水滴迷宮式調(diào)節(jié)閥空化特性計算與結構改進

廖伯權，何慶中，王 佳，彭 濤，陳雪峰，李科宏

（1.四川輕化工大學 機械工程學院，四川宜賓 644000；2.華夏閥門有限公司，四川自貢 643000）

0 引言

迷宮式調(diào)節(jié)閥作為鍋爐過程控制裝備中的一種重要元件，具有降壓性能好，控速能力強，運行穩(wěn)定等優(yōu)點，能很好地適應高溫高壓的惡劣工況，在超（超）臨界火電機組中得到廣泛應用［1］。調(diào)節(jié)閥節(jié)流效應與文丘里管類似，當液體介質(zhì)流經(jīng)節(jié)流口時，劇烈的壓降易使介質(zhì)壓力P 降至飽和蒸汽壓Pv以下，產(chǎn)生空化現(xiàn)象，并形成大量氣泡。汽泡潰滅產(chǎn)生的爆裂能量直接作用在閥芯上，導致閥芯表面金屬層脫落，形成氣蝕，同時還伴隨著周期性的振動、噪聲等現(xiàn)象，直接危害閥門和下游管道的正常運行［2］。迷宮碟片是其中的核心降壓部件，實現(xiàn)和控制著調(diào)節(jié)閥的絕大部分壓降功能。多項研究結果表明［3-4］，閥內(nèi)空化現(xiàn)象主要發(fā)生在碟片流道內(nèi)。

目前，在高參數(shù)調(diào)節(jié)閥研究領域，空化現(xiàn)象研究主要集中在多相流介質(zhì)［5］、閥內(nèi)渦流與壓力脈動［6-7］、閥芯材料［8］和管配系統(tǒng)［9］等方面，對閥門核心降壓部件及流道結構研究較少?；诖耍顦鋭椎龋?0］分析了超（超）臨界調(diào)節(jié)閥因空化引起的嚴重汽蝕問題，計算結果表明增加套筒級數(shù)可使閥內(nèi)最低壓力上升2.5 MPa，含氣量減少81.8%。Wang 等［11］基于CFD 方法對高壓調(diào)節(jié)閥直角分流式迷宮流道進行了數(shù)值模擬，認為串聯(lián)和并聯(lián)流道共同作用可避免閥內(nèi)空化現(xiàn)象的發(fā)生。Han 等［12］分析了3 種不同液壓錐閥內(nèi)部的氣蝕現(xiàn)象和流動力特性，證明增加閥芯錐角會導致閥內(nèi)發(fā)生更嚴重的空化現(xiàn)象。Jin 等［13］對煤液化用高壓調(diào)節(jié)閥進行流場特性研究，仿真得到的閥內(nèi)空化區(qū)域和氣蝕位置與實際破壞形態(tài)相吻合，證明了數(shù)值模擬的可靠性。

本文針對超（超）臨界工況和特定閥門開度，模擬了調(diào)節(jié)閥內(nèi)的空化流動特性，重點研究了迷宮碟片結構改進前后對碟片流道空化現(xiàn)象的影響。

1 計算模型與邊界條件

1.1 計算模型

以圖1 所示水滴迷宮式調(diào)節(jié)閥（簡稱調(diào)節(jié)閥）為研究對象，它由閥體、閥座、閥瓣、碟片壓套、迷宮碟片組件等組成，箭頭為介質(zhì)流向。其中，迷宮碟片組件由10 個帶有水滴式凸臺的碟片堆疊而成。

圖2 為1/2 碟片流體區(qū)域示意，每個碟片被分為8 條 θ 角大小的獨立流道，每條流道由四排逐級減小的水滴凸臺（簡稱“水滴”）陣列組成，各排水滴在圓周上位于相鄰排水滴中心處，水滴高度均為10 mm。同級水滴間形成有多條流動路徑（簡稱“流路”），但各排流路數(shù)不同，1，3 排有6 條流路，2，4 排有5 條流路。各同級水滴間最窄處為流路節(jié)流口，節(jié)流口是控制流體壓力的關鍵部位。

圖2 碟片流道結構Fig.2 Flow passage structure of disc

1.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

為避免閥內(nèi)渦流對流場分析的影響，在閥門進出口分別加十倍管徑長度的直管［14］。選取空化現(xiàn)象最嚴重的20%開度三維模型［9］，導入前處理模塊并抽取流體區(qū)域。由于碟片上水滴較多、流道復雜，在Mesh 中采用適應性較強的四面體網(wǎng)格對流體區(qū)域進行非結構網(wǎng)格劃分，并對水滴流道區(qū)域網(wǎng)格加密處理，其網(wǎng)格模型如圖3 所示。設置進口壓力為16.9 MPa，出口壓力為0.9 MPa，壁面條件為無滑移壁面。湍流邊界條件為：湍流強度10%，水力直徑8 mm。

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Grid model

2 控制方程及數(shù)值模型

2.1 控制方程

選用Mixture 模型來模擬閥內(nèi)的空化（汽液兩相流）現(xiàn)象。通過求解混合相連續(xù)性方程、動量方程、離散相（此處為汽相）體積輸運方程來預測空化現(xiàn)象［15］。各控制方程如下。

（1）混合相連續(xù)性方程

式中將液相和氣相的混合物視為連續(xù)性介質(zhì)，定義混合物密度ρ=ρvαv+ρl（1-αv），其中ρv和ρl分別表示氣相和液相的密度；αv，αl（αl=1-αv） 分別表示氣相和液相的體積分數(shù)；→V為混合相速度矢量。

（2）動量方程

2.2 湍流模型

標準k-ε模型是通過引入湍動能k 和耗散率ε的兩方程渦黏性模型，在一定程度上考慮了流場內(nèi)湍流發(fā)展的傳遞性，具有計算量小，穩(wěn)定好等優(yōu)點。同時，模型能較好的適用超（超）臨界工況下充分發(fā)展的閥內(nèi)高雷諾數(shù)復雜湍流流動［16］。

湍動能k 和耗散率 ε如下：

式中 ρ——流體密度；

t——時間；

μ ——分子黏性；

μt——湍流黏度；

σk，σε——k，ε的湍流普朗特數(shù)；

Gk——由速度梯度而引起的湍動能；

Gb——由浮力而引起的湍動能；

YM—— 可壓縮流中壓力脈動對總耗散率的影響；

C1，C2，C1ε，Cμ——常數(shù)。

2.3 空化模型

Schnerr-Sauer 空化模型是用于計算氣液兩相間相變轉(zhuǎn)換的模型，考慮了從液相到氣相的質(zhì)量傳遞。由Schnerr 等［17］定義的空化蒸發(fā)相與冷凝相如下。

當PV＞P 時：

式中 RB——氣泡半徑；

P，PV—— 氣泡周圍壓力和介質(zhì)飽和蒸 汽壓。

3 計算結果

由于碟片流道的對稱性，每個流道的流動特性具有良好的一致性。故以下只取碟片平面（即XZ 平面）單個流道做具體展示。為進一步分析閥內(nèi)流場特性和空化現(xiàn)象，沿介質(zhì)主要流路取多個樣點得到穩(wěn)態(tài)下流場參數(shù)。如圖4（a）所示，樣點路徑由9 條線段組成，每段取30 個樣點。

3.1 原結構分析

由圖4（a）（b）可以看出，隨著介質(zhì)進入一級流路，流通面積減小，介質(zhì)流速增大，在節(jié)流口附近出現(xiàn)低壓甚至負壓。第4 級水滴時流速達到237 m/s，且負壓最為明顯，達到24.9 MPa，已遠遠低于該溫度下介質(zhì)飽和蒸氣壓。流經(jīng)節(jié)流口后，流道擴張，壓力恢復。由于介質(zhì)在進入下一級流路前對水滴的撞擊，消耗了大量動能，在兩級水滴間出現(xiàn)高壓區(qū)和速度緩沖區(qū)。其中，第一、二排水滴時最為明顯。隨著降壓級數(shù)增加，介質(zhì)壓力與速度在流道內(nèi)表現(xiàn)為反復的升降現(xiàn)象。

根據(jù)伯努利原理［18］，節(jié)流口處壓力與速度的變化值應較其他區(qū)域更大，即水滴兩側（節(jié)流口）是最易發(fā)生空化的區(qū)域。圖4（c）也表明，各級水滴兩側均有空化現(xiàn)象出現(xiàn)。越靠近流道出口介質(zhì)汽化越嚴重，最后一級水滴流道幾乎全部為汽體，最大汽相體積分數(shù)為1。雖然水滴結構減壓能力強，但大面積的空化現(xiàn)象會影響閥門的正常運行。故需對原有水滴結構進行優(yōu)化并改善空化性能。

圖4 原結構流道云圖Fig.4 Nephogram of the flow channel of the original structure

3.2 圍堰結構對空化影響

借鑒圍堰在水利工程領域的應用［19-26］，在原水滴流道設環(huán)形圍堰。由圖4 可知，高速流和空化區(qū)域主要集中在流道出口附近，故將圍堰設在出口處，期望達到緩和壓降、消耗介質(zhì)能量最終實現(xiàn)抑制空化現(xiàn)象的目的?？紤]到圍堰的可加工性，圍堰截面形狀為矩形和圓形，高度為水滴高度一半。不同圍堰碟片如圖5 所示。

圖5 不同圍堰結構碟片F(xiàn)ig.5 Discs with different cofferdam structures

各樣點平均壓力曲線如圖6 所示。由圖可以看出，改進結構介質(zhì)壓力曲線整體略高于原結構。由于介質(zhì)流經(jīng)節(jié)流口前，流通面積逐漸縮小，3 種結構在A-B、C-D、E-F、G-H 段內(nèi)介質(zhì)壓力均呈下降趨勢，在H 點出現(xiàn)最低壓力；經(jīng)節(jié)流口后，流路持續(xù)擴張，在B-C、D-E、F-G、H-I 區(qū)間內(nèi)介質(zhì)壓力逐漸回升。I-J 段為出口附近無水滴區(qū)域流路，此區(qū)間內(nèi)原結構介質(zhì)壓力趨于穩(wěn)定；由于圍堰的節(jié)流效應，改進結構出現(xiàn)壓力驟降。原結構最大壓降為19.95 MPa，最低負壓為13.42 MPa；對于改進結構，由于介質(zhì)在出口處對圍堰的撞擊，在圍堰內(nèi)側形成部分回流和渦流，使流道內(nèi)各處壓力較無圍堰時更高。圓形圍堰各級最大壓降為15.88 MPa，最低負壓為7.2 MPa，較原結構均有所降低。矩形圍堰各級壓降較其他結構均更小，最大為9.48 MPa，僅為原結構的47.5%；各級最低壓力為2.42 MPa，較原結構升高了15.84MPa，且遠遠高于該溫度下介質(zhì)飽和蒸氣壓。說明增加圍堰有利于控制閥內(nèi)壓降，且矩形圍堰的控制效果要優(yōu)于圓形圍堰。

圖6 各樣點平均壓力曲線Fig.6 Average pressure curve at various points

各樣點速度曲線如圖7 所示。由圖可以看出，原結構速度曲線位于最上層，圓形圍堰次之，矩形圍堰最低，且介質(zhì)速度均趨于平緩。3 種結構介質(zhì)速度在A-B、C-D、E-F、G-H 段內(nèi)均呈上升趨勢，在B-C、D-E、F-G、H-I 段內(nèi)迅速降低，且最大速度隨降壓級數(shù)的增加持續(xù)上升，第四級水滴時（即GI 段）變化最明顯。由于圍堰的存在，改進結構在I-J 段也出現(xiàn)小幅速度波動。原結構最大流速為237 m/s，遠超出閥門工作要求。結構改進后，流道下層介質(zhì)在出口處對圍堰產(chǎn)生撞擊，轉(zhuǎn)向后與上層介質(zhì)交匯碰撞。這一過程消耗了大量動能，使得介質(zhì)速度得以降低。圓形與矩形圍堰最大速度分別為189，145 m/s，相對于原結構分別降低了20.3%，38.8%。在圍堰出口處，介質(zhì)經(jīng)過圓形圍堰形成扇形射流，使出口流速較其他兩種結構更低，達到44.7 m/s。因此，增加圍堰可減小流道出口處介質(zhì)動能，有效減輕高速介質(zhì)對水滴流路和閥體的沖蝕。相對于圓形圍堰，矩形圍堰的整體控速性能更佳，但出口流速偏高。

圖7 各樣點速度曲線Fig.7 Speed curve at various points

氣相體積分數(shù)曲線如圖8 所示。由圖4（c）可知，原結構空化區(qū)域均出現(xiàn)在節(jié)流口附近，即圖8 樣點區(qū)域65-85，120-145，180-225。且降壓級數(shù)越多，空化區(qū)域越大，在三級和四級水滴附近，最大氣相體積分數(shù)均為1。與原結構相比，圓形圍堰流道內(nèi)空化區(qū)域有所收縮，空化相對嚴重的位置向流道出口處轉(zhuǎn)移，減小了水滴流路被汽蝕破壞的可能性。矩形圍堰的空化區(qū)域相對于其他兩種結構有大幅縮減，僅樣點190 附近出現(xiàn)小面積空化現(xiàn)象，其最大氣相體積分數(shù)為0.18，相對于原結構降低了82%。因此，相對于其他兩種結構，矩形圍堰有更好的抑制空化能力。

圖8 氣相體積分數(shù)曲線Fig.8 Gas volume fraction curve

3.3 圍堰尺寸對空化影響

基于上述研究結果，以下研究矩形圍堰高度對碟片流道空化特性的影響，圍堰高度h 為3，5，7 mm（簡稱h3，h5，h7）的汽相體積分數(shù)分布云圖，如圖9 所示。

圖9 不同圍堰高度氣相體積分數(shù)云圖Fig.9 Nephogram of gas phase volume fraction at different cofferdam heights

由圖可以看出，由于h3時圍堰高度過低，對介質(zhì)形成阻力的區(qū)域較小，圍堰內(nèi)側不能形成足夠的回流來消耗后續(xù)介質(zhì)能量，導致節(jié)流口處介質(zhì)壓力低于該溫度下飽和蒸氣壓，出現(xiàn)大面積空化區(qū)域。h5時流道內(nèi)壓降更緩和，空化區(qū)域大面積減小，只出現(xiàn)在水滴兩側和圍堰附近很少一部分區(qū)域，最大氣相體積分數(shù)為0.96，說明增加圍堰高度有利于抑制流道內(nèi)空化的產(chǎn)生。h7時空化區(qū)域集中在圍堰附近，最大氣相體積分數(shù)為0.57，較h5降低了40.6%，且流道內(nèi)不再有空化現(xiàn)象產(chǎn)生。由此表明，雖然過高的圍堰可能影響閥門流量，但可使空化現(xiàn)象減弱并向圍堰處轉(zhuǎn)移，避免流路遭汽蝕破壞。

如圖9（b）所示，在最后一級流路節(jié)流口和流道出口附近分別設監(jiān)測點1、監(jiān)測點2，對比圍堰高度對流道內(nèi)瞬態(tài)空化特性的影響。圖10 示出前50 ms 兩監(jiān)測點氣相體積分數(shù)曲線。如圖10（a）中在最后一級流路節(jié)流口，前15 ms 內(nèi)氣相體積急劇上升，隨后流場穩(wěn)定，h3，h5氣泡體積占比維持在0.95，0.47。相反，h7氣泡體積則由最大的0.68 快速衰減至0，表明在該區(qū)域發(fā)生著劇烈的氣泡潰滅現(xiàn)象。如圖10（b）中圍堰上方前6 ms 內(nèi)氣泡體積急劇增加，h7最高達到0.75，流場穩(wěn)定后維持在0.45 左右；相對而言，h3，h5氣泡體積增長緩慢且占比較低。因此，較高的圍堰尺寸會使水滴兩側形成大量氣泡并迅速潰滅，在短時間內(nèi)形成不穩(wěn)定流場，不利于閥門的啟閉操作。

圖10 監(jiān)測點瞬態(tài)空化特性Fig.10 Transient cavitation characteristics of monitoring points

4 結論

（1）對水滴迷宮式調(diào)節(jié)閥流場空化特性進行分析，結果表明水滴迷宮式碟片減壓效果明顯，但碟片流道內(nèi)最低負壓達24.9 MPa，同時出現(xiàn)大面積空化現(xiàn)象，最大流速達到237 m/s，遠遠超出閥門工況要求。水滴結構變化和節(jié)流口的存在是流道內(nèi)產(chǎn)生劇烈空化現(xiàn)象的主要原因。

（2）增加圍堰結構有利于抑制空化現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時可控制閥內(nèi)壓降和高速流現(xiàn)象，且矩形圍堰抑制效果要優(yōu)于圓形圍堰。與原結構相比，矩形圍堰結構最大壓降減少52.5%，最大流速降低38.8%，最大氣相體積分數(shù)為0.18，且空化區(qū)域幾乎消失。

（3）增加圍堰高度可抑制流道空化現(xiàn)象并使空化位置向圍堰出口處轉(zhuǎn)移。隨著圍堰高度增加，氣相體積分數(shù)在節(jié)流口處由0.95 下降至0，在圍堰上方由0.15 上升至0.45。但過高的圍堰不僅會影響閥門正常流量和啟閉特性，還會加速圍堰結構破壞，影響調(diào)節(jié)閥使用性能。