基于限流孔板理論的調(diào)節(jié)閥抑制空化優(yōu)化設(shè)計

張曉康,張希恒,陳修高

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

在工業(yè)生產(chǎn)中,調(diào)節(jié)閥用于控制流體的壓力、流量、溫度和流向[1],通過在閥芯處添加不同的窗口,可實現(xiàn)不同的流量特性曲線。但當(dāng)閥門前后壓差較大時,由于閥芯窗口處流通面積的急劇縮小,流速升高,壓力下降,往往會出現(xiàn)負(fù)壓區(qū),若此處的壓力低于該溫度下流體的飽和蒸氣壓則易形成空化現(xiàn)象,導(dǎo)致流量特性曲線的失效,從而危及工業(yè)生產(chǎn)。

近幾年對空化的研究中,王世鵬等[2]通過數(shù)值模擬的方法對復(fù)合式調(diào)節(jié)閥的空化現(xiàn)象進(jìn)行了研究;李樹勛等[3]運用計算流體力學(xué)的方法對火電機(jī)組的套筒調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了空化抑制的研究;郭斌等[4]用Fluent軟件對合川電站361閥的空蝕問題以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化;劉長亮等[5]對核電廠用限流孔板提出了相應(yīng)的壓降計算方法;Qian等[6]對截止閥閥芯在不同位置的流動和空化特性進(jìn)行了數(shù)值分析研究;王燕等[7]針對高壓差下調(diào)節(jié)閥的閃蒸空化問題設(shè)計了相應(yīng)的套筒來抑制空化;Liu等[8]通過對離心泵的空化研究,指出了更適合空化研究的模型。Jin等[9]對加氫站的減壓閥的空化、壓差等問題進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。Liang等[10]對液壓閥在高進(jìn)口壓力下進(jìn)口壓力波動與非定?？栈^程的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值分析。

目前對調(diào)節(jié)閥空化問題的研究主要局限在空化現(xiàn)象及其規(guī)律上,對于如何消除空化、消除空化結(jié)構(gòu)對流場的影響和如何確定消除空化的結(jié)構(gòu)等還需要進(jìn)一步研究。依據(jù)限流孔板的思想,確定套筒的級數(shù),采用理論計算的方法研究了調(diào)節(jié)閥如何確定消除空化結(jié)構(gòu),利用氣液兩相流數(shù)值模擬的方法探究了該結(jié)構(gòu)對流場特性的影響,為設(shè)計因高壓差造成空化的調(diào)節(jié)閥提供一種可靠依據(jù)。

1 理論計算

1.1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)及參數(shù)

研究所用的調(diào)節(jié)閥模型如圖1所示,相關(guān)參數(shù)如表1、表2所列。

圖1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of control valve

表1 邊界條件及其參數(shù)設(shè)置

表2 流體介質(zhì)工況參數(shù)

1.2 調(diào)節(jié)閥降壓級數(shù)計算

流體在流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時,在調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流道面積最小處時流速達(dá)到最大,壓力降低到最小,若此處的壓力小于流體該溫度下的飽和蒸氣壓Pv,則部分流體將汽化成小氣泡。當(dāng)流體通過該最小截面后,由于流道面積增加,流體流速將降低,壓力逐漸升高。當(dāng)壓力逐漸升高到大于該流體的飽和蒸氣壓Pv時,小氣泡將會潰滅。在潰滅的瞬間,小氣泡所存在的空間將形成高真空度的空穴,在高壓差的作用下流體又將以極高的流速沖向空穴,由于氣泡中的氣體來不及完全潰滅,又將在此沖擊下分解成小氣泡,再次的壓縮、潰滅,循環(huán)往復(fù)直到氣泡完全潰滅。這種氣泡的產(chǎn)生潰滅的全過程稱為空化。阻塞流是指流體在流經(jīng)管路控制元件后所能達(dá)到的最大流量,即入口條件相同,當(dāng)閥前壓力為一定值P1,逐漸降底閥后壓力P2,流量會不斷增加,但當(dāng)閥后壓力P2降到某一壓力后,再繼續(xù)降低閥后壓力P2,流量不再隨著閥后壓力P2的增加而增大,此時便發(fā)生了阻塞流,對應(yīng)的閥前后壓差稱為阻塞流壓差。分析空化以及阻塞流的關(guān)系可知,若發(fā)生空化,則勢必有阻塞流的產(chǎn)生[11-12]。阻塞流的計算公式為

(1)

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù),代入式(1)計算得到阻塞流壓差ΔP′=2.68 MPa。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)分析可知該閥發(fā)生了阻塞流現(xiàn)象。采取多級套筒降壓的方法來抑制空化,當(dāng)各級套筒間的壓降小于阻塞流壓差時,可避免空化的發(fā)生[3]。依據(jù)多級降壓原理,各級壓降計算公式為

ΔP′=ΔP1+ΔP2+…+ΔPn=

(2)

其中:ΔP′指閥前后壓差。

計算結(jié)果如表3所列。

表3 調(diào)節(jié)閥各級壓降

考慮到閥體內(nèi)腔空間有限,且套筒級數(shù)越大所開孔越多,故此調(diào)節(jié)閥宜選用二級降壓的結(jié)構(gòu)。

1.3 套筒開孔設(shè)計計算

計算各級套筒所需開孔個數(shù)時,由公式

(3)

計算出開一個孔的直徑,其中:Q為工作狀態(tài)下體積流量;C為孔板流量系數(shù),由雷諾數(shù)和d0/D圖查圖取得;ΔP為經(jīng)過套筒的各級壓降;γ為工作狀態(tài)下的相對密度(與4 ℃水的密度相比較);d0為單孔面積。

再依據(jù)總的開孔面積相等,選擇合適的開孔直徑,得出合適的開孔個數(shù)。

開孔個數(shù)計算公式為

其中:d1為所開小孔的直徑。

研究分別取小孔直徑為5 mm、6 mm、7 mm,所得開孔數(shù)如表4所列。

表4 調(diào)節(jié)閥各級套筒開孔個數(shù)

考慮到在有限的空間,若開孔個數(shù)過多,則容易導(dǎo)致孔心距較小,介質(zhì)經(jīng)過小孔后易形成多個噴注,達(dá)不到降壓效果。若開孔半徑過大,則易造成結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定,且小孔的間距一般應(yīng)大于孔徑的5倍,故選取所開小孔直徑為6 mm。所設(shè)計的套筒如圖2所示。

圖2 一級套筒與二級套筒Fig.2 The first and the second sleeves

2 數(shù)值模擬

2.1 三維模型的構(gòu)建

加裝管道且對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后的調(diào)節(jié)閥三維模型如圖3所示。

圖3 調(diào)節(jié)閥優(yōu)化后模型圖Fig.3 Model diagram of regulator after optimization

在ANSYS ICEM CFD中對調(diào)節(jié)閥的流道區(qū)域劃分網(wǎng)格,采用六面體與四面體混合的網(wǎng)格劃分技術(shù),并對閥門內(nèi)部網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 調(diào)節(jié)閥的流道及網(wǎng)格劃分Fig.4 Runner and meshing of control valve

2.2 空化模型

空化模型使用Schnerr-Sauer空化模型[2],它能體現(xiàn)出空化核數(shù)量對空化行為的影響,使計算結(jié)果更接近實際值,其控制方程為

當(dāng)Pv≥P時,

當(dāng)Pv

其中:Pv為飽和蒸汽壓;αnuc為空化汽相成核處體積分?jǐn)?shù);αv為蒸汽相體積分?jǐn)?shù);Re為蒸發(fā)相生成率;RB為空泡半徑;Rc為凝結(jié)相生成率;Fvap為汽化校正系數(shù);Fcond為凝結(jié)校正系數(shù)。

2.3 求解器及算法設(shè)置

在Fluent穩(wěn)態(tài)計算中使用Mixture混合模型和Realizablek-ε湍流模型,壓力項采用二階迎風(fēng)格式,密度、動量、湍動能的離散采用一階迎風(fēng)格式[13],近壁面處理采用Standard Wall Functions 標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2.4 計算結(jié)果與分析

在小開度下,流通面積的減小引起了介質(zhì)流速的增大進(jìn)而導(dǎo)致壓力小于此溫度下的飽和蒸氣壓,誘發(fā)閃蒸形成了空化。優(yōu)化前的小開度下調(diào)節(jié)閥的流場分析如圖5所示。

圖5 20%開度下的壓力云圖及速度云圖Fig.5 Pressure and velocity nephograms at 20% opening

由圖5可知,在20%開度時,閥前后壓差高達(dá)3.3 MPa,大于阻塞流壓差。由圖5(b)可知,在該開度下閥芯處流速很大,結(jié)合圖5(a)分析可以得出此處環(huán)境符合空化發(fā)生條件,可能發(fā)生了空化。該開度下的氣相云圖如圖6所示。

由圖6可知,閥芯處發(fā)生了空化,若不及時處理,則很容易造成密封失效、調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性改變等工業(yè)事故從而危及操作人員的安全,故對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計是很有必要的。

圖6 20%開度下的氣相云圖Fig.6 Gas phase nephogram at 20% opening

經(jīng)優(yōu)化后的調(diào)節(jié)閥的流場分析如圖7所示。由圖7可知,在30%開度時,經(jīng)優(yōu)化后的壓力云圖上的負(fù)壓區(qū)已減小,且此時經(jīng)過閥芯的流體速度方向與管道方向一致,對閥體的沖刷降低。

圖7 30%開度下的壓力云圖及速度云圖Fig.7 Pressure and velocity nephograms at 30% opening

優(yōu)化后的氣相云圖如圖8所示。由圖8可知,30%開度下氣相已不存在,說明優(yōu)化是可行的。

圖8 30%開度下的氣相云圖Fig.8 Gas phase nephogram at 30% opening

同一開度下,優(yōu)化前后的壓力云圖以及氣相云圖如圖9所示。

分析圖9(a)和(b)可知,優(yōu)化前后閥芯處的壓差明顯減小,優(yōu)化后負(fù)壓區(qū)也明顯減少。觀察圖9(c)和(d)可知,優(yōu)化前氣相區(qū)域主要集中在閥芯處,優(yōu)化后氣相區(qū)域已基本觀察不到,這說明空化得以抑制。

圖9 開度50%下的壓力及氣相云圖Fig.9 Pressure and gas phase nephogram at 50% opening

通過Fluent軟件,得到小開度下優(yōu)化前后的出口質(zhì)量流量,如表5所列。

表5 調(diào)節(jié)閥優(yōu)化前后質(zhì)量流量

將優(yōu)化前后的質(zhì)量流量做成折線圖,如圖10所示。通過圖10可知,優(yōu)化后的調(diào)節(jié)閥在這幾個開度下質(zhì)量流量增加了2～3 kg/s,由于高壓差導(dǎo)致的空化會使得流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流體出口流量下降,這也從側(cè)面證明了優(yōu)化設(shè)計的可行性。

圖10 小開度下調(diào)節(jié)閥優(yōu)化前后的質(zhì)量流量Fig.10 Mass flow rate before and after optimization of control valve at small opening

優(yōu)化前后調(diào)節(jié)閥在小開度下的含氣率如圖11所示。通過圖11可知,經(jīng)過優(yōu)化的調(diào)節(jié)閥在50%開度以下其氣含率為0,即經(jīng)過優(yōu)化后的調(diào)節(jié)閥不含氣體,這說明優(yōu)化設(shè)計方法對空化的抑制是有效的。

圖11 小開度下調(diào)節(jié)閥優(yōu)化前后的含氣率Fig.11 Gas holdup before and after optimization of control valve at small opening

當(dāng)開度大于60%時,空化由閥芯轉(zhuǎn)向出口段流道的拐角處[2]。這是由于在大開度下,出口段拐角處介質(zhì)的流動方向突變造成邊界層分離,形成了負(fù)壓區(qū)從而出現(xiàn)空化。

3 結(jié)論

研究基于限流孔板理論來抑制復(fù)合式調(diào)節(jié)閥在高壓差情況下閥芯窗口處出現(xiàn)的空化,并運用此方法優(yōu)化設(shè)計了該調(diào)節(jié)閥,得到如下結(jié)論:

(1) 高壓差容易造成在調(diào)節(jié)閥的最小截面(即閥芯窗口)處產(chǎn)生空化。此處的空化容易破壞閥芯窗口,從而危害工業(yè)的安全生產(chǎn)。

(2) 由于調(diào)節(jié)閥在閥芯處發(fā)生了空化,導(dǎo)致流體在流過調(diào)節(jié)閥后流量下降,經(jīng)過優(yōu)化后的調(diào)節(jié)閥流量恢復(fù)。

(3) 通過對比優(yōu)化前后調(diào)節(jié)閥的氣含率,證明了依據(jù)限流孔板理論來抑制調(diào)節(jié)閥空化的優(yōu)化設(shè)計方法具有可行性。