截止閥內部的介質流動和空化特性研究

楊隆杰 ， 項光武 ， 孫希望 ， 項良海 ， 羅建康 ， 王仁愛 ， 楊 揚 ， 雷 洪

（1.浙江石化閥門有限公司，浙江 溫州 325025；2.浙江理工大學，浙江 杭州 310018）

1 概述

閥門是管道輸送系統中不可缺少的一部分，對管道中介質的通斷、節流以及調節等起著非常重要的作用[1-4]。截止閥作為管路系統中比較常見的閥門，既可以應用于輸送生活用水，也可應用于輸送重型工業燃料，其主要通過閥瓣和閥桿沿著閥座中心的直線運動實現對輸送介質的截斷或調節[5-6]。由于截止閥結構上的設計，截止閥內部非常容易發生空化現象，空化產生的空泡會對截止閥產生空蝕、噪聲、振動等危害[7]。

為了降低截止閥內部的空化危害，學者們對截止閥內部的空化現象進行了大量的研究。周霞等[8]對低溫截止閥內液氮空化的發展規律以及空化對壁面產生的壓力沖擊進行了研究，并對如何避免截止閥系統因空化而產生共振提出了參考性意見。孟新凌等[9]對小開度高溫高壓截止閥三維流場進行了數值模擬，發現高溫高壓介質會對閥座密封面產生較強的沖刷作用，并提出了通過多級節流槽閥瓣結構以改進錐面密封副的方法，來避免高速介質沖刷密封副和減少空化汽蝕現象。劉東彥等[10]針對直角截止閥內部的空化噪聲問題進行了數值計算，結果表明直角截止閥在閥門出口位置具有明顯的空化現象和湍流噪聲，并且開度越小，空化噪聲越嚴重。但是對于截止閥內部的介質流動以及空化現象的研究仍然非常不足，因此本文將繼續對其進行研究。

2 物理模型和數值模擬方法

2.1 物理模型

本研究所采用的截止閥內部口徑D=102 mm，由浙江石化閥門有限公司的設計人員自主研發。圖1為截止閥的三維結構示意圖，截止閥的主要結構包括手輪、支架、閥桿、閥蓋、閥瓣、閥體以及各種連接件和密封件，最高可承受5 MPa的壓力。

圖1 截止閥三維結構示意圖

為了對截止閥中的流場進行計算，首先需要對截止閥中的介質流動區域進行提取。圖2為截止閥在行程開度為50%的內部計算域示意圖。上游管道被延長至截止閥內徑的10倍距離，下游管道被延長至截止閥內徑的15倍距離，以保證流動介質的充分發展，更好地對截止閥內部的空化現象進行研究。

圖2 截止閥50%開度計算域示意圖

2.2 數值模擬方法

本文采用常溫水為介質來對截止閥內部的空化進行研究，常溫水以及發生空化后所形成的水蒸氣的介質屬性如表1所示。截止閥的入口速度分別為3.5 m/s和5.5 m/s，出口邊界條件為壓力出口，出口壓力為標準大氣壓（101 325 Pa）。

表1 截止閥內部介質的物理屬性

對于空化計算來說，目前使用較為廣泛的多相流模型主要有流體體積法（Volume of Fluid,VOF）和均質混合方法（Mixture）。VOF方法能夠計算出非常明顯的汽液交界面，但是需要非常精細的網格和比較大的計算資源；Mixture雖然不能得到非常精確的汽液交界面，但是Mixture模型需要的計算資源較少，計算穩定性也非常好。因此，本文選擇通過混合模型（Mixture）來描述截止閥中的空化現象，其控制方程如下所示：

其中，U為汽液混合相的速度，p為壓力，ρm為汽液混合物的密度，通過下面公式進行計算：

ρv和ρι分別為汽相和液相的密度，α為空泡體積分數。τ為應力張量，可以表示為：

其中，I為Kronecker算子；μm為汽液混合物的黏度，通過下面公式計算：

截止閥的空化計算采用SSTk-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型來進行。設置計算殘差為10-5，當出口邊界上的平均質量流量保持穩定，或者是計算殘差已經低于10-5時，便認為計算過程收斂。

3 結果討論

當介質流經截止閥的入口時，截止閥的結構設計使得截止閥流通面積減小，導致了截止閥入口位置的介質流速比上游管道中的介質流速要大。當介質流經閥瓣底部時，閥瓣對介質的流通產生了較大的阻礙，介質在閥瓣與閥體的間隙中流動，介質的流通面積更小，使得閥瓣底部的介質速度變得更大。閥瓣周圍的流場非常紊亂，特別是閥腔內的介質速度要比主管道中的介質速度慢很多。介質在經過閥瓣與閥體的間隙后進入下游管道時會形成高速射流。隨著截止閥進口速度的增加，截止閥出口段流出的介質速度也在增加，尤其是截止閥出口位置的底部，當進口速度為5.5 m/s時會形成一個高速區域。

隨著截止閥進口速度的增加，截止閥上游管道中的壓力也在逐漸增大。在靠近截止閥出口的位置，會產生一個低壓區，并且隨著進口介質流速的增加，低壓區的壓力會越來越低。在上游管道處，介質的壓力比較平穩；截止閥內部的介質會有非常明顯的壓力波動，入口速度越大，壓力波動的范圍也越大；在截止閥的下游管道處，兩種情況下的介質壓力又都下降到相同的壓力值。還能發現，在截止閥的內部，壓力出現了降低至常溫水的飽和蒸汽壓的情況，特別是當介質的入口流速為5.5 m/s時非常明顯，說明截止閥的內部極有可能發生了空化現象。

圖3為介質速度分別為3.5 m/s和5.5 m/s的情況下，截止閥內部的蒸汽相體積分布（蒸汽相的體積為10%），圖中藍色（深色）部分代表的是蒸汽相在截止閥內所占據的體積。能夠發現，隨著介質進口流速的增加，截止閥內部的空化現象會得到增強。當介質的流速為3.5 m/s時，截止閥內部的蒸汽相體積非常小，空化主要發生閥體右側的密封面附近。隨著介質流速的增加，當介質的流速為5.5 m/s時，截止閥內部的蒸汽相體積變得非常大，空化不僅會發生在閥體右側的密封面附近，閥瓣密封面附近也附著有大面積的蒸汽相，并且閥座密封面和閥瓣密封面上的蒸汽相區域會逐漸發展成為一個整體，延伸至截止閥的出口附近。由于在發生空化的過程中，會伴隨著空泡的產生和潰滅，空泡潰滅產生的能量會沖蝕空泡附近的壁面，因此，在截止閥的設計過程中應當加強截止閥閥座密封面和閥瓣密封面的強度，減少空蝕現象造成的危害。

圖3 截止閥內部的蒸汽相體積

4 結語

截止閥廣泛應用在各種管道輸送系統中。本文通過采用SSTk-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型相，對截止閥內部的介質流動和空化現象進行了研究。結果表明，閥瓣周圍的介質流場非常紊亂；介質在經過閥瓣與閥體的間隙后會形成高速射流；截止閥的出口位置會形成一個低壓區，介質流速的增加會使得低壓區的壓力降低；介質在截止閥內部會出現壓力波動；壓力波動的范圍隨著入口速度的增加而擴大；空化現象主要集中在閥座密封面和閥瓣密封面上；介質流速的增加使截止閥內部的空化現象增強。