防空化調(diào)節(jié)閥特性分析與閥芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(南京工業(yè)大學機械與動力工程學院， 江蘇南京 211816)

引言

調(diào)節(jié)閥在工業(yè)系統(tǒng)中起到控制流量、改變流向等作用。普通的單級調(diào)節(jié)閥所能承受的最大壓力較小，容易出現(xiàn)空化，閃蒸等現(xiàn)象[1],難以滿足高壓工況的使用要求。多級減壓調(diào)節(jié)閥以流量控制穩(wěn)定，耐高壓等優(yōu)點廣泛地應用在各種工業(yè)系統(tǒng)中[2]，也被稱為防空化調(diào)節(jié)閥。

鑒于多級降壓結(jié)構(gòu)的構(gòu)造較為復雜，如何在保證流量特性的情況下對其進行結(jié)構(gòu)改進是當前研究的難點。尚宣[3]研究角式調(diào)節(jié)閥在單相流狀態(tài)下的空化情況，并通過數(shù)值模擬技術(shù)找到產(chǎn)生空化現(xiàn)象的主要部位，分析產(chǎn)生空化的原因，為角式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)改進打下理論基礎。王燕[4]針對由空化現(xiàn)象引起的噪聲、振動等危害， 介紹了串級式調(diào)節(jié)閥、迷宮式調(diào)節(jié)閥、多級套筒式調(diào)節(jié)閥等多級降壓調(diào)節(jié)閥的類型和結(jié)構(gòu)特點，對其降壓原理和適用的場合進行了歸納論述。何秋嶺[5]以多級降壓調(diào)節(jié)閥為研究對象，根據(jù)工況計算出調(diào)節(jié)閥理論上的流量系數(shù)Cv和所需的降壓級數(shù)，并運用CFD技術(shù)將仿真得到的流量特性與理論上的流量特性作對比，證明計算結(jié)果的準確性。高強[6]為解決高壓降調(diào)節(jié)閥的空化問題，依據(jù)多級降壓調(diào)節(jié)閥的降壓原理設計了兩種不同的多級降壓結(jié)構(gòu)，使流體分別沿60°和90°的角度向下流動。計算后發(fā)現(xiàn)將閥內(nèi)每一級的壓降限制在5 MPa之下，可以大大減少噪聲和磨損。

本研究運用CFD技術(shù)對多級降壓調(diào)節(jié)閥的流量特性進行分析，計算出兩種閥芯結(jié)構(gòu)下各自產(chǎn)生空化現(xiàn)象的臨界壓差，從而比較兩種結(jié)構(gòu)的防空化性能，對其他防空化調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)改進具有重要參考價值。

1 結(jié)構(gòu)特點與優(yōu)化

圖1為常見的串級型降壓結(jié)構(gòu)，其中閥芯為3級降壓結(jié)構(gòu)，每一級都可以看作是孔板節(jié)流，將閥內(nèi)流道分為多個節(jié)流區(qū)域，且各區(qū)域保持串聯(lián)。

圖1 多級降壓結(jié)構(gòu)與閥芯

在調(diào)節(jié)閥進出口壓降一定時，每級限制的壓力降與級數(shù)成比例關系。當閥芯開啟后,閥座密封面到節(jié)流級的壓降轉(zhuǎn)化成能量損失，閥門前后的實際壓差沿著閥芯的軸線方向逐級降低。當閥門關閉時，多級降壓調(diào)節(jié)閥相當于有多個單座閥的閥口同時被關閉，增強密封性能[7]。

圖2、圖3為改進前、后多級降壓調(diào)節(jié)閥的降壓特性，與單級調(diào)節(jié)閥相比，當進出口壓差相同時，多級降壓調(diào)節(jié)閥可以對各級流體的壓力變化進行限制，將各級壓力控制在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，而改進后的多級降壓閥芯使閥內(nèi)壓力逐級降低，將總壓差轉(zhuǎn)化為多個較小的壓差，避免最小壓力低于飽和蒸汽壓[8-9]，減小空化現(xiàn)象出現(xiàn)的概率。

如圖4所示，多級降壓閥門是在普通的單級角式調(diào)節(jié)閥的基礎上引入串聯(lián)型多級降壓結(jié)構(gòu)，并對傳統(tǒng)的多級降壓閥芯進行結(jié)構(gòu)改進。以下提出兩種不同的閥芯結(jié)構(gòu)，如圖3所示閥芯一末端的閥芯型線[10]具有典型的等百分比流量特性，而閥芯二則是通過大量實驗所得到的閥芯結(jié)構(gòu)，其閥芯末端的加工更為簡單。以下將采用仿真實驗的方法對兩種閥芯結(jié)構(gòu)下調(diào)節(jié)閥的流場情況進行模擬。

圖2 傳統(tǒng)多級降壓調(diào)節(jié)閥的降壓特性原理

圖3 改進后多級降壓調(diào)節(jié)閥的降壓特性原理

圖4 兩種不同的閥芯結(jié)構(gòu)

2 數(shù)學模型與方法

2.1 模型與閥芯優(yōu)化

多級減壓調(diào)節(jié)閥計算模型的額定參數(shù)如下：進口直徑為25 mm，額定的行程為20 mm。工作介質(zhì)為20 ℃ 水，設計為流閉型閥門。閥桿直徑為24 mm。閥座密封面半錐角θ=45°，流道角度α=45°。如圖5所示，流體域采用四面體網(wǎng)格進行劃分，而最后一級的閥芯與閥座交界面處的網(wǎng)格需要加密處理。

圖5 流體域網(wǎng)格

2.2 控制方程

空化是由于流場中局部壓力低于流體飽和蒸汽壓，液體汽化并產(chǎn)生氣體或蒸汽的空穴現(xiàn)象[11]，空化模型分為兩種，一種是完全空化模型，其模擬的結(jié)果準確且收斂性好，現(xiàn)在已經(jīng)成為主流計算流體力學軟件Fluent中的基本模型之一，該模型考慮了氣泡動力學，汽化流動中的相變、湍流壓力脈動和流體中微量的不凝結(jié)性氣體的影響[12]，下面是空化模型的幾個關鍵方程[13]：

蒸汽汽泡相連續(xù)性方程：

(1)

式中，v—— 速度矢量

Γ—— 有效變換系數(shù)

Re—— 汽泡的生成和膨脹的相變率

Rc—— 汽泡的壓縮和破裂的相變率

Re和Rc從描述汽泡在液體中的運動特征的Rayleigh-Plesset方程推導得出：

(2)

(3)

式中，Ce,Cc—— 相變率系數(shù)

σ—— 飽和液體的表面張力系數(shù)

ρv—— 液體飽和蒸汽壓

p—— 產(chǎn)生汽泡區(qū)域的壓強

2.3 計算方法

閥內(nèi)的空化現(xiàn)象在本質(zhì)上屬于多相流，涉及到多相流模型的選擇，F(xiàn)luent主要有混合模型、雙歐拉模型、VOF模型等。選擇混合模型作為多相流模型[14-15]，湍流模型采用標準湍流模型，壁面無滑移，近壁區(qū)域采用標準壁面函數(shù)。主相設置為水，視為不可壓縮流體，計算過程中不考慮重力的影響，第二相設置為水蒸氣。

采用非耦合求解器進行求解，為了提高汽化計算的速度和計算穩(wěn)定性，通常先進行湍流流動的定常計算[16]，在計算穩(wěn)定后通過程序語言調(diào)用空化模型求解空化現(xiàn)象的發(fā)生情況，計算中水溫設定為293.15 K(約為20 ℃)，水的飽和蒸汽壓ρv=2334.6 Pa，水的密度ρ=998 kg/m3，蒸汽汽泡的表面張力為0.07166 N/m。為了使分離式求解器加速收斂和控制每個迭代步所計算流場變量的更新值，各求解變量的松弛因子要做適當調(diào)整，隨著進口壓力的不同，松弛因子也可以做適當變化[17-18]，這樣可以避免殘差值的波動和發(fā)散。

3 計算結(jié)果

3.1 流量特性分析

閥門通常用流量系數(shù)作為衡量流通能力的指標，流量系數(shù)越大，說明閥門的流通能力越大。在Fluent軟件中調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)計算公式[19]為：

(4)

式中，Kv—— 閥門流量系數(shù)

Δp—— 壓降，100 kPa

Q—— 某一開度下進口體積流量，kg/s

G—— 介質(zhì)比重，常溫水取1

當進口壓力為0.55 MPa，出口壓力為0.15 MPa時，通過Fluent軟件計算得到閥門在各開度下的流量數(shù)據(jù)，代入公式后的計算結(jié)果如表1和表2所示，并繪制相應的流量特性曲線圖，如圖6所示。

表1 結(jié)構(gòu)一的模擬結(jié)果

表2 結(jié)構(gòu)二的模擬結(jié)果

圖6 流量特性曲線圖

對比流量特性曲線可知兩種閥芯結(jié)構(gòu)下的調(diào)節(jié)閥都滿足等百分比流量特性。且在常用開度(30%～70%)下第2種閥芯結(jié)構(gòu)的流量系數(shù)更高。

3.2 空化現(xiàn)象比較

1) 30%開度下的空化情況比較

當閥內(nèi)某處壓力小于飽和蒸汽壓時，便會有部分流體發(fā)生汽化，并在液體中形成氣泡。氣泡越多證明空化現(xiàn)象越嚴重[20]。模擬時設定進口氣相體積分數(shù)為0，出口壓力為0.15 MPa。

以30%為例，通過多次模擬發(fā)現(xiàn)第1種閥芯結(jié)構(gòu)下的閥門在進口壓力為0.9 MPa時閥內(nèi)無氣泡產(chǎn)生，而進口壓力為0.95 MPa時有輕微空化現(xiàn)象產(chǎn)生。如圖7所示，閥芯與閥座處的最大氣相體積分數(shù)分別為5e-25,2e-29。

圖7 30%開度，0.95 MPa時結(jié)構(gòu)一的氣相體積云圖

再通過多次模擬發(fā)現(xiàn)第2種閥芯結(jié)構(gòu)下的調(diào)節(jié)閥在進口壓力為1.1 MPa時無空化現(xiàn)象產(chǎn)生，而在進口壓力為1.15 MPa時有空化現(xiàn)象發(fā)生。表明第2種閥芯結(jié)構(gòu)下的多級降壓調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生空化現(xiàn)象的臨界壓差大于第1種結(jié)構(gòu)下的調(diào)節(jié)閥。

圖8為30%開度，進口壓力為1.15 MPa時兩種閥芯結(jié)構(gòu)的空化現(xiàn)象云圖，可見采用第1種閥芯結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥所產(chǎn)生的最大氣相體積分數(shù)大于第2種閥芯結(jié)構(gòu)。

圖8 30%開度，1.15 MPa時結(jié)構(gòu)一的氣相體積云圖

圖9 30%開度，1.15MPa時結(jié)構(gòu)二的氣相體積云圖

2) 70%開度下的空化情況比較

再以70%開度為例，當進口壓力為1.15 MPa，出口壓力為0.15 MPa時，兩種閥芯結(jié)構(gòu)下的空化現(xiàn)象云圖如圖10所示，采用第1種閥芯結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥所產(chǎn)生的最大氣相體積分數(shù)依然大于采用第2種閥芯結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥。

圖10 70%開度，1.15MPa時結(jié)構(gòu)一的氣相體積云圖

并以常用開度30%～70%為例，繪制不同閥芯結(jié)構(gòu)下閥內(nèi)最大氣相體積分數(shù)Φ的變化曲線如圖12所示。

圖11 70%開度，1.15MPa時結(jié)構(gòu)二的氣相體積云圖

圖12 最大氣相體積分數(shù)變化曲線圖

根據(jù)兩種不同閥芯結(jié)構(gòu)下調(diào)節(jié)閥內(nèi)的空化現(xiàn)象云圖和最大氣相體積分數(shù)可知：空化現(xiàn)象主要發(fā)生在閥芯與閥座交接面上，而且閥座表面的氣相體積分數(shù)多于閥芯表面。

4 結(jié)論

以防空化調(diào)節(jié)閥為研究對象，提出兩種新的串級式閥芯結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬技術(shù)得到不同開度下的流量數(shù)據(jù)，繪制出各自結(jié)構(gòu)下的流量特性曲線。并通過數(shù)值模擬得到兩種閥芯結(jié)構(gòu)下各自產(chǎn)生空化現(xiàn)象的臨界壓力。得出結(jié)論如下：

(1) 采用第2種閥芯結(jié)構(gòu)的多級降壓調(diào)節(jié)閥同樣滿足等百分比流量特性，在常用開度下(30%～70%)其流量系數(shù)大于第1種閥芯結(jié)構(gòu)，流通能力更強；

(2) 當進出口的壓力條件不變時，調(diào)節(jié)閥的開度越大，閥內(nèi)越容易產(chǎn)生空化現(xiàn)象；產(chǎn)生空化現(xiàn)象的主要部位在最后一級減壓區(qū)域的的閥座與閥芯的交界面上，而且閥座表面的空化現(xiàn)象比閥芯表面更為嚴重；

(3) 通過仿真模擬發(fā)現(xiàn)第2種閥芯結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生空化現(xiàn)象的臨界壓力值更大；相同壓力條件下，結(jié)構(gòu)一的空化現(xiàn)象更嚴重，證明采用第2種閥芯結(jié)構(gòu)的多級降壓調(diào)節(jié)閥的防空化能力更好。對調(diào)節(jié)閥的壽命起到了積極的作用，為以后同類閥門的優(yōu)化提供參考。