極地船蝶閥及管道內不同開度下海水—冰晶兩相流流場特性及沖蝕數值模擬

徐 立，羅 梁，張詩潔，尹石軍，杜鵬程

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063;(2.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226100)

極地船在浮冰較多的海域航行時，破冰后產生大量細小的冰晶，與液相海水形成海水—冰晶兩相流進入海水的冷卻管系中，細小的固態冰晶會對海水管路及與管路中連接的閥門等設備造成嚴重的沖蝕磨損[1]。蝶閥在船舶上的運用非常廣泛，主要起調節和切斷海水介質的作用[2]，而沖蝕磨損是其常見失效形式。

本文選取極地船海水冷卻管系中蝶閥及連接管路為對象，利用Fluent模擬出蝶閥在分別在 30°(小開度)、60°(大開度)和90°(全開)的開度下，海水—冰晶兩相流在其中的流場特性和沖蝕磨損，為極地船舶的安全性提供參考。

1 數學模型

1.1 離散相軌道模型

離散相冰晶顆粒的軌道通過公式(1)求解：

(1)

式中,u和up分別為連續相海水和顆粒相冰晶的運動速度；ρ和ρp分別為海水和冰晶的密度；gx為x方向重力加速度；FD(u-up)為質量曳力；Fx為x方向上的其他作用力，包括質量力、熱泳力、布朗力等。

1.2 沖蝕模型

本文采用Tabakoff等提出的沖蝕模型：

(2)

f(θ)=5.4θ-10.11θ2+10.93θ3-6.33θ4+1.42θ5,

(3)

式中,ER為管壁沖蝕磨損率；N為撞擊壁面的冰晶粒數；mp為冰晶質量流量；f(θ)為撞擊角的函數；Aface為管壁計算面積；b(v)為相對速度的函數；C(dp)為粒徑函數；θ為撞擊角。

1.3 壁面碰撞恢復方程

冰晶撞擊壁面后會反彈，將冰晶顆粒運動速度分解為法向和切向速度，其反彈恢復系數方程表達式為：

(4)

式中,εN是冰晶顆粒法向速度反彈恢復系數，εT是冰晶顆粒切向速度反彈恢復系數；up1、up2為冰晶碰撞前后的法向速度；νp1、νp2為冰晶碰撞前后的切向速度；θ為撞擊角。

2 幾何模型及邊界條件

2.1 幾何模型

本文選取船用中心型蝶閥，蝶板直徑200 mm，上游管長500 mm，為保證閥后的出口段滿足充分發展的條件，取下游管道長度為1 500 mm。海水管道及蝶閥的材料為碳鋼，密度7 800 kg/m3。利用Solidworks軟件建立的模型如圖1所示。

圖1 蝶閥管道的三維模型

圖2為模型在y=100 mm截面處的示意圖，圖中α為閥板的開度，α=0代表閥板為關閉狀態，α=90°為閥板全開狀態。

圖2 模型在y=100 mm截面處示意圖

在ICEM軟件中采用非結構網格劃分，對閥板周圍和管壁的邊界層進行網格加密，以更精確得捕捉冰晶顆粒對壁面條件的沖蝕效果。劃分后網格總數為45萬，如圖3所示。

圖3 流體域網格劃分圖

2.2 邊界條件及物性參數

在Fluent平臺上采用RNGk-ε湍流模型和DPM離散相模型。入口速度2 m/s，假定冰晶顆粒為球形，直徑500 μm，忽略冰晶顆粒間的碰撞和自身的旋轉[3]。采用標準壁面函數法，無滑移邊界條件。壓力速度耦合采用Simple算法，其他項的求解均采用二階迎風格式。在標準大氣壓下海水—冰晶兩相流的物性參數如表1所示[4]。

表1 海水—冰晶兩相流物性參數

3 模擬結果及分析

3.1 不同開度下的流場特性

圖4和圖5分別為30°、60°和90°開度下蝶閥管道內流場的壓力云圖和速度矢量圖，可看出：閥前入口段的壓力最大且較均勻，流場在閥板處經過一段距離的復雜波動后趨于穩定，管道出口端的壓力較初始值減小產生壓力損失，而出口速度較初始值有所增大。此外，蝶閥的開度越大，流場整體越趨于穩定，90°全開時流場的變化梯度最小且過渡區域比較大，流態相對平穩，壓力場和速度場均呈現近似對稱性。

各開度下的速度場均存在2個高速區，30°和60°時的高速區在閥板兩側邊緣及之后靠近管壁的一段距離，90°全開時的高速區在閥桿周圍，凸起的閥桿對海水流動形成了阻隔。高速區壓力較閥前管段大幅度降低，這是因為節流時的管道過流截面減小，由伯努利定律知流體在流經縮小的過流斷面時流速增大而壓力降低。

圖4 不同開度下的壓力云圖

圖5 不同開度下的速度矢量圖

各開度下流場的最大速度為：30°時為21.68 m/s，較入口速度增大了10.84倍；60°時為5.62 m/s；90°時為2.70 m/s，較入口速度只增大了0.70 m/s。可知隨著閥板開度的增大，流場的最大速度大幅度減小，且最大速度均產生在高速區內。

閥板前后的壓力變化劇烈且分布不均。迎流面的壓力整體較高且流場的最大壓力產生在其離入口較近的半面，因為此面是海水流進時遭受沖擊的第一個阻擋面，后續流進的海水壓迫前面的海水并與壁面不斷擠壓。在30°、60°和90°時閥板前后的壓差分別為2.51×10-2MPa、1.15×10-2MPa及9.41×10-4MPa。可知，開度越小，閥板前后的壓差越大，且增長劇烈，而壓差過大有爆管、空化或振動噪聲等風險，能量損失也多。此外，30°和60°時流場的不穩定性較大，閥板背流面及其后的一段距離出現了負壓區域，且均有渦旋流動存在，90°全開時渦流消失，低壓區集中在蝶閥背流側周圍且范圍相對較小。

3.2 不同開度下的沖蝕結果

圖6為各開度下海水管道壁面的沖蝕云圖。將蝶閥所在位置的管道頂部壁面(圖中top)和管道底部壁面(圖中down)進行放大，并標出閥板在管道中的輪廓線。

圖6 不同開度下海水管道壁面的沖蝕云圖

可以看出，蝶閥開度對沖蝕結果有明顯影響，開度越小，沖蝕磨損的程度越大，但各開度的沖蝕規律基本相同。以圖7即60°時的沿程沖蝕速率為例，并結合沖蝕云圖來看：閥前管段因為流場較穩定，沖蝕速率非常小，沖蝕主要產生在與閥桿相垂直的管道壁面及之后的一段位置上，因為經過蝶閥的節流后，海水與冰晶的動量交換加劇，冰晶顆粒與壁面的碰撞和擠壓加劇，碰撞頻率大且次數多，導致此處的沖蝕速率最大。另外，最大沖蝕均產生在海水管道頂部(top)的壁面上，這是因為冰晶的密度比海水密度小，在浮升力的作用下上浮，導致冰晶顆粒多聚積在管道上部而造成更大沖蝕。在閥后管段，流態逐漸平穩，沖蝕速率隨之減小。

圖7 60°時的沿程沖蝕速率圖

圖8 不同開度下閥板的沖蝕云圖

不同開度下閥板上的沖蝕結果如圖8所示，其沖蝕主要集中在迎流面的2個側邊緣及閥桿上，90°全開時由于高速流體都在閥桿附近，沖蝕主要發生在迎流側和閥桿上，對管壁的沖蝕較小。各開度下閥板背流面幾乎沒有產生沖蝕，但由于存在負壓區域，可能會遭受氣蝕。此外，長時間受冰晶顆粒的沖蝕可能導致閥板邊緣磨損變形。

各開度下的最大沖蝕速率分別為：30°時為7.99×10-5kg/(m2/s)，60°時為8.97×10-7kg/(m2/s)， 90°時為7.43×10-8kg/(m2/s)。可知，最大沖蝕速率隨開度的增大而明顯減小，如圖9所示。結合流場分析，同一位置的流速不同，造成的沖蝕也不同，開度越小，閥板兩側的流通區域的速度越大，閥板邊緣及鄰近管壁承受流體的沖擊越大，故產生成的沖蝕磨損更大。另外，管壁的最大沖蝕速率高于相同開度下閥板的最大沖蝕速率，60°時前兩者的差值非常明顯，說明開度較小時還會導致管道比閥板遭受的沖蝕更嚴重。

圖9 各開度下閥板及管道的最大沖蝕速率

4 結束語

1)蝶閥的開度越大，流場越穩定。流場的最大速度隨開度成反比關系，30°時的最大速度較入口速度增大了10.84倍，且不同開度的最大速度均產生在閥板兩側與管壁間的高速區內。

2)流場的最大壓力產生在閥板迎流面(側)，閥板后存在負壓區域，且渦流現象隨開度的增大而減弱直至消失。閥板前后的壓差隨開度的減小而明顯增大，建議不宜在小開度下長時間工作。

3)蝶閥開度越小，沖蝕磨損的程度越大。最大沖蝕速率產生在與閥桿垂直的管道壁面上，且管道頂部的壁面比底部壁面的沖蝕更大，閥板上的沖蝕集中在側邊緣及閥桿。另外，相同開度下管壁比閥板的沖蝕更大，其在60°前體現更明顯。