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(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)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(diǎn)廣泛地應(yīng)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(fù)雜，如何在保證流量特性的情況下對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。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(jìn)打下理論基礎(chǔ)。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(diǎn)，對其降壓原理和適用的場合進(jìn)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(jì)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(yùn)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(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。高強(qiáng)[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(shè)計(jì)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(jì)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(yùn)用CFD技術(shù)對多級降壓調(diào)節(jié)閥的流量特性進(jìn)行分析，計(jì)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(jìn)具有重要參考價(jià)值。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jìn)出口壓降一定時(shí)，每級限制的壓力降與級數(shù)成比例關(guān)系。當(dāng)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(shí)際壓差沿著閥芯的軸線方向逐級降低。當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，多級降壓調(diào)節(jié)閥相當(dāng)于有多個單座閥的閥口同時(shí)被關(guān)閉，增強(qiáng)密封性能[7]。

圖2、圖3為改進(jìn)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(dāng)進(jìn)出口壓差相同時(shí)，多級降壓調(diào)節(jié)閥可以對各級流體的壓力變化進(jìn)行限制，將各級壓力控制在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，而改進(jìn)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(chǔ)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(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的方法對兩種閥芯結(jié)構(gòu)下調(diào)節(jié)閥的流場情況進(jìn)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(jìn)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(xué)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(jì)算模型的額定參數(shù)如下：進(jìn)口直徑為25 mm，額定的行程為20 mm。工作介質(zhì)為20 ℃ 水，設(shè)計(jì)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(jìn)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(zhǔn)確且收斂性好，現(xiàn)在已經(jīng)成為主流計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent中的基本模型之一，該模型考慮了氣泡動力學(xué)，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(guān)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(yùn)動特征的Rayleigh-Plesset方程推導(dǎo)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(qiáng)

2.3 計(jì)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(biāo)準(zhǔn)湍流模型，壁面無滑移，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。主相設(shè)置為水，視為不可壓縮流體，計(jì)算過程中不考慮重力的影響，第二相設(shè)置為水蒸氣。

采用非耦合求解器進(jìn)行求解，為了提高汽化計(jì)算的速度和計(jì)算穩(wěn)定性，通常先進(jìn)行湍流流動的定常計(jì)算[16]，在計(jì)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(jì)算中水溫設(shè)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(jì)算流場變量的更新值，各求解變量的松弛因子要做適當(dāng)調(diào)整，隨著進(jìn)口壓力的不同，松弛因子也可以做適當(dāng)變化[17-18]，這樣可以避免殘差值的波動和發(fā)散。

3 計(jì)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(biāo)，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(jì)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(jìn)口體積流量，kg/s

G—— 介質(zhì)比重，常溫水取1

當(dāng)進(jìn)口壓力為0.55 MPa，出口壓力為0.15 MPa時(shí)，通過Fluent軟件計(jì)算得到閥門在各開度下的流量數(shù)據(jù)，代入公式后的計(jì)算結(jié)果如表1和表2所示，并繪制相應(yīng)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(dāng)閥內(nèi)某處壓力小于飽和蒸汽壓時(shí)，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(yán)重[20]。模擬時(shí)設(shè)定進(jìn)口氣相體積分?jǐn)?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(jìn)口壓力為0.9 MPa時(shí)閥內(nèi)無氣泡產(chǎn)生，而進(jìn)口壓力為0.95 MPa時(shí)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?jǐn)?shù)分別為5e-25,2e-29。

圖7 30%開度，0.95 MPa時(shí)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(jìn)口壓力為1.1 MPa時(shí)無空化現(xiàn)象產(chǎn)生，而在進(jìn)口壓力為1.15 MPa時(shí)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(jìn)口壓力為1.15 MPa時(shí)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?jǐn)?shù)大于第2種閥芯結(jié)構(gòu)。

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

圖9 30%開度，1.15MPa時(shí)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(dāng)進(jìn)口壓力為1.15 MPa，出口壓力為0.15 MPa時(shí)，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?jǐn)?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(shí)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?jǐn)?shù)Φ的變化曲線如圖12所示。

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

圖12 最大氣相體積分?jǐn)?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?jǐn)?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?jǐn)?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(qiáng)；

(2) 當(dāng)進(jìn)出口的壓力條件不變時(shí)，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(yán)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(yán)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。