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(yùn)動(dòng)過(guò)程中的特有現(xiàn)象，特別是在高壓大流量系統(tǒng)中，對(duì)流體控制元件有重大的影響。本文主要通過(guò)FLUENT軟件在不同閥板開(kāi)度以及不同閥口形狀的情況下，對(duì)閥體內(nèi)部流道進(jìn)行仿真分析，得出氣蝕對(duì)閥體內(nèi)壁的影響，并提出了設(shè)計(jì)閥體流道的主要注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：流道；氣蝕FLUENT；分析

前言

隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)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(lái)的就是設(shè)計(jì)工作者必須面對(duì)控制閥元件的氣蝕現(xiàn)象。氣蝕現(xiàn)象作為流體運(yùn)動(dòng)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(duì)其做了大量研究，并從不同方面對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理得出了數(shù)種結(jié)論。這些結(jié)論有效指導(dǎo)了人們?cè)诠I(yè)應(yīng)用中如何減少或避免氣蝕現(xiàn)象對(duì)工件的損傷，其中對(duì)氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理影響比較大的結(jié)論有沖擊波機(jī)理、微射流機(jī)理、熱化學(xué)機(jī)理、電化學(xué)機(jī)理等。

氣蝕對(duì)流體控制閥有巨大的危害，它不僅會(huì)使閥在工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，在嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)箖?nèi)部元件的疲勞破壞，造成安全事故。因此，對(duì)控制閥氣蝕現(xiàn)象的研究就對(duì)生產(chǎn)生活具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1.閥體氣蝕現(xiàn)象

氣蝕是指流體在高速流動(dòng)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(huì)溶解一定的空氣。當(dāng)溶解的空氣隨著流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果流體的壓強(qiáng)低于液體蒸汽壓，此時(shí)溶解的空氣就會(huì)以氣泡形式析出。當(dāng)析出的氣泡繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到流體壓強(qiáng)較高的地方時(shí)，氣泡就會(huì)被壓潰，氣泡的潰滅使氣泡內(nèi)所儲(chǔ)存的勢(shì)能轉(zhuǎn)變成較小體積內(nèi)流體的動(dòng)能，使流體內(nèi)形成流體沖擊波。這種沖擊波會(huì)造成閥體流道內(nèi)部局部塑性變形，久而久之就會(huì)造成局部材料疲勞剝裂。由于流體內(nèi)部有細(xì)微顆粒的雜質(zhì)，在沖擊波的作用下，其會(huì)獲得一定的動(dòng)能，沖擊流道內(nèi)壁，從而加劇內(nèi)壁腐蝕速度。

閥類(lèi)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?yàn)樵陂y板位置，流通面積減少，而如果通過(guò)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(huì)造成流體壓強(qiáng)的下降。圖1顯示了流體通過(guò)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(guò)程圖。

圖1 流體經(jīng)過(guò)閥板壓力示意圖

圖2 氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生過(guò)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(guò)外置先導(dǎo)閥控制閥板的開(kāi)啟，彈簧起復(fù)位和設(shè)定最小開(kāi)啟壓力作用。根據(jù)工作要求，先導(dǎo)閥會(huì)在初始時(shí)設(shè)定主閥開(kāi)啟壓強(qiáng)Po，當(dāng)主閥進(jìn)口壓強(qiáng)P1產(chǎn)生的作用力大于主閥上腔壓強(qiáng)Po產(chǎn)生的作用力與彈簧的初始預(yù)緊力之和時(shí)，閥板會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，使主閥開(kāi)啟。由于主閥的開(kāi)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(dá)到平衡時(shí)，閥板維持在一定位置，系統(tǒng)達(dá)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(kāi)啟高度10mm時(shí)的三維剖面圖。本文采用ANSYS系列軟件中的ICEM進(jìn)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(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為107438個(gè)。

2.3計(jì)算條件

本文采用FLUENT軟件對(duì)閥體流道內(nèi)部流體進(jìn)行分析。根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)理論，采用以下假設(shè)：①流體介質(zhì)為自來(lái)水，其計(jì)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(dòng)狀態(tài)為湍流，計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型；④計(jì)算采用壓強(qiáng)入口和壓強(qiáng)出口形式。

3.結(jié)果分析

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

圖6 閥板為平面時(shí)壓強(qiáng)和速度分布圖

圖7顯示了閥板為錐形時(shí)的壓強(qiáng)和速度分布圖。與圖6進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)錐形閥板明顯改善了閥體流道的壓強(qiáng)分布，提高了流體經(jīng)過(guò)閥板時(shí)的壓強(qiáng)，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(guò)閥板后，在流體中間部位形成旋渦，減少了對(duì)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(qiáng)和速度分布圖。與圖6進(jìn)行對(duì)比，降低閥口高度也能改善閥體流道的壓強(qiáng)分布，提高了流體經(jīng)過(guò)閥板時(shí)的壓強(qiáng)，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(guò)閥板后，很快形成旋渦，會(huì)對(duì)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(lái)看，它是有利的。

對(duì)比圖7和圖8的結(jié)果可知，將閥板改成錐形時(shí)，流道方向的改變從直角變成鈍角，改善了流體的流動(dòng)特性，因此在設(shè)計(jì)閥體時(shí)，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(jì)成銳角，并向出口方向傾斜。

4.結(jié)論

對(duì)于閥體的設(shè)計(jì)，在實(shí)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(duì)閥體進(jìn)行了理論分析，得出了設(shè)計(jì)閥體時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)要點(diǎn)，對(duì)實(shí)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(jì)過(guò)程中應(yīng)該注意的幾個(gè)要點(diǎn)：

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(guò)渡，避免設(shè)計(jì)成銳角。

4.3流道盡量避免有凸起或凹槽。

參考文獻(xiàn)：

[1]J.D. Aderson.計(jì)算流體力學(xué)入門(mén)[M].

[2]李人憲.有限體積法基礎(chǔ)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社.

[3]莊禮賢.流體力學(xué)[M].