全湍流。

表1 流體雷諾數(shù)計算表

1.4 Realizable k-ε模型

流體在文丘里管中流動時，當空化穩(wěn)流發(fā)生時，在近壁面空化處高速微射流與撞擊流同時存在，形成漩渦流，此時時均應變率特別大，此時使用標準k-ε模型，有可能導致負的正應力。為使文丘里管內(nèi)流動更符合湍流的性質(zhì)，需要對正應力進行約束。為保證這種約束的實現(xiàn)，湍動粘度計算式中的系數(shù)Cu應與應變率聯(lián)系起來，而不再是常數(shù)。因此在文中應用Realizable k-ε模型[4]。

Zwart(Zwart-Gerber-Belamri)空化模型[7-11]是以氣液兩相輸運方程為基礎，并和湍流模型能較好兼容的一種模型。模型中兩相之間的質(zhì)量傳輸率可通過氣泡數(shù)密度計算。且在模型中，用αnuc(1-αv)代替αv,方程如下：

p≤pν時：

p>pν時：

式中：p為流場內(nèi)部壓力；pv為空化臨界壓力；Re為汽化產(chǎn)率；Rc為凝結產(chǎn)率；Fvap為蒸發(fā)項經(jīng)驗校正系數(shù)；Fcond為凝結項經(jīng)驗校正系數(shù)；αnuc為氣核處體積分數(shù)；αv為氣相體積分數(shù)；RB為汽泡半徑；ρv、ρl分別為氣相，液相密度。本次模擬采用FLUENT軟件自帶的空化模型，使用推薦數(shù)值αnuc=5×10-4，RB=10-6m，F(xiàn)vap=50，F(xiàn)cond=0.01。

2 文丘里蒸汽疏水閥的數(shù)值模擬

2.1 3D建模及網(wǎng)格劃分

利用SolidWorks 3D對文丘里疏水閥進行建模，如圖2所示。具體幾何尺寸見圖1所示，喉管直徑d=10 mm，收縮角45°，擴散角12°，總長280 mm。利用Workbench中的Fluent模塊進行網(wǎng)格劃分并對其進行數(shù)值模擬分析，如圖3所示，在網(wǎng)格劃分時，重點對流體邊界層及喉管部位進行網(wǎng)格細化。

圖2 文丘里疏水閥3D模型

圖3 文丘里疏水閥網(wǎng)格劃分

2.2 模擬分析

利用ANSYS Workbench Fluent對導入模型進行設置分析。由于空化的發(fā)生，因此選擇Zwart-Gerber-Belamri空化模型，并采用Mixture模型，同時采用 realizable k-ε模型。流體數(shù)據(jù)里選擇水和水蒸氣作為兩相介質(zhì)流。邊界條件設置入口壓力邊界條件(PIN=1.6 MPa)，出口壓力邊界條件(POUT=0.3 MPa)，最后通過穩(wěn)流進行迭代計算直至收斂。

2.3 計算結果分析

2.3.1 壓力計算結果

由圖4中的文丘里疏水閥壓力云圖及圖5中的文丘里疏水閥的壓力分布曲線可見，文丘里疏水閥的壓力在不同截面處有所不同，在入口處設定壓力為1.6 MPa，隨著管徑的縮小，其壓力也逐漸降低，直至喉管處壓力降到最低，過喉管后，管徑逐漸增大，此時壓力又隨之增大，直至設定的出口壓力0.3 MPa。

圖4 文丘里疏水閥壓力分布云圖

圖5 文丘里疏水閥壓力分布曲線

根據(jù)流體力學可知，出現(xiàn)以上壓力分布的原因是：在漸縮段，隨著截面積減小，液流速度增大，壓力能逐漸轉(zhuǎn)化為動能，從而導致壓力減小；在漸擴段，隨截面積增大，液流的動能轉(zhuǎn)化成壓力能，從而使得壓力逐漸增大。由此可得出模擬結果與理論相符合。

2.3.2 速度計算結果

由圖6中的文丘里疏水閥壓速度云圖及圖7中的文丘里疏水閥的速度分布曲線可見，文丘里疏水閥的速度隨著管徑的變化而變化，在設定壓力邊界條件的情況下，速度在直管段的速度變化很小，然后在收縮管處，隨著管徑的收縮，速度逐漸增大，在擴散管處，速度隨著管徑的增大而逐漸增大。

圖6 文丘里疏水閥速度分布云圖

圖7 文丘里疏水閥速度分布曲線

根據(jù)流體力學伯努利方程可知，壓力與速度的平方成反比，在漸縮段，隨著截面積減小，壓力降低，速度增大；在漸擴段，壓力逐漸增大，速度反而減小。同樣得出模擬結果與理論相符合。

2.3.3 溫度計算結果

在300 K的溫度條件下，對文丘里疏水閥的溫度模擬結果如圖8所示。

圖8 文丘里疏水閥溫度分布云圖

以上溫度云圖顯示，在整個過程中，溫度基本保持不變，唯有在喉管邊界層及喉管下游段，溫度有所降低。結合圖9氣含率云圖，發(fā)現(xiàn)溫度與空化作用呈現(xiàn)出相反的狀態(tài)，在空化發(fā)展區(qū)域，溫度會隨之降低，而未有空化的區(qū)域，溫度與整個管路溫度一致。

圖9 文丘里疏水閥氣含率分布及湍流動能云圖

空化區(qū)，溫度之所以會降低，是因為在該區(qū)域，液態(tài)水氣化，會引起能量的耗散，因此溫度也會隨之降低?？栈Ч矫黠@，氣泡發(fā)展越壯大，能量耗散就會越多，溫度下降也就越多。然而，溫度的降低也會引起飽和蒸氣壓的下降，那么壓力降至飽和蒸氣壓就越困難，這樣就對空化具有一定的抑制作用，限制了空化的發(fā)生。

2.3.4 空化效果模擬結果

文中以氣含率和湍流動能作為對空化效果的表征，來研究空化效果的好壞。

在邊界入口壓力情況下，空化發(fā)生區(qū)域如圖9氣含率云圖所示。由模擬結果可知，空化區(qū)域相比整個流域面積較小。當流體進入喉管處，速度急劇增大，壓力降至最低點，此時液態(tài)水氣化為氣態(tài)水。同時可以看到，空化區(qū)域主要出現(xiàn)在喉管的壁面及喉管的后部，這主要是因為氣核在低壓區(qū)生成，隨著水流逐漸發(fā)展，因此會出現(xiàn)在喉管的偏后位置處。隨后隨著擴散段管徑的增大，壓力增高，氣泡被壓縮甚至潰滅，氣含率逐漸減小直至消失。

如圖9文丘里疏水閥湍流動能云圖所示，湍流動能主要表現(xiàn)在空化區(qū)下游位置，在氣化初期湍流動能增加較小。這是因為在空化初期，由液相變?yōu)闅庀啵@一動作緩慢且溫和，因此湍流動能變化較小，但是在喉管下游，氣核在高壓下潰滅時，高速劇烈，同時，氣泡潰滅時常伴有旋流、射流等流動，因此湍流動能也會相應發(fā)生突變。根據(jù)文獻[6]所述，高湍流動能在一定程度上會限制水流，且隨著空化的程度，湍流動能的增大，會促進空化穩(wěn)流的產(chǎn)生[6]。此外，圖10所示的湍流強度也能印證以上結論。

圖10 文丘里疏水閥氣湍流輕度云圖

3 結 論

通過對文丘里疏水閥的SolidWorks 3D實體建模，利用Fluent對其流場進行模擬分析，得出以下結論：

(1) 文丘里疏水閥的壓力隨著管徑的收縮而逐漸降低，在喉管處壓力最低，之后進入擴散段，又會隨著管徑的增大而增大。

(2) 文丘里疏水閥的速度與壓力變化正好想法，速度隨著管徑的減小而增大，即在喉管及喉管下游區(qū)域最大，隨后由于管徑的增大又會減小。

(3) 在空化區(qū)域，由于空化的發(fā)生，液態(tài)水氣化，會引起能量的耗散，因此溫度也會隨之降低。

(4) 利用氣含率及湍流動能，對文丘里疏水閥的空化效果進行表征。氣核在低壓區(qū)生成，隨著水流逐漸發(fā)展，會出現(xiàn)在喉管的偏后位置處。隨后隨著擴散段管徑的增大，壓力增高，氣泡被壓縮甚至潰滅，氣含率逐漸減小直至消失。同時，在空化初期，由液相變?yōu)闅庀?，這一動作緩慢且溫和，因此湍流動能變化較小，但是在喉管下游，氣核在高壓下潰滅時，高速劇烈，同時，氣泡潰滅時常伴有旋流、射流等流動，因此湍流動能也會相應發(fā)生突變。氣含率及湍流動能越大，說明空化效果越明顯，反之空化越微弱。

通過以上結論，對文丘里疏水閥內(nèi)部流動有了一定的理論認識，可以初步解決文丘里疏水閥的選型問題，根據(jù)現(xiàn)場實際工況，設計符合參數(shù)的產(chǎn)品。同時為以后更加全面準備的掌握文丘里疏水閥流場的參數(shù)變化包括影響其排量的因素奠定了堅實的基礎。