周 霞 植曉琴 高 旭 劉巖云 陳 虹 王 凱 邱利民

(1 浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

(2 浙江省制冷與低溫技術(shù)重點實驗室 杭州 310027)

(3 航天低溫推進劑技術(shù)國家重點實驗室 北京 100028)

1 引 言

閥門工作狀態(tài)的頻繁變更將導(dǎo)致流體傳輸管道的非定常流動,同時,閥門喉部空化所產(chǎn)生的瞬間高壓將對閥體產(chǎn)生強烈沖擊,引起閥門噪音、振動及閥內(nèi)件損壞,從而對液體輸運系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生很大的影響,嚴重時甚至危害設(shè)備的正常運行[1]。因此,閥門空化特性研究非常必要。

目前,閥門空化的研究主要集中在常溫流體閥內(nèi)空化特性研究、閥結(jié)構(gòu)及邊界條件對空化的影響、閥門設(shè)計優(yōu)化和閥內(nèi)空化對振動的影響等4 個方面。針對閥內(nèi)空化特性研究,Tabrizi 等[2]通過CFD 模擬比較了球閥內(nèi)水工質(zhì)在不同開度下的流動規(guī)律,發(fā)現(xiàn)空化區(qū)位于球閥低壓回流區(qū),并通過空化系數(shù)揭示了空化發(fā)生的臨界條件。針對閥結(jié)構(gòu)和邊界條件對空化的影響,Jin 等[3]利用CFD 軟件研究了不同速度、不同閥芯位置時先導(dǎo)式截止閥內(nèi)水的空化特性,并指出較大的彎曲半徑、偏移距離、圓弧曲率及較小的進口速度都可以降低氣蝕強度。針對閥門結(jié)構(gòu)優(yōu)化,Gholami 等[4]研究了針閥尾部環(huán)形葉片外傾角對空化強度和形成位置的影響,發(fā)現(xiàn)葉片外傾角增加到70°以上可以顯著降低空化強度,但也會導(dǎo)致流量系數(shù)的降低。Ko 等[5]提出增加最窄間隙面積與進口面積的比值和減小最窄間隙長度的方式來減弱電磁閥內(nèi)液態(tài)油的空化強度,所優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)可以使閥內(nèi)最大蒸氣體積分數(shù)從0.74 降低到0.051。對于空化和振動,Kumagai 等[6]用液態(tài)油進行了一系列高速可視化實驗研究,提出了氣泡波動和環(huán)形渦的作用是引起提升閥振動的主要原因。

低溫流體和常溫液體的物性差異巨大[7],低溫流體空化蘊含更復(fù)雜的物理機理。以液氮和水為例,水的液氣密度比比液氮高了2 個數(shù)量級,同時,水的粘度、表面張力都比液氮的大了1 個數(shù)量級。這一方面說明要產(chǎn)生同樣體積的空化云團,所需消耗的液氮體積遠大于水。另一方面,由于液氮表面張力和粘度對氣泡破裂的影響,將會導(dǎo)致氮蒸氣氣泡破裂和水蒸氣氣泡破裂呈現(xiàn)不同特性。低溫液體是現(xiàn)代工業(yè)及醫(yī)療航天等領(lǐng)域生產(chǎn)運行的重要保障[8],目前針對低溫液體的空化現(xiàn)象研究主要集中在管道、水翼、文氏管等簡單結(jié)構(gòu)。針對低溫流體閥內(nèi)空化,Pinho等[9]利用數(shù)值模擬比較了低溫閥內(nèi)水和液氮的液體壓力恢復(fù)系數(shù),發(fā)現(xiàn)兩者在單相區(qū)液體壓力恢復(fù)系數(shù)基本一致,而在氣蝕區(qū)則相差1%左右,這說明利用水來代替液氮進行低溫氣蝕預(yù)測是不準確的。Lin 等[10]利用動網(wǎng)格研究了LNG 站球閥快速開閉狀態(tài)下的氣蝕特性,結(jié)果表明閥門開度低于20°時氣蝕引起的壓降最大,其后隨著閥門開度增加,壓降急速減小。目前針對低溫閥門研究較少,仍需對不同結(jié)構(gòu)和不同低溫流體的閥內(nèi)空化特性進行進一步研究。

本研究以低溫截止閥為研究對象,液氮為研究工質(zhì),利用CFD 軟件探討了低溫截止閥內(nèi)液氮的空化特性,并進一步分析了閥門系統(tǒng)壁面的平均壓力和最大壓力幅值,揭示了不同開度下壁面最易受到損傷的位置。研究結(jié)果將為低溫流體閥門的設(shè)計和輸運系統(tǒng)的穩(wěn)定操作提供指導(dǎo)。

2 數(shù)值模型

2.1 閥門結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分

管路中的低溫截止閥通常采用低溫短軸截止閥,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1a 所示,包括閥門上游、閥體(擋板、閥喉、閥桿、閥座、閥芯和閥腔)以及閥門下游。考慮到低溫流體粘性的影響,網(wǎng)格中加入邊界層網(wǎng)格,如圖1b 所示。為了保證閥門前后流場充分發(fā)展,計算域中閥門上下游連接管道長度均為10D(500 mm)。

圖1 低溫截止閥結(jié)構(gòu)簡圖和二維模型網(wǎng)格圖Fig.1 Schematic structure and two-dimensional model of cryogenic globe valve

2.2 控制方程

在前人的研究中已發(fā)現(xiàn)對比標準k-ε模型,realizablek-ε模型包括強流線曲率、渦和旋轉(zhuǎn)等流動特征,顯示出更優(yōu)越的流動計算求解能力[11-12],因此本研究采用了realizablek-ε模型。k和ε的輸運方程如下[13]:

式中:nb為單位體積液體中的氣泡數(shù);rb為氣泡半徑,m。

同時,文中采用簡化的Rayleigh-Plesset 方程用于推導(dǎo)rb關(guān)于時間的演化速率[13]

式中:Pv為當(dāng)?shù)仫柡驼魵鈮?Pa,P為流體實際壓力,Pa,ρl和ρv分別為液相和氣相密度,kg/m3。

所以名義質(zhì)量源項R最終表達式為:

Zhu 等[14]的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)nb為108時,模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)更加一致,故本研究中nb取值108。

相變傳質(zhì)的最終方程如下:

式中:Re和Rc分別表示和氣泡的生長和潰滅有關(guān)的傳質(zhì)源項。

2.3 邊界條件和求解方法

利用ANSYS Fluent 15.0 來求解上述數(shù)值模型。設(shè)置了速度進口和壓力出口以及無滑移絕熱壁面邊界條件。根據(jù)常規(guī)低溫液體輸運速度要求,設(shè)置進口速度為5 m/s,出口壓力為標準大氣壓力。計算中液氮物性如表1 所示。壓力-速度耦合求解采用PISO算法。殘差收斂判據(jù)為10-3,時間步長取為10-5s,滿足每一時間步迭代的殘差要求。

表1 液氮在77 K 下的典型物性[7]Table 1 Physical properties of nitrogen at 77 K

3 模型驗證和網(wǎng)格無關(guān)性驗證

考慮到目前沒有低溫截止閥空化相關(guān)的實驗數(shù)據(jù),且閥內(nèi)空化和水翼空化原理相同,故本文中采用水翼的液氮空化來驗證該數(shù)值模型的可靠性。根據(jù)Hord[15]進行的水翼實驗,采用上述數(shù)值模型進行模擬,計算工況為290C 組,設(shè)置速度進口23.9 m/s,壓力出口和絕熱邊界條件。圖2 為水翼結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格示意圖。模擬結(jié)果和NASA 實驗數(shù)據(jù)對比如圖3?？梢钥吹?模擬結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)較為一致,證明該模型適用于液氮空化模擬。

圖2 水翼結(jié)構(gòu)簡圖和網(wǎng)格示意圖Fig.2 Schematic structure and grid of hydrofoil

圖3 液氮空化模型驗證Fig.3 Verification of liquid nitrogen cavitation model

在此基礎(chǔ)上,劃分了數(shù)量和平均尺寸分別為175 879,246 288,563 764 和0.5 mm,0.8 mm,1.0 mm的3 套網(wǎng)格進行截止閥的網(wǎng)格無關(guān)性驗證。在閥內(nèi)設(shè)置監(jiān)測點,比較不同網(wǎng)格數(shù)下各監(jiān)測點的平均壓力如圖4,根據(jù)網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果,之后的模擬中采用網(wǎng)格數(shù)量為246 288 的網(wǎng)格。

圖4 低溫截止閥網(wǎng)格無關(guān)性驗證Fig.4 Verification of grid independence

4 結(jié)果討論

4.1 不同開度下壓力、氣液相和速度分布圖

由于閥門上游管道是非空化區(qū),其流態(tài)變化小,所以在以下討論中僅考慮閥門和下游連接管道區(qū)域。圖5、圖6 和圖7 分別是不同開度下低溫截止閥內(nèi)液氮空化的壓力、氣液相和速度場分布圖?？梢钥吹?隨著閥門開度的增大,閥內(nèi)壓力變化很大,其最大壓力從6 ×105Pa 下降到2 ×105Pa。同時,閥門上游和下游壓力相差巨大,開度為33% 時上游管道壓力達到下游管道壓力的6 倍。這是因為,液氮經(jīng)過閥喉后發(fā)生空化,閥腔和下游管道中液氮蒸氣的存在使得閥門上游管道壓力遠大于閥腔和閥門下游壓力。除此之外,閥腔中的低壓區(qū)隨開度的增加而逐漸縮小,開度為100%時低壓區(qū)僅存在于左閥腔,然而閥芯與閥座之間的低壓區(qū)則逐漸增大。這與圖6 中閥腔內(nèi)的氣液相分布是一致的。結(jié)合圖8 不同閥門開度下的流線圖,可以看到,在不同開度下左擋板和閥座連接處、閥腔內(nèi)及下游管道右擋板處總均有渦存在。由于漩渦中心速度低于外部流體速度,所以蒸氣在這些地方積聚,所以這些區(qū)域呈現(xiàn)為低壓區(qū)和蒸氣區(qū),如圖5 和圖6 所示。同時,隨著開度的增大,即閥喉面積的增大,左閥喉處渦面積增大,所以閥喉低壓區(qū)和蒸氣區(qū)的面積逐漸增大。而開度增加導(dǎo)致空化后生成蒸氣體積減小,閥腔內(nèi)蒸氣被閥芯上方出現(xiàn)的渦旋回流帶走,故閥腔內(nèi)蒸氣區(qū)域向左逐漸縮小。

圖5 低溫截止閥內(nèi)壓力分布圖Fig.5 Pressure distribution in cryogenic globe valve

圖6 低溫截止閥內(nèi)氣液相分布圖(1 代表氣相)Fig.6 Vapor fraction distribution in cryogenic globe valve under various openings (1 stands for gas)

圖7 低溫截止閥內(nèi)速度分布圖Fig.7 Velocity distribution in cryogenic globe valve under various openings

圖8 低溫截止閥內(nèi)流線圖Fig.8 Streamlines in cryogenic globe valve

值得注意的是,圖6 中下游管道區(qū)域,閥門開度為33%時,液氮以射流的形式進入閥門下游,而在另外兩個開度下則呈現(xiàn)劇烈的波動。結(jié)合圖7,這可能是因為閥門開度為33% 時,進入下游管道的液氮流速很大,所以呈射流狀進入下游管道。而隨著開度的增大,閥門節(jié)流效果減弱,進入下游管道的液體增多且其流速降低,蒸氣和液體的相互作用增強,最終形成氣液界面處的明顯波動。

以上討論表明,閥門左右擋板由于兩側(cè)巨大壓差,由此產(chǎn)生的扭矩容易導(dǎo)致?lián)醢鍙澢冃紊踔翑嗔?。同時由于蒸氣的形成和消失,左擋板、閥芯以及下游管道頂部表面易受氣蝕影響而剝落。與此同時,閥門系統(tǒng)劇烈的氣液相變將導(dǎo)致流體輸送流量不穩(wěn)定,且易引發(fā)管道系統(tǒng)的噪聲和振動。

4.2 開度33%時壁面壓力分析

平均壓力是閥門工作過程中,流體對壁面的平均作用力,它可以為閥門強度校核提供參考。壓力幅值是流體對閥壁的瞬時沖擊變化程度,它將會導(dǎo)致壁面的疲勞損傷。因此,在以下研究中分析了閥壁平均壓力,并采用快速傅立葉變換(FFT)分析了不同開度下的壓力幅值?？焖俑凳献儞Q(FFT),是離散傅氏變換(DFT)的快速算法,可將數(shù)據(jù)從時域轉(zhuǎn)換到頻域。根據(jù)圖5、圖6、圖7 中結(jié)果,發(fā)現(xiàn)閥門開度33%時空化強度最強,因此首先對閥門開度33% 時空化現(xiàn)象進行了更詳細的分析。

圖9 為閥內(nèi)壁面和下游管道壁面壓力隨時間變化圖。在圖9 中,除監(jiān)測點p2 和p7 外,閥體(p1 至p5)的壓力通常大于閥門下游(p6 至p10)和下游管道(p11 至p16)的壓力。同時,監(jiān)測點p1 的壓力遠大于其它各監(jiān)測點的壓力。這是因為閥內(nèi)和閥門下游經(jīng)過了空化和流動損失,造成較大壓損。結(jié)合圖6,監(jiān)測點p7 雖然位于閥門下游,但閥腔中流體和右閥喉的流體的混合使監(jiān)測點p7 的壓力大于p5 的壓力,而監(jiān)測點p2 始終位于蒸氣區(qū)使其壓力小于閥內(nèi)其余各點壓力。值得注意的是,在圖6 中右閥喉處在不同開度下都為液相區(qū)(p3),同時左閥腔頂部有一層流體附著(p4,p5),因此可以推斷監(jiān)測點p1、p3、p4、p5 都位于液體區(qū)域,其壓力波動即為液體的壓力脈動。監(jiān)測點p7、p8、p11、p12 壓力也呈現(xiàn)明顯波動,可以推測這些點位于液相區(qū)。監(jiān)測點p2、p6、p9 和p10 的壓力始終保持在飽和壓力,即始終位于氣相區(qū)。監(jiān)測點p13 和p14 的壓力在最小值處保持一段時間后才波動,這表明氣泡在這些點發(fā)生破裂。監(jiān)測點p15 和p16 的壓力波形與液相區(qū)的壓力波形相似,而在圖6 中,這兩個點始終位于蒸氣區(qū),這可能是因為對于均相流模型,氣液兩相的速度和壓力是均勻的,所以監(jiān)測點p15、p16 的壓力波形和監(jiān)測點p1 相似,但其壓力數(shù)值遠小于p1。

圖9 閥內(nèi)壁面和下游管道壁面壓力隨時間變化Fig.9 Monitoring points pressures of valve and downstream pipe

綜上所述,在33%開度下,監(jiān)測點p1 和p7 處壓力幅值大,說明閥體底部和閥門下游頂部由于受到較大幅值的壓力沖擊,易發(fā)生疲勞磨損。監(jiān)測點p2 和p6 雖然始終保持在飽和壓力,但從圖7 中可以看到這兩個監(jiān)測點周圍都是液體,故和監(jiān)測點13、14 相似,氣泡的破裂發(fā)生在這些區(qū)域,即左擋板處和底座連接處、右閥腔和閥門下游連接處以及下游管道出口頂部易受到氣蝕沖擊。雖然監(jiān)測點p9 和p10 也始終保持在飽和壓力,但和監(jiān)測點p2 和p6 不同,其周圍仍是大量氣體,狀態(tài)相對穩(wěn)定,故基本不受氣蝕影響。同時,監(jiān)測點p1 和p4 及p9 之間的巨大壓差,同樣證明了左右擋板易受扭矩作用而彎曲甚至斷裂。此外監(jiān)測點p1 平均壓力值可作為閥門強度校核的參考。33%開度下閥門系統(tǒng)易受損傷部位總結(jié)如圖10所示。

圖10 33%開度下低溫截止閥內(nèi)易受損害部位示意圖Fig.10 Positions vulnerable to damage under opening 33%

4.3 不同開度下平均壓力和壓力幅值分析

圖11 進一步研究了不同開度下各監(jiān)測點的平均壓力和最大壓力幅值。在圖11a 中,除了33% 開度外,不同監(jiān)測點的平均壓力在不同開度下的變化趨勢相似,而圖11b 中不同開度下最大壓力幅值則呈現(xiàn)更為復(fù)雜的變化趨勢。在圖11a 中,在任意開度下,監(jiān)測點p1 平均壓力始終高于其余監(jiān)測點,同時,在33%開度下,p3 高于除p1 外其余監(jiān)測點,而在開度50%—100%的情況下,則為p4 高于除p1 外其他監(jiān)測點。這是因為,監(jiān)測點p1 位于上游非空化區(qū),故其平均壓力最大。同時,在開度50%—100% 的情況下,監(jiān)測點p3 位于右擋板與閥座的連接處,易受下游氣體的影響,而監(jiān)測點p4 則位于閥腔頂部液體附著區(qū),故監(jiān)測點p3 平均壓力低于監(jiān)測點p4。而在開度33%時,節(jié)流后流體的流速遠大于其余開度,此時節(jié)流產(chǎn)生的氣體被快速帶走,故開度33%時監(jiān)測點p3受下游氣體影響小,故開度33%時監(jiān)測點p3 平均壓力大于監(jiān)測點p4。由于氣泡的生成、發(fā)展、潰滅以及氣液相互作用等因素影響,各監(jiān)測點最大壓力幅值變化情況非常復(fù)雜,其總體趨勢為監(jiān)測點p1、p4、p7 的最大壓力幅值在各開度下均明顯高于其他監(jiān)測點,如圖11b 所示。此外,和上節(jié)閥門開度為33% 的情況類似,和閥體部分(除監(jiān)測點p2)相比,下游各監(jiān)測點(p8—p16)的平均壓力和最大壓力幅值都非常小,這是節(jié)流后能量損失大以及下游空化區(qū)壓力和周圍液體壓力接近等因素綜合導(dǎo)致的,結(jié)合氣液相圖6 和上節(jié)中的討論,可認為左擋板(p2)和下游管道出口頂部(p6、p13、p14)位于氣泡破裂區(qū),其壁面易受到氣蝕剝蝕。值得注意的是,監(jiān)測點p1 和p2、p7 之間平均壓力的巨大差值表明,不論什么開度,上下游的巨大壓差均會使擋板因扭矩作用而變形甚至斷裂。最后,將閥門系統(tǒng)容易遭到損傷及其位置歸納在表2 中。

表2 閥門系統(tǒng)各部位受到損傷示意圖Table 2 Positions vulnerable to be damaged

圖11 不同開度下各監(jiān)測點平均壓力和最大壓力幅值Fig.11 Average wall pressure and maximum pressure amplitude under various openings

5 結(jié) 論

本研究通過數(shù)值模擬研究了液氮在低溫截止閥中的空化現(xiàn)象,研究了不同閥門開度下閥內(nèi)流體的壓力、氣液相、速度場,并進一步對壁面壓力進行分析。結(jié)論如下:

(1) 隨著開度的增大,流體壓力、氣相體積分數(shù)和流體速度都明顯減小。閥門上游壓力約為下游壓力的6 倍。氮蒸氣主要分布在閥腔及閥門下游底部。

(2) 氮蒸氣與液氮的相互作用隨著閥門開度的增大而增強,形成波動,容易在下游連接管內(nèi)引起嚴重的氣液相轉(zhuǎn)變,在輸送流體時造成輸送流量不穩(wěn)定和空化沖擊。

(3) 閥體底部、左閥室、下游管道頂部等表面因較大幅值的壓力脈動沖擊影響,易造成疲勞磨損。左擋板與閥座的連接處、閥門下游管道頂部、下游連接管道出口頂部等都因氣泡破裂影響而易發(fā)生氣蝕剝蝕。此外,閥體底部、左閥腔、右擋板和閥座連接處等部位因承壓大應(yīng)適當(dāng)加固。