蔣永兵,侯聰偉,郝嬌山,王偉波,于龍杰,錢錦遠(yuǎn),金志江*
(1. 重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司,重慶 400707;2.浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所,浙江 杭州 310027)
控制閥(又稱調(diào)節(jié)閥)作為一種流動(dòng)控制元件,具有調(diào)節(jié)流體介質(zhì)壓力、流量及控制流體介質(zhì)流動(dòng)方向等功能.控制閥根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu),可以分為柱塞式、套筒式、迷宮式及V型球式控制閥.其中,套筒式控制閥(簡(jiǎn)稱套筒閥)又分為節(jié)流窗口型和多孔型.多孔套筒又被稱為籠式套筒或者多孔籠罩.雙層套筒閥是在單層多孔套筒閥結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,增加了1層多孔套筒.作為1種常見(jiàn)的套筒閥,其對(duì)于改善控制閥流通能力、抑制空化有著良好的效果.套筒作為多孔套筒控制閥中節(jié)流元件,其壓降效果與套筒開孔孔徑有直接關(guān)系,因此套筒開孔孔徑會(huì)嚴(yán)重影響多孔套筒閥的壓降、流動(dòng)及流量特性.
國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者針對(duì)套筒閥做了大量研究.套筒結(jié)構(gòu)對(duì)于改善控制閥內(nèi)部流場(chǎng)有著良好效果,尤其是針對(duì)壓降特性及空化.JIN等[1]為了減少套筒控制閥內(nèi)部空化,研究了平底、橢圓形、圓錐臺(tái)和圓柱體4種閥芯形狀對(duì)控制閥內(nèi)部流場(chǎng)空化現(xiàn)象的影響,發(fā)現(xiàn)平底閥芯、圓錐臺(tái)閥芯對(duì)空化強(qiáng)度具有較好的控制效果.蔡標(biāo)華等[2]研究了3種閥口形狀對(duì)節(jié)流閥流量特性和調(diào)控特性的影響,發(fā)現(xiàn)閥口形狀對(duì)流量系數(shù)影響很大,且在小開度下,閥門內(nèi)部流動(dòng)更復(fù)雜.于靜梅等[3]研究套筒結(jié)構(gòu)對(duì)汽輪機(jī)高壓旁路閥節(jié)流特性影響,發(fā)現(xiàn)迷宮彎折型套筒結(jié)構(gòu)對(duì)閥內(nèi)氣流壓降、降速影響最大.XU等[4]通過(guò)研究流量、流通面積和流動(dòng)阻力系數(shù)之間的關(guān)系,并對(duì)流量阻力系數(shù)進(jìn)行修正,進(jìn)而設(shè)計(jì)了二層減壓多孔套筒閥節(jié)流孔,提高了閥門流量調(diào)節(jié)能力,降低了氣穴侵蝕和閃蒸.JIANG等[5]通過(guò)優(yōu)化預(yù)充壓力、閥尺寸參數(shù),減小了籠式節(jié)流閥節(jié)流效應(yīng)的影響,降低了由于節(jié)流效應(yīng)導(dǎo)致的水合物形成的風(fēng)險(xiǎn).YAGHOUBI等[6]研究了套筒層數(shù)對(duì)套筒控制閥內(nèi)的汽蝕抑制效果,發(fā)現(xiàn)套筒數(shù)量不宜超過(guò)3層.
此外,許多學(xué)者還對(duì)套筒閥進(jìn)行仿真模擬研究,并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了CFD的可靠性.WINDEMUTH等[7]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究定標(biāo)汽輪機(jī)控制閥內(nèi)的非定常流場(chǎng)和流體-結(jié)構(gòu)相互作用,討論不同壓力比下流動(dòng)穩(wěn)定性的演變,提高了控制閥性能.LIU等[8]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的手段對(duì)不同開度、流速下的套筒閥旋流計(jì)的流量特性以及節(jié)流效果進(jìn)行了對(duì)比,證明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性.陳富強(qiáng)等[9]基于k-ε湍流模型對(duì)過(guò)熱蒸汽套筒式減壓閥進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬研究,并通過(guò)多種試驗(yàn)手段證明了數(shù)值模擬結(jié)果.
針對(duì)雙層套筒閥,目前缺少內(nèi)外套筒小孔孔徑組合對(duì)控制閥壓降流動(dòng)特性及流通性能影響的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道.文中對(duì)雙層套筒閥建立可壓縮過(guò)熱蒸汽穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型.在全開工況下,對(duì)不同內(nèi)外層套筒開孔孔徑組合的數(shù)值模型模擬結(jié)果進(jìn)行比較.發(fā)現(xiàn)內(nèi)外層套筒不同孔徑對(duì)于每層套筒的壓降有明顯影響.當(dāng)雙層套筒閥需要小幅度提升流量系數(shù)時(shí),可以增大外層套筒開孔孔徑;當(dāng)雙層套筒閥需要大幅度提升流量系數(shù)時(shí),可以對(duì)內(nèi)外層套筒開孔孔徑同時(shí)等比例增大.研究成果對(duì)于套筒閥內(nèi)多孔套筒的孔徑設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義.
閥門中的流體介質(zhì)遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒以及能量守恒.文中采用穩(wěn)態(tài)模擬方法,其連續(xù)性方程表示為
(1)
式中:u為流體流速;ρ為流體密度;下標(biāo)i為流動(dòng)方向.
動(dòng)量方程表示為
(2)
(3)
式中:g為重力加速度;p為流體壓力;τij為黏性應(yīng)力張量;μ為動(dòng)力黏度.
能量方程表示為
(4)
式中:Pr為普朗特?cái)?shù);T為流體溫度;cV和cp為比定容熱容和比定壓熱容.
介質(zhì)為可壓縮的高溫高壓蒸汽,在模擬中可視為理想氣體,因此需要聯(lián)合求解質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程.
文中采用的DN65單層套筒閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.圖中將套筒頂部與閥體頂部平齊,套筒底部放置在閥體中心臺(tái)階處,套筒上部臺(tái)階部分與閥體上部臺(tái)階部分貼合設(shè)計(jì).套筒結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖2所示,圖中a為內(nèi)層套筒孔徑與原單層模型孔徑的比值,b為外層套筒孔徑與內(nèi)層套筒孔徑的比值.
圖1 單層套筒閥結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 套筒結(jié)構(gòu)尺寸示意圖
小孔孔徑為3.5 mm,每層孔環(huán)向均布6個(gè),相鄰2層孔相互錯(cuò)開30°,軸向間距3 mm,一共設(shè)置12層孔.閥塞高度40 mm,其直徑與套筒內(nèi)徑相同,為75 mm.同時(shí)為減少數(shù)值計(jì)算中的回流,閥前添加2倍閥公稱通徑長(zhǎng)度的管路,閥后添加6倍閥公稱通徑長(zhǎng)度的管路[10].由于介質(zhì)為高溫蒸汽,要求流經(jīng)控制閥時(shí)下進(jìn)上出,在原有單層套筒基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)雙層套筒(見(jiàn)圖2b).套筒開孔孔徑設(shè)計(jì)原則為內(nèi)層套筒開孔孔徑不大于外層套筒開孔孔徑.因此,以原套筒開孔孔徑(3.5 mm)為基礎(chǔ),內(nèi)外層套筒開孔孔徑進(jìn)行不同比例放大組合,得到不同雙層套筒開孔孔徑組合與控制閥流量系數(shù)Cv之間的變化關(guān)系.
表1為雙層套筒閥不同內(nèi)外套筒孔徑組合,表中A1—D1為每個(gè)內(nèi)外層套筒孔徑組合的編號(hào),一共10組.當(dāng)內(nèi)層套筒孔徑不變時(shí)(a=1),只放大外層套筒孔徑,得到A1,A2,A3和 A4;當(dāng)內(nèi)層套筒孔徑與外層套筒孔徑相同時(shí)(b=1),同時(shí)放大內(nèi)外層套筒孔徑,得到A1,B1,C1和D1.
表1 雙層套筒閥不同內(nèi)外套筒孔徑組合
采用十二面體對(duì)控制閥流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.本研究不關(guān)注靠近壁面處流場(chǎng)的分布情況,因此不增加邊界層網(wǎng)格.文中的模型網(wǎng)格逆正交質(zhì)量為0.798,滿足控制閥數(shù)值計(jì)算要求.以最大單元面網(wǎng)格尺寸Mmax為自變量,觀察出口流量變化,完成網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證,如表2所示,表中N為網(wǎng)格數(shù),N1為面數(shù),N2為節(jié)點(diǎn)數(shù),Qout為出口流量.
表2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證
由表2可知,當(dāng)最大尺寸小于等于3.0 mm后,出口流量基本不變,因此將面最大尺寸設(shè)置為3.0 mm,用來(lái)劃分流道網(wǎng)格,如圖3所示.十二面體網(wǎng)格在小孔通道處進(jìn)行了自動(dòng)加密,在某些尖角部分分布合理.整個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)量相對(duì)四面體網(wǎng)格明顯下降.
圖3 流道模型網(wǎng)格示意圖
380 ℃過(guò)熱蒸汽物性參數(shù):密度為43.92 kg/m3,比熱為3 521.34 J/(kg·K),導(dǎo)熱系數(shù)為6.92×10-2W/(m·K),動(dòng)力黏度為2.36×10-5kg/(m·s).入口壓力(表壓)和出口壓力(表壓)分別為10.75和2.50 MPa,其他壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面.將介質(zhì)密度設(shè)置為理想氣體,采用密度基求解器及穩(wěn)態(tài)求解.求解方法的設(shè)置采用默認(rèn)設(shè)置,包括:隱式方法求解;離散化中,網(wǎng)格梯度Least Squares Cell-Based,流項(xiàng)二階迎風(fēng)格式,湍動(dòng)能項(xiàng)一階迎風(fēng)格式,湍流耗散率項(xiàng)一階迎風(fēng)格式.求解控制參數(shù)均采用默認(rèn)設(shè)置,迭代步數(shù)設(shè)置為10 000.湍流模型采用基于雷諾時(shí)均(RANS)方法的k-ε模型求解.
相關(guān)學(xué)者的研究成果可間接驗(yàn)證文中數(shù)值模擬方法的可靠性.QIAN等[11]通過(guò)數(shù)值模擬以及試驗(yàn)方法對(duì)多孔套筒式高參數(shù)減壓閥進(jìn)行流量特性研究.其研究的減壓閥結(jié)構(gòu)與文中雙層套筒閥結(jié)構(gòu)及工況相似,口徑為80 mm,介質(zhì)為410 ℃過(guò)熱蒸汽,入口壓力為5.80 MPa,出口壓力為1.00 MPa.仿真分析設(shè)置方面,介質(zhì)密度選用理想可壓縮氣體模型,采用密度基求解器,并基于k-ε湍流模型求解減壓閥內(nèi)部流動(dòng).通過(guò)搭建試驗(yàn)裝置管路測(cè)試得到小開度下減壓閥的流量系數(shù),數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果基本趨勢(shì)一致,最大誤差為12 %.這一結(jié)果也間接證明了文中基于相同數(shù)值模擬方法所得到結(jié)果的可靠性.
在研究控制閥流場(chǎng)特性時(shí),首先判斷流場(chǎng)是否達(dá)到阻塞流狀態(tài).當(dāng)過(guò)熱蒸汽通過(guò)控制閥時(shí),流道截面積發(fā)生變化.根據(jù)伯努利方程,截面積越小流速越大,靜壓越低.伯努利方程當(dāng)縮流口已經(jīng)達(dá)到臨界流速時(shí)不再適用.此時(shí)情況恰恰相反,根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)的原理,閥后截面積越大,流速越快,氣體膨脹.此時(shí)閥前后壓差變化不會(huì)使流量改變,出現(xiàn)可壓縮流體阻塞流.蒸汽不涉及閃蒸和空化問(wèn)題,但高壓差控制閥中普遍存在阻塞流現(xiàn)象,會(huì)對(duì)流量系數(shù)有一定的影響.因此,在設(shè)計(jì)控制閥結(jié)構(gòu)時(shí),要盡量避免發(fā)生阻塞流.對(duì)于可壓縮流體,阻塞流壓差計(jì)算式為
(5)
式中:p1為入口壓力;XT為臨界壓差比;K為氣體絕熱指數(shù),K=1.32.
該控制閥為單座閥,單層套筒型閥芯,流動(dòng)方向?yàn)榱鏖_,因此對(duì)應(yīng)的XT為0.75.計(jì)算可得Δpcr為7.60 MPa,該工況前后壓差為8.25 MPa,理論上單層套筒會(huì)發(fā)生阻塞流,因此需要采用雙層套筒來(lái)避免阻塞流發(fā)生.
圖4為A1模型2層套筒內(nèi)外壁面壓力分布云圖.從圖中可以看出,套筒壁面除小孔外的部分由內(nèi)到外依次減小,每層壁面小孔處的壓力均小于附近壁面壓力.每層套筒前后最大壓差為4.29 MPa,小于該工況下的阻塞流壓差,因此該結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生阻塞流.
圖4 A1模型2層套筒內(nèi)外壁面壓力分布云圖
圖5為不同內(nèi)外層孔徑模型壓力變化.圖5a中,內(nèi)層套筒壓降隨著外層套筒孔徑增大而增大,外層套筒則相反.這是由于外層套筒開孔孔徑不斷增大時(shí),對(duì)應(yīng)流通截面積也不斷增大,流阻減小.當(dāng)內(nèi)外層套筒開孔孔徑相同時(shí),內(nèi)層套筒壓降只有外層套筒壓降的79.5%.隨著外層孔徑與內(nèi)層孔徑的比值不斷提高,內(nèi)層套筒壓降遠(yuǎn)超外層套筒.外層套筒孔徑增大到一定水平時(shí),壓降效果基本消失.圖5b中,由于內(nèi)外層套筒開孔孔徑保持一致,流通截面積和流阻相同,因此2層套筒壓降基本保持不變.
圖5 不同內(nèi)外層孔徑模型壓力變化
套筒間隙處是控制閥內(nèi)流體流速變化最劇烈的區(qū)域之一.圖6a為外層套筒開孔孔徑增大時(shí),套筒間隙流體流速沿Y軸的變化規(guī)律.該區(qū)域?yàn)檎龑?duì)控制閥入口的方向、雙層套筒間隙最中間位置.隨著外層孔徑增大,控制閥流速明顯上升,且流速提升的幅度有所上升,但并未達(dá)到超聲速狀態(tài)(Ma>1).每個(gè)曲線的波峰所對(duì)應(yīng)的位置正對(duì)套筒小孔,波谷所對(duì)應(yīng)的位置正對(duì)套筒上下層小孔間隔處.一條曲線上每個(gè)波峰高度相近,意味著流體自下而上流經(jīng)套筒小孔時(shí)的流速相差不大.其他方位間隙的流體流速變化規(guī)律與圖6a類似.而當(dāng)內(nèi)外層套筒孔徑等比例放大時(shí),每層套筒的壓降基本沒(méi)有發(fā)生變化,套筒間隙處流速變化規(guī)律也幾乎不變.在套筒控制閥內(nèi),套筒徑向上流體流速變化同樣劇烈.圖6b為內(nèi)外層套筒開孔孔徑等比例增大時(shí),套筒最底層小孔內(nèi)流體流速沿X軸變化.如圖2中虛線b所示,該區(qū)域從正對(duì)控制閥入口方向的第一層小孔中心到正對(duì)控制閥出口方向的直線.隨著放大比例增大,整體流速變化不大,但在套筒間隙處流體流速波動(dòng)明顯下降,且流速較大.內(nèi)層套筒內(nèi)部流場(chǎng)流速最低點(diǎn)出現(xiàn)在中心軸線靠近入口的一側(cè),且隨著放大比例的增大,流速最低點(diǎn)向入口方向移動(dòng),且最低流速不斷降低,可達(dá)11.4 m/s.該分布規(guī)律顯示了閥塞底部不平衡壓力與流速分布,造成閥塞底部受力不均,對(duì)套筒發(fā)生擠壓,影響套筒和閥塞的壽命.當(dāng)套筒外層孔徑與內(nèi)層孔徑比值增大時(shí),也呈現(xiàn)相同的規(guī)律.總體上,出口側(cè)流體流速比入口側(cè)的流速高.
圖6 套筒不同位置處流速變化情況
表3為每個(gè)組合的質(zhì)量流量Qm、額定Cv以及現(xiàn)有額定Cv與原單層套筒式模型額定流量系數(shù)之間的比值r.單層套筒閥額定Cv為21.7.由表3可知,相同孔徑的套筒由1層變成2層時(shí),其額定Cv只下降了6.5%.當(dāng)組合為1∶1.2時(shí),其額定Cv剛好與原模型相等.從表中還可以得出內(nèi)層套筒孔徑變化和外層套筒孔徑變化對(duì)于額定Cv的影響.表4中比較內(nèi)層套筒孔徑變化與外層套筒孔徑變化對(duì)于額定Cv的影響.與A1的額定Cv作比較,單純?cè)黾油鈱犹淄查_孔孔徑(A2,A3,A4),Cv提升比例γ只從4.4%增加到10.3%,提升幅度有限;在增加外層套筒孔徑的基礎(chǔ)上,再同比例提升內(nèi)層套筒孔徑(B1,C1,D1),Cv提升比例迅速?gòu)?3.3%增加到68.5%,提升幅度明顯.
兩者比較之下發(fā)現(xiàn):隨著孔徑的增大,內(nèi)徑+外徑對(duì)Cv提升比例跟外徑對(duì)Cv提升比例之比從302.3%增加到665.0%,內(nèi)層套筒孔徑對(duì)Cv的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外層套筒孔徑對(duì)Cv的影響.因此,在保證外層套筒開孔孔徑不小于內(nèi)層套筒開孔孔徑的前提下,當(dāng)雙層套筒閥需要小幅度提升Cv時(shí),可以先考慮改變外層套筒開孔孔徑;當(dāng)雙層套筒閥需要大幅度提升Cv時(shí),可以考慮內(nèi)外層套筒同時(shí)等比例改變孔徑大小.
表3 不同內(nèi)外套筒孔徑組合雙層套筒閥Qm,Cv和r
表4 內(nèi)外層套筒開孔孔徑對(duì)額定Cv影響的比較
1) 只增大外層套筒開孔孔徑時(shí),內(nèi)層套筒壓降迅速增大,外層套筒壓降反之減少;內(nèi)外層套筒開孔孔徑等比例放大時(shí),每層套筒壓降幾乎沒(méi)有變化.
2) 只增大外層套筒孔徑時(shí),套筒間隙處流體流速不斷增大,且幅度提高,正對(duì)小孔處流體流速較高.內(nèi)外層套筒孔徑等比例放大時(shí),內(nèi)層套筒內(nèi)部流場(chǎng)最低流速位置向入口移動(dòng),套筒間隙處流速變化波動(dòng)減小.
3) 當(dāng)雙層套筒閥需要小幅度提升流量系數(shù)時(shí),只增大外層套筒孔徑;當(dāng)雙層套筒閥需要大幅度提升流量系數(shù)時(shí),對(duì)內(nèi)外層套筒孔徑同時(shí)等比例增大.