基于Fluent的凝結(jié)水氣動主調(diào)節(jié)閥防空化設(shè)計驗證

祝欣慰，騫宏偉，陳 寶，蔣永兵，顏炳良，諶傳江

（1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100095；2.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707）

0 引言

凝結(jié)水氣動主調(diào)節(jié)閥進口壓力不高，但部分工況中閥后壓力較低，實際運行中閥門內(nèi)部空化破壞較嚴重。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]。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(yīng)用在各種工業(yè)系統(tǒng)中，也被稱為防空化調(diào)節(jié)閥[2]。因此，為避免出現(xiàn)空化現(xiàn)象，設(shè)計出多級降壓的閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)。

圖1 多級降壓結(jié)構(gòu)防空化原理Fig.1 The principle of multistage depressurization on preventing cavitation

針對閥門防空化結(jié)構(gòu)，學(xué)者做了較多的研究。彭建等[3]通過對串級式多級降壓閥門的研究，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥開度越大，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；李樹勛[4,5]等對多層套筒閥的內(nèi)部空化情況進行了模擬，發(fā)現(xiàn)多級降壓套筒達到了逐級降壓，限制流速的目的。閥內(nèi)部加入多級套筒與均流罩，可有效抑制閥內(nèi)部空化的發(fā)生與發(fā)展，基本能夠滿足防空化的要求；何秋玲[6]通過對串級式多級降壓做仿真模擬，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)可有效防止閥門空化的產(chǎn)生；李軍業(yè)[7]通過對防汽蝕結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)兩層多孔式的套筒在某些工況下防汽蝕效果較好；陳鋒[8]通過對電廠使用的閥門進行分析，發(fā)現(xiàn)多級節(jié)流降壓技術(shù)能有效防止閥門內(nèi)部產(chǎn)生汽蝕。

通過查閱大量文獻，發(fā)現(xiàn)多級降壓結(jié)構(gòu)的防空化效果較好。為滿足凝結(jié)水氣動主調(diào)節(jié)閥對防空化的要求，本文對所涉及的分段式三級套筒閥門內(nèi)件結(jié)構(gòu)進行了仿真模擬，驗證其防空化效果。

1 空化的產(chǎn)生及多級降壓結(jié)構(gòu)防空化原理

空化包含了兩個階段，即閃蒸和空化[9]。當(dāng)壓力為P1的流體流經(jīng)節(jié)流孔時，流速突然急劇增加，靜壓驟然下降；當(dāng)孔后壓力P2達到或低于該流體所在情況下的飽和蒸汽壓力Pv時，部分流體汽化成氣體，產(chǎn)生氣泡，形成汽液兩相共存現(xiàn)象，稱為閃蒸階段。在節(jié)流處后面，壓力逐漸恢復(fù)，升高的壓力壓縮氣泡，使氣泡突然破裂，稱為空化階段。氣泡破裂時所有的能量集中在破裂點上，產(chǎn)生幾千牛的沖擊力，沖擊波的壓力高達2×103MPa，大大超過了大部分金屬的疲勞破壞極限。同時，局部溫度高達幾千攝氏度。這些過熱點引起的熱應(yīng)力是產(chǎn)生汽蝕破壞作用的主要原因[10]。

圖2 方案一：分段式三級套筒閥門結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Scheme 1：The general view of the piecewise three-stage cage multi-hole valve

圖3 方案二：單級套筒閥門結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Scheme 2：The general view of the single-stage cage multi-hole valve

目前，利用多級降壓的原理，國內(nèi)外已有多種防汽蝕結(jié)構(gòu)，其中典型的有迷宮式結(jié)構(gòu)和多層套筒式結(jié)構(gòu)[7]。高壓調(diào)節(jié)閥在設(shè)計過程中，解決的方案是利用多級節(jié)流降壓原理，如圖1所示。把入口處的高壓p1通過多級節(jié)流區(qū)域，逐漸降壓至出口處的壓力p2。這個思路就是在閥芯處設(shè)置多級節(jié)流裝置，并保證在每一次降壓后的壓力高于該處的飽和蒸汽壓力pv而不致發(fā)生空化的現(xiàn)象。

2 閥門節(jié)流組件的設(shè)計

根據(jù)ISA-RP75.23的介紹，閥門空化系數(shù)定義為：

圖4 分段式三級套筒閥門結(jié)構(gòu)工況7下介質(zhì)壓力分布云圖Fig.4 Contours of static pressure of the piecewise three-stage cage multi-hole valve working on condition 7

圖5 分段式三級套筒閥門結(jié)構(gòu)工況7下蒸汽體積組分分布云圖Fig.5 Contours of volume fraction of the piecewise three-stage cage multi-hole valve working on condition 7

圖6 單級套筒閥門工況7下介質(zhì)壓力分布云圖Fig.6 Contours of static pressure of the single-stage cage multi-hole valve working on condition 7

當(dāng)此系數(shù)較低時，閥門容易產(chǎn)生空化現(xiàn)象。

根據(jù)對閥門的設(shè)計計算，凝結(jié)水氣動主調(diào)節(jié)閥的空化系數(shù)較低時主要出現(xiàn)在較小閥門開度下，空化系數(shù)較高時出現(xiàn)在較大閥門開度下。針對此種情況，為避免閥門結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大面積的空化現(xiàn)象，閥門設(shè)計節(jié)流組件成如下結(jié)構(gòu)：較小閥門開度下，節(jié)流組件采用三層孔式套筒結(jié)構(gòu)；中等閥門開度下，節(jié)流組件采用兩層孔式套筒結(jié)構(gòu)；較大閥門開度下，節(jié)流組件采用單層孔式套筒結(jié)構(gòu)。

圖7 單級套筒閥門結(jié)構(gòu)工況7下蒸汽體積組分分布云圖Fig.7 Contours of volume fraction of the single-stage cage multi-hole valve working on condition 7

3 仿真模擬實驗

目前，歐拉—拉格朗日方法和歐拉—歐拉方法較多地應(yīng)用于研究多相流方法。在Fluent中，共有3種歐拉—歐拉多相流模型，即VOF（Volume Of Fluid）模型、混合物模型和歐拉（Eulerian）模型。本文基于Fluent對閥門真實應(yīng)用工況做空化仿真模擬實驗，湍流模型選用standardk-epsilon Model，多相流模型選擇Mixture，空化模型選用Schnerr-Sauer模型。

表1 介質(zhì)空化過程中汽相質(zhì)量和體積數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of gas mass and volume data in the process of medium cavitation

1）分段式三級套筒閥門結(jié)構(gòu)的仿真模擬

以其中最惡劣工況為例做仿真模擬測試：該工況介質(zhì)為28℃的水，閥門前端壓力為P1=3.187Mpa，閥門后端壓力為P2=0.4371Mpa，飽和蒸汽壓力為P2=0.004Mpa。根據(jù)對閥門的設(shè)計計算，該工況下閥門相對開度為23%。通過Fluent仿真模擬實驗，閥門在該工況下的蒸汽體積組分分布云圖如圖4、圖5所示。

模擬結(jié)果顯示，多級套筒使閥門內(nèi)介質(zhì)壓力分級降壓，因而每層壓力降更小；閥門在該工況下的蒸汽體積組分最嚴重處占比為0.237，且僅在與閥塞接觸的最內(nèi)層套筒上有零星的幾處空化現(xiàn)象。根據(jù)軟件計算結(jié)果，空化過程中汽相總質(zhì)量為6.06×10-6g，總體積為10.93mm3。

2）單層套筒閥門結(jié)構(gòu)工況7的仿真模擬測試

為對比多層套筒結(jié)構(gòu)的防空化效果，將單層套筒閥門結(jié)構(gòu)做仿真模擬實驗，同樣以該工況為實驗條件：介質(zhì)為28℃的水，閥門前端壓力為P1=3.187Mpa，閥門后端壓力為P2=0.4371Mpa，飽和蒸汽壓力為P2=0.004Mpa。仿真模擬結(jié)果如圖6、圖7：

模擬結(jié)果顯示，閥門在該工況下的蒸汽體積組分最嚴重處占比為0.972，且僅在與閥塞接觸的最內(nèi)層套筒上有零星的幾處空化現(xiàn)象。根據(jù)軟件計算結(jié)果，空化過程中汽相總質(zhì)量為9.82×10-4g，空化總體積為1772mm3。

3）兩種結(jié)構(gòu)的空化模擬對比

通過對其余工況在實際開度下的運行狀態(tài)做仿真模擬實驗，得到介質(zhì)空化過程中汽相質(zhì)量和體積數(shù)據(jù)，統(tǒng)計見表1。

模擬結(jié)果顯示，同種工況及同等流通能力下，分段三級式套筒閥門結(jié)構(gòu)空化過程中汽相質(zhì)量和體積遠小于單級套筒閥門結(jié)構(gòu)中汽相的質(zhì)量和體積。

4 結(jié)論

通過對凝結(jié)水氣動主調(diào)節(jié)閥兩種結(jié)構(gòu)各使用工況的仿真模擬，對比分析結(jié)果可發(fā)現(xiàn)：針對凝結(jié)水氣動主調(diào)節(jié)閥的使用工況，分段式三級套筒閥門結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換成汽相的體積、質(zhì)量相對于單級套筒閥門結(jié)構(gòu)較少，汽相所占的絕對量亦較少，因此判定，分段式三級套筒閥門結(jié)構(gòu)應(yīng)用于凝結(jié)水工況能有效防止閥門產(chǎn)生大面積的空化現(xiàn)象。