基于FLUENT的閥體流道氣蝕現(xiàn)象研究與分析

張學(xué)領(lǐng)

摘要：氣蝕現(xiàn)象是流體運動過程中的特有現(xiàn)象，特別是在高壓大流量系統(tǒng)中，對流體控制元件有重大的影響。本文主要通過FLUENT軟件在不同閥板開度以及不同閥口形狀的情況下，對閥體內(nèi)部流道進行仿真分析，得出氣蝕對閥體內(nèi)壁的影響，并提出了設(shè)計閥體流道的主要注意事項。

關(guān)鍵詞：流道；氣蝕FLUENT；分析

前言

隨著工業(yè)技術(shù)的進步和發(fā)展，流體控制閥逐漸向高壓、大流量方向發(fā)展。而伴隨而來的就是設(shè)計工作者必須面對控制閥元件的氣蝕現(xiàn)象。氣蝕現(xiàn)象作為流體運動中的一種特有現(xiàn)象，首次由歐拉于1900年發(fā)現(xiàn)，此后許多科學(xué)工作者對其做了大量研究，并從不同方面對其產(chǎn)生機理得出了數(shù)種結(jié)論。這些結(jié)論有效指導(dǎo)了人們在工業(yè)應(yīng)用中如何減少或避免氣蝕現(xiàn)象對工件的損傷，其中對氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生機理影響比較大的結(jié)論有沖擊波機理、微射流機理、熱化學(xué)機理、電化學(xué)機理等。

氣蝕對流體控制閥有巨大的危害，它不僅會使閥在工作時產(chǎn)生振動和噪聲，在嚴重時甚至?xí)箖?nèi)部元件的疲勞破壞，造成安全事故。因此，對控制閥氣蝕現(xiàn)象的研究就對生產(chǎn)生活具有重大的現(xiàn)實意義。

1.閥體氣蝕現(xiàn)象

氣蝕是指流體在高速流動和壓力變化條件下，與流體接觸的金屬表面上發(fā)生洞穴狀腐蝕破壞的現(xiàn)象。由于大氣壓的作用，任何流體內(nèi)部都會溶解一定的空氣。當(dāng)溶解的空氣隨著流體運動時，如果流體的壓強低于液體蒸汽壓，此時溶解的空氣就會以氣泡形式析出。當(dāng)析出的氣泡繼續(xù)運動到流體壓強較高的地方時，氣泡就會被壓潰，氣泡的潰滅使氣泡內(nèi)所儲存的勢能轉(zhuǎn)變成較小體積內(nèi)流體的動能，使流體內(nèi)形成流體沖擊波。這種沖擊波會造成閥體流道內(nèi)部局部塑性變形，久而久之就會造成局部材料疲勞剝裂。由于流體內(nèi)部有細微顆粒的雜質(zhì)，在沖擊波的作用下，其會獲得一定的動能，沖擊流道內(nèi)壁，從而加劇內(nèi)壁腐蝕速度。

閥類零件作為流體系統(tǒng)的控制元件，通常是前端壓力高于后端壓力，而其內(nèi)部壓力變化最劇烈的地方則出現(xiàn)在閥板位置。這是因為在閥板位置，流通面積減少，而如果通過相同流量的話就必然流體速度增大，而流體速度的增大則會造成流體壓強的下降。圖1顯示了流體通過閥板前后的壓力變化情況。圖2顯示了閥體氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生過程圖。

圖1 流體經(jīng)過閥板壓力示意圖

圖2 氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生過程圖

2.閥體流道仿真與建模

2.1待分析閥原理介紹

圖3顯示為本文所分析的主閥示意圖。該閥通過外置先導(dǎo)閥控制閥板的開啟，彈簧起復(fù)位和設(shè)定最小開啟壓力作用。根據(jù)工作要求，先導(dǎo)閥會在初始時設(shè)定主閥開啟壓強Po，當(dāng)主閥進口壓強P1產(chǎn)生的作用力大于主閥上腔壓強Po產(chǎn)生的作用力與彈簧的初始預(yù)緊力之和時，閥板會向上運動，使主閥開啟。由于主閥的開啟使得流體作用在閥板上向上的作用力減小，當(dāng)其產(chǎn)生的作用力和閥腔上端與彈簧共同產(chǎn)生的反作用力達到平衡時，閥板維持在一定位置，系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)。

2.2閥體流道及網(wǎng)格劃分

圖4所示閥體三維剖視圖和內(nèi)部流道剖視圖，其中內(nèi)部流道剖視圖為閥板開啟高度10mm時的三維剖面圖。本文采用ANSYS系列軟件中的ICEM進行網(wǎng)格劃分，流道內(nèi)部采用四面體網(wǎng)格，流道表面建立邊界層，邊界層厚度為1mm。如圖5所示，其中網(wǎng)格單元數(shù)量為444207個，節(jié)點數(shù)量為107438個。

2.3計算條件

本文采用FLUENT軟件對閥體流道內(nèi)部流體進行分析。根據(jù)計算流體力學(xué)理論，采用以下假設(shè)：①流體介質(zhì)為自來水，其計算參數(shù)如表1所示；②流體為不可壓縮的牛頓流體；③流動狀態(tài)為湍流，計算采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型；④計算采用壓強入口和壓強出口形式。

3.結(jié)果分析

圖6中顯示了閥板為平面時的壓強和速度分布圖。從中壓強分布圖可以看出，當(dāng)流體通過閥口時，會在閥體截面變換處產(chǎn)生負壓，此時溶解在流體內(nèi)部的空氣會析出。當(dāng)流體經(jīng)過閥口繼續(xù)向出口運動時，壓力逐漸升高，此時析出的氣泡會在壓力作用下壓潰，從而對閥體造成影響。從流速分布圖可以看出，流體會在閥體近出口的底部部位形成旋渦，從而產(chǎn)生噪聲和對閥體產(chǎn)生沖刷，影響閥體的使用壽命。

圖6 閥板為平面時壓強和速度分布圖

圖7顯示了閥板為錐形時的壓強和速度分布圖。與圖6進行對比，發(fā)現(xiàn)錐形閥板明顯改善了閥體流道的壓強分布，提高了流體經(jīng)過閥板時的壓強，使氣泡析出的難度增大。從速度云圖上可以發(fā)現(xiàn)，流體經(jīng)過閥板后，在流體中間部位形成旋渦，減少了對閥體底部的沖刷作用，能提高閥體的使用壽命。

圖8顯示了將閥口降低后的壓強和速度分布圖。與圖6進行對比，降低閥口高度也能改善閥體流道的壓強分布，提高了流體經(jīng)過閥板時的壓強，使氣泡析出的難度增大。從速度云圖上可以發(fā)現(xiàn)，流體經(jīng)過閥板后，很快形成旋渦，會對閥板及閥座造成一定的影響，影響閥的使用性能，但是從提高閥體使用壽命來看，它是有利的。

對比圖7和圖8的結(jié)果可知，將閥板改成錐形時，流道方向的改變從直角變成鈍角，改善了流體的流動特性，因此在設(shè)計閥體時，就要盡量避免流道方向的突然改變，最好的選擇是將閥體上端出口軸線與水平方向設(shè)計成銳角，并向出口方向傾斜。

4.結(jié)論

對于閥體的設(shè)計，在實際工作中往往是各種因素的綜合考量和取舍，比如材料、工況等。本文僅從理論方面對閥體進行了理論分析，得出了設(shè)計閥體時應(yīng)注意的幾個要點，對實際工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。以下是在閥體的設(shè)計過程中應(yīng)該注意的幾個要點：

4.1流道方向的改變應(yīng)避免急劇變化，流道截面變化應(yīng)平緩。

4.2流道應(yīng)采用圓角過渡，避免設(shè)計成銳角。

4.3流道盡量避免有凸起或凹槽。

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