極地船蝶閥及管道內(nèi)不同開度下海水—冰晶兩相流流場特性及沖蝕數(shù)值模擬

徐 立，羅 梁，張?jiān)姖崳?，杜鵬程

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)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(chǎn)生大量細(xì)小的冰晶，與液相海水形成海水—冰晶兩相流進(jìn)入海水的冷卻管系中，細(xì)小的固態(tài)冰晶會對海水管路及與管路中連接的閥門等設(shè)備造成嚴(yán)重的沖蝕磨損[1]。蝶閥在船舶上的運(yùn)用非常廣泛，主要起調(diào)節(jié)和切斷海水介質(zhì)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(shù)學(xué)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(xù)相海水和顆粒相冰晶的運(yùn)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(zhì)量曳力；Fx為x方向上的其他作用力，包括質(zhì)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(shù)；mp為冰晶質(zhì)量流量；f(θ)為撞擊角的函數(shù)；Aface為管壁計(jì)算面積；b(v)為相對速度的函數(shù)；C(dp)為粒徑函數(shù)；θ為撞擊角。

1.3 壁面碰撞恢復(fù)方程

冰晶撞擊壁面后會反彈，將冰晶顆粒運(yùn)動速度分解為法向和切向速度，其反彈恢復(fù)系數(shù)方程表達(dá)式為：

(4)

式中,εN是冰晶顆粒法向速度反彈恢復(fù)系數(shù)，εT是冰晶顆粒切向速度反彈恢復(fù)系數(shù)；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(fā)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(guān)閉狀態(tài)，α=90°為閥板全開狀態(tài)。

圖2 模型在y=100 mm截面處示意圖

在ICEM軟件中采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對閥板周圍和管壁的邊界層進(jìn)行網(wǎng)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(wǎng)格總數(shù)為45萬，如圖3所示。

圖3 流體域網(wǎng)格劃分圖

2.2 邊界條件及物性參數(shù)

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(zhuǎn)[3]。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，無滑移邊界條件。壓力速度耦合采用Simple算法，其他項(xiàng)的求解均采用二階迎風(fēng)格式。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下海水—冰晶兩相流的物性參數(shù)如表1所示[4]。

表1 海水—冰晶兩相流物性參數(shù)

3 模擬結(jié)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(nèi)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(jīng)過一段距離的復(fù)雜波動后趨于穩(wěn)定，管道出口端的壓力較初始值減小產(chǎn)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(wěn)定，90°全開時流場的變化梯度最小且過渡區(qū)域比較大，流態(tài)相對平穩(wěn)，壓力場和速度場均呈現(xiàn)近似對稱性。

各開度下的速度場均存在2個高速區(qū)，30°和60°時的高速區(qū)在閥板兩側(cè)邊緣及之后靠近管壁的一段距離，90°全開時的高速區(qū)在閥桿周圍，凸起的閥桿對海水流動形成了阻隔。高速區(qū)壓力較閥前管段大幅度降低，這是因?yàn)楣?jié)流時的管道過流截面減小，由伯努利定律知流體在流經(jīng)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?？芍S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(chǎn)生在高速區(qū)內(nèi)。

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(chǎn)生在其離入口較近的半面，因?yàn)榇嗣媸呛Ｋ鬟M(jìn)時遭受沖擊的第一個阻擋面，后續(xù)流進(jìn)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?？芍_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(fēng)險(xiǎn)，能量損失也多。此外，30°和60°時流場的不穩(wěn)定性較大，閥板背流面及其后的一段距離出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)域，且均有渦旋流動存在，90°全開時渦流消失，低壓區(qū)集中在蝶閥背流側(cè)周圍且范圍相對較小。

3.2 不同開度下的沖蝕結(jié)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(jìn)行放大，并標(biāo)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(jié)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(guī)律基本相同。以圖7即60°時的沿程沖蝕速率為例，并結(jié)合沖蝕云圖來看：閥前管段因?yàn)榱鲌鲚^穩(wěn)定，沖蝕速率非常小，沖蝕主要產(chǎn)生在與閥桿相垂直的管道壁面及之后的一段位置上，因?yàn)榻?jīng)過蝶閥的節(jié)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(shù)多，導(dǎo)致此處的沖蝕速率最大。另外，最大沖蝕均產(chǎn)生在海水管道頂部(top)的壁面上，這是因?yàn)楸У拿芏缺群Ｋ芏刃?，在浮升力的作用下上浮，?dǎo)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(tài)逐漸平穩(wěn)，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(jié)果如圖8所示，其沖蝕主要集中在迎流面的2個側(cè)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(fā)生在迎流側(cè)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(chǎn)生沖蝕，但由于存在負(fù)壓區(qū)域，可能會遭受氣蝕。此外，長時間受冰晶顆粒的沖蝕可能導(dǎo)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)?？芍?，最大沖蝕速率隨開度的增大而明顯減小，如圖9所示。結(jié)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(cè)的流通區(qū)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(chǎn)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(dǎo)致管道比閥板遭受的沖蝕更嚴(yán)重。

圖9 各開度下閥板及管道的最大沖蝕速率

4 結(jié)束語

1)蝶閥的開度越大，流場越穩(wěn)定。流場的最大速度隨開度成反比關(guān)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(chǎn)生在閥板兩側(cè)與管壁間的高速區(qū)內(nèi)。

2)流場的最大壓力產(chǎn)生在閥板迎流面(側(cè))，閥板后存在負(fù)壓區(qū)域，且渦流現(xiàn)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(chǎn)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(cè)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(xiàn)更明顯。