張希恒 王 宇 張孫力

（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院）

調(diào)節(jié)閥作為工業(yè)儀表的重要組成部分，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 空化是一種當(dāng)流體通過(guò)閥節(jié)流時(shí)，從縮流截面的靜壓降低到不大于流體在閥入口溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)，部分液體汽化形成氣泡，氣泡潰裂恢復(fù)為液相的現(xiàn)象［1］。調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)流量過(guò)程中，氣泡常在閥芯周圍的近壁面潰裂，造成閥芯的剝蝕和振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致閥門調(diào)節(jié)失效。 因此，針對(duì)調(diào)節(jié)閥空化現(xiàn)象的研究具有重要意義。 張含等對(duì)高加疏水閥空化流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，利用多級(jí)節(jié)流降壓理論優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，達(dá)到了抑制空化的目的［2］。李貝貝等通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)節(jié)流閥不同開度的油液空化流場(chǎng)進(jìn)行了研究［3］。 王世鵬等通過(guò)對(duì)復(fù)合式調(diào)節(jié)閥空化現(xiàn)象的研究，發(fā)現(xiàn)提高背壓可有效抑制空化現(xiàn)象［4］。 Jin Z J等通過(guò)對(duì)閥體進(jìn)出口部件的彎曲半徑、偏離距離和圓弧曲率參數(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)空化強(qiáng)度隨彎曲半徑、偏離距離和進(jìn)出口零件相關(guān)的圓弧曲率的增加而降低［5］。 彭龑等對(duì)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部進(jìn)行了優(yōu)化，使得阻力變小，急劇壓差變化減弱，流量系數(shù)Kv總體增大，水力損失減小，在高壓差下結(jié)構(gòu)的抗空化性能更好［6］。 張斌等利用CFD動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)雙作用葉片泵流場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，仿真結(jié)果符合實(shí)際情況［7］。

目前，對(duì)閥門空化現(xiàn)象的研究主要集中在穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)空化規(guī)律和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，而對(duì)于調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)空化過(guò)程還需進(jìn)一步研究。 筆者以單座調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象， 利用用戶自定義函數(shù)（User-Defined Function，UDF） 對(duì)閥瓣的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束，通過(guò)CFD對(duì)其內(nèi)部流體的動(dòng)態(tài)特性和空化現(xiàn)象進(jìn)行研究，為調(diào)節(jié)閥連續(xù)關(guān)閥過(guò)程的空化特性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 研究對(duì)象

筆者以某DN50mm單座調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，采用Solidworks軟件建立三維模型，為使模擬具有更好的收斂性，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。 閥門兩端出口采用加長(zhǎng)管道，以使模擬結(jié)果更加接近真實(shí)情況，再利用DM模塊抽取內(nèi)部流道區(qū)域，得到調(diào)節(jié)閥簡(jiǎn)化模型與內(nèi)部流道如圖1所示。

圖1 調(diào)節(jié)閥簡(jiǎn)化模型與內(nèi)部流道

用Fluent前處理軟件ICEM CFD、結(jié)合混合網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分［8］，并根據(jù)流動(dòng)特點(diǎn)對(duì)流道閥口位置和閥芯周圍空化區(qū)域進(jìn)行加密，如圖2所示。 通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證和步長(zhǎng)獨(dú)立性驗(yàn)證，選用網(wǎng)格數(shù)量為937 414的模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖2 調(diào)節(jié)閥流道網(wǎng)格劃分

2 計(jì)算模型

2.1 空化模型

通過(guò)對(duì)比分析Kunz空化模型、Zwart-Gerber-Belamri空 化 模 型 和Schnerr-Sauer空 化 模 型［4］，發(fā)現(xiàn)Schnerr-Sauer空化模型可以較好地體現(xiàn)湍流脈動(dòng)壓力對(duì)氣化壓力的影響［9］，因此筆者選用Schnerr-Sauer空化模型建立控制方程。

當(dāng)pv≥p時(shí)：

式中 p——某溫度下的絕對(duì)壓力；

pv——飽和蒸汽壓；

RB——空泡半徑；

Rc——凝結(jié)相生成率；

Re——蒸發(fā)相生成率；

αv——蒸汽相體積分?jǐn)?shù)；

ρ——混合相密度；

ρl——液體密度；

ρv——?dú)怏w密度。

2.2 動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算模型

對(duì)于通量φ，在任一控制體V內(nèi)，其邊界是運(yùn)動(dòng)的，則守恒方程的通式［10］為：

?V——控制體V的邊界；

?！獢U(kuò)散系數(shù)。

2.3 參數(shù)設(shè)置

模擬計(jì)算設(shè)置工作流體為水和水蒸氣，物性參數(shù)見表1。 選用Mixture計(jì)算模型模擬氣液兩相流動(dòng)；湍流模型選用Realizable k-ε湍流模型［9］；近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

表1 工作流體物性參數(shù)

在管道兩端設(shè)置壓力邊界， 進(jìn)口壓力為2.2MPa，出口壓力為0.8MPa。 首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，再以穩(wěn)態(tài)收斂的計(jì)算結(jié)果為初值進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。關(guān)閥時(shí)間設(shè)置為0.500s，時(shí)間步長(zhǎng)6.25×10-5s，通過(guò)UDF來(lái)驅(qū)動(dòng)閥芯以50mm/s的速度關(guān)閉閥門。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)

圖3、4為不同關(guān)閥時(shí)刻的壓力和速度矢量分布云圖。 從圖3、4可以看出，流體以較高的速度通過(guò)閥芯邊緣與閥口內(nèi)壁之間的間隙，表現(xiàn)為射流現(xiàn)象。 射流在閥口下游形成一對(duì)旋向相反、大小近似相等的漩渦，且在閥口處和閥口下游流道中心形成高流速區(qū)域，高流速區(qū)域的大小和最大流速均隨著閥芯的下降呈先增大后減小的趨勢(shì)。 在閥全開時(shí)，由于射流的影響，閥口下游靠近閥體壁面處形成漩渦A，造成部分流體回流，帶來(lái)負(fù)壓區(qū)域a。 在t=0.100s時(shí)，閥口下游的射流速度減小，漩渦A強(qiáng)度減小，壓力升高，負(fù)壓區(qū)域a消失。 閥芯邊緣與閥口內(nèi)壁之間的間隙流速增大，最大流速為59.42m/s。 由于間隙兩側(cè)漩渦的影響，在閥口處形成了新的負(fù)壓區(qū)域b。 在t=0.200s時(shí)，閥芯邊緣與閥口內(nèi)壁之間的間隙流速達(dá)到最大， 其值為62.30m/s。 間隙內(nèi)負(fù)壓區(qū)域b進(jìn)一步擴(kuò)大。 t在0.200～0.500s時(shí)，通流截面積減小，在液體粘性阻力的共同作用下使得最大流速降低，高流速區(qū)域減小且主要集中在閥芯邊緣與閥口內(nèi)壁之間的間隙內(nèi)，間隙兩側(cè)形成的漩渦強(qiáng)度以及間隙內(nèi)的負(fù)壓區(qū)均呈先增大后減小的趨勢(shì)，導(dǎo)致該處流體 流速變化快，形成負(fù)壓區(qū)，易產(chǎn)生空化噪聲。

圖3 不同關(guān)閥時(shí)刻壓力分布云圖

圖4 不同關(guān)閥時(shí)刻速度矢量分布云圖

3.2 空化區(qū)域

圖5為不同關(guān)閥時(shí)刻的氣相體積云圖。 從圖5可以看出，在閥全開時(shí)，閥座下游A處發(fā)生空化，且A處空化程度相對(duì)較強(qiáng)；隨著閥芯的下降，在t=0.100s時(shí)，閥座下游空化區(qū)域A消失，在閥座入口區(qū)域緊貼閥座表面出現(xiàn)新的空化區(qū)域B， 且空化區(qū)域的氣相體積減小， 此時(shí)空化程度弱于閥門全開時(shí)。 t在0.200～0.475s時(shí)，空化區(qū)域B進(jìn)一步擴(kuò)大， 呈對(duì)稱分布且在閥座入口兩側(cè)及閥芯邊緣與閥口內(nèi)壁之間的間隙內(nèi)，隨著開度的減小，空化區(qū)域的氣相體積逐漸增加， 空化程度達(dá)到最大。

圖5 不同關(guān)閥時(shí)刻氣相體積云圖

3.3 動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)空化結(jié)果對(duì)比

不同閥芯關(guān)閉速度下含氣率與開度的關(guān)系曲線如圖6所示。 從圖6可以看出，當(dāng)閥芯以一定的速度關(guān)閉時(shí)， 隨著閥芯的下降 （開度的減?。?， 閥內(nèi)的含氣率總體上呈先增大后減小的趨勢(shì)。 對(duì)比穩(wěn)態(tài)空化模擬， 兩者在相同的關(guān)閥速度下開度與閥內(nèi)含氣率的變化趨勢(shì)基本一致。

圖6 不同閥芯關(guān)閉速度下含氣率與開度的關(guān)系曲線

圖7為不同閥芯關(guān)閉速度下閥芯軸向力與開度的關(guān)系曲線。 從圖7可以看出，閥芯關(guān)閉速度對(duì)閥芯軸向力的影響較小。 當(dāng)開度大于21mm時(shí)，閥芯軸向力與開度成線性關(guān)系； 當(dāng)開度小于21mm時(shí)，由于介質(zhì)空化作用使得閥芯受力不均，軸向力出現(xiàn)非線性波動(dòng)。 對(duì)比穩(wěn)態(tài)空化模擬，兩者在相同的關(guān)閉速度下開度與閥芯軸向力的變化趨勢(shì)基本一致。

圖7 不同閥芯關(guān)閉速度下閥芯軸向力與開度的關(guān)系曲線

4 結(jié)論

4.1 關(guān)閥時(shí)閥芯邊緣與閥口內(nèi)壁之間的間隙易發(fā)生空化。 此處空化易破壞閥芯，造成閥門調(diào)節(jié)功能失效，從而危害工業(yè)的安全生產(chǎn)。

4.2 隨著閥開度減小， 通過(guò)閥口處的流體速度、閥芯邊緣與閥口內(nèi)壁之間的負(fù)壓區(qū)以及閥內(nèi)的含氣率都呈先增大后減小的趨勢(shì)。

4.3 不同關(guān)閥速度下含氣率和閥芯軸向力隨開度的變化趨勢(shì)基本一致，表明在一定范圍內(nèi)關(guān)閥速度對(duì)閥門空化基本無(wú)影響。

4.4 對(duì)比動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)空化過(guò)程，在相同關(guān)閥速度下含氣率和閥芯軸向力隨開度的變化趨勢(shì)一致，表明利用動(dòng)網(wǎng)格模擬關(guān)閥的動(dòng)態(tài)過(guò)程具有可行性。 該模擬方法可為研究其他運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)空化特性提供一定的參考。