截止閥內(nèi)部的介質(zhì)流動(dòng)和空化特性研究

楊隆杰 ， 項(xiàng)光武 ， 孫希望 ， 項(xiàng)良海 ， 羅建康 ， 王仁愛 ， 楊 揚(yáng) ， 雷 洪

（1.浙江石化閥門有限公司，浙江 溫州 325025；2.浙江理工大學(xué)，浙江 杭州 310018）

1 概述

閥門是管道輸送系統(tǒng)中不可缺少的一部分，對(duì)管道中介質(zhì)的通斷、節(jié)流以及調(diào)節(jié)等起著非常重要的作用[1-4]。截止閥作為管路系統(tǒng)中比較常見的閥門，既可以應(yīng)用于輸送生活用水，也可應(yīng)用于輸送重型工業(yè)燃料，其主要通過閥瓣和閥桿沿著閥座中心的直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送介質(zhì)的截?cái)嗷蛘{(diào)節(jié)[5-6]。由于截止閥結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，截止閥內(nèi)部非常容易發(fā)生空化現(xiàn)象，空化產(chǎn)生的空泡會(huì)對(duì)截止閥產(chǎn)生空蝕、噪聲、振動(dòng)等危害[7]。

為了降低截止閥內(nèi)部的空化危害，學(xué)者們對(duì)截止閥內(nèi)部的空化現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究。周霞等[8]對(duì)低溫截止閥內(nèi)液氮空化的發(fā)展規(guī)律以及空化對(duì)壁面產(chǎn)生的壓力沖擊進(jìn)行了研究，并對(duì)如何避免截止閥系統(tǒng)因空化而產(chǎn)生共振提出了參考性意見。孟新凌等[9]對(duì)小開度高溫高壓截止閥三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)高溫高壓介質(zhì)會(huì)對(duì)閥座密封面產(chǎn)生較強(qiáng)的沖刷作用，并提出了通過多級(jí)節(jié)流槽閥瓣結(jié)構(gòu)以改進(jìn)錐面密封副的方法，來避免高速介質(zhì)沖刷密封副和減少空化汽蝕現(xiàn)象。劉東彥等[10]針對(duì)直角截止閥內(nèi)部的空化噪聲問題進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明直角截止閥在閥門出口位置具有明顯的空化現(xiàn)象和湍流噪聲，并且開度越小，空化噪聲越嚴(yán)重。但是對(duì)于截止閥內(nèi)部的介質(zhì)流動(dòng)以及空化現(xiàn)象的研究仍然非常不足，因此本文將繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行研究。

2 物理模型和數(shù)值模擬方法

2.1 物理模型

本研究所采用的截止閥內(nèi)部口徑D=102 mm，由浙江石化閥門有限公司的設(shè)計(jì)人員自主研發(fā)。圖1為截止閥的三維結(jié)構(gòu)示意圖，截止閥的主要結(jié)構(gòu)包括手輪、支架、閥桿、閥蓋、閥瓣、閥體以及各種連接件和密封件，最高可承受5 MPa的壓力。

圖1 截止閥三維結(jié)構(gòu)示意圖

為了對(duì)截止閥中的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，首先需要對(duì)截止閥中的介質(zhì)流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行提取。圖2為截止閥在行程開度為50%的內(nèi)部計(jì)算域示意圖。上游管道被延長至截止閥內(nèi)徑的10倍距離，下游管道被延長至截止閥內(nèi)徑的15倍距離，以保證流動(dòng)介質(zhì)的充分發(fā)展，更好地對(duì)截止閥內(nèi)部的空化現(xiàn)象進(jìn)行研究。

圖2 截止閥50%開度計(jì)算域示意圖

2.2 數(shù)值模擬方法

本文采用常溫水為介質(zhì)來對(duì)截止閥內(nèi)部的空化進(jìn)行研究，常溫水以及發(fā)生空化后所形成的水蒸氣的介質(zhì)屬性如表1所示。截止閥的入口速度分別為3.5 m/s和5.5 m/s，出口邊界條件為壓力出口，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101 325 Pa）。

表1 截止閥內(nèi)部介質(zhì)的物理屬性

對(duì)于空化計(jì)算來說，目前使用較為廣泛的多相流模型主要有流體體積法（Volume of Fluid,VOF）和均質(zhì)混合方法（Mixture）。VOF方法能夠計(jì)算出非常明顯的汽液交界面，但是需要非常精細(xì)的網(wǎng)格和比較大的計(jì)算資源；Mixture雖然不能得到非常精確的汽液交界面，但是Mixture模型需要的計(jì)算資源較少，計(jì)算穩(wěn)定性也非常好。因此，本文選擇通過混合模型（Mixture）來描述截止閥中的空化現(xiàn)象，其控制方程如下所示：

其中，U為汽液混合相的速度，p為壓力，ρm為汽液混合物的密度，通過下面公式進(jìn)行計(jì)算：

ρv和ρι分別為汽相和液相的密度，α為空泡體積分?jǐn)?shù)。τ為應(yīng)力張量，可以表示為：

其中，I為Kronecker算子；μm為汽液混合物的黏度，通過下面公式計(jì)算：

截止閥的空化計(jì)算采用SSTk-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型來進(jìn)行。設(shè)置計(jì)算殘差為10-5，當(dāng)出口邊界上的平均質(zhì)量流量保持穩(wěn)定，或者是計(jì)算殘差已經(jīng)低于10-5時(shí)，便認(rèn)為計(jì)算過程收斂。

3 結(jié)果討論

當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)截止閥的入口時(shí)，截止閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得截止閥流通面積減小，導(dǎo)致了截止閥入口位置的介質(zhì)流速比上游管道中的介質(zhì)流速要大。當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)閥瓣底部時(shí)，閥瓣對(duì)介質(zhì)的流通產(chǎn)生了較大的阻礙，介質(zhì)在閥瓣與閥體的間隙中流動(dòng)，介質(zhì)的流通面積更小，使得閥瓣底部的介質(zhì)速度變得更大。閥瓣周圍的流場(chǎng)非常紊亂，特別是閥腔內(nèi)的介質(zhì)速度要比主管道中的介質(zhì)速度慢很多。介質(zhì)在經(jīng)過閥瓣與閥體的間隙后進(jìn)入下游管道時(shí)會(huì)形成高速射流。隨著截止閥進(jìn)口速度的增加，截止閥出口段流出的介質(zhì)速度也在增加，尤其是截止閥出口位置的底部，當(dāng)進(jìn)口速度為5.5 m/s時(shí)會(huì)形成一個(gè)高速區(qū)域。

隨著截止閥進(jìn)口速度的增加，截止閥上游管道中的壓力也在逐漸增大。在靠近截止閥出口的位置，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)，并且隨著進(jìn)口介質(zhì)流速的增加，低壓區(qū)的壓力會(huì)越來越低。在上游管道處，介質(zhì)的壓力比較平穩(wěn)；截止閥內(nèi)部的介質(zhì)會(huì)有非常明顯的壓力波動(dòng)，入口速度越大，壓力波動(dòng)的范圍也越大；在截止閥的下游管道處，兩種情況下的介質(zhì)壓力又都下降到相同的壓力值。還能發(fā)現(xiàn)，在截止閥的內(nèi)部，壓力出現(xiàn)了降低至常溫水的飽和蒸汽壓的情況，特別是當(dāng)介質(zhì)的入口流速為5.5 m/s時(shí)非常明顯，說明截止閥的內(nèi)部極有可能發(fā)生了空化現(xiàn)象。

圖3為介質(zhì)速度分別為3.5 m/s和5.5 m/s的情況下，截止閥內(nèi)部的蒸汽相體積分布（蒸汽相的體積為10%），圖中藍(lán)色（深色）部分代表的是蒸汽相在截止閥內(nèi)所占據(jù)的體積。能夠發(fā)現(xiàn)，隨著介質(zhì)進(jìn)口流速的增加，截止閥內(nèi)部的空化現(xiàn)象會(huì)得到增強(qiáng)。當(dāng)介質(zhì)的流速為3.5 m/s時(shí)，截止閥內(nèi)部的蒸汽相體積非常小，空化主要發(fā)生閥體右側(cè)的密封面附近。隨著介質(zhì)流速的增加，當(dāng)介質(zhì)的流速為5.5 m/s時(shí)，截止閥內(nèi)部的蒸汽相體積變得非常大，空化不僅會(huì)發(fā)生在閥體右側(cè)的密封面附近，閥瓣密封面附近也附著有大面積的蒸汽相，并且閥座密封面和閥瓣密封面上的蒸汽相區(qū)域會(huì)逐漸發(fā)展成為一個(gè)整體，延伸至截止閥的出口附近。由于在發(fā)生空化的過程中，會(huì)伴隨著空泡的產(chǎn)生和潰滅，空泡潰滅產(chǎn)生的能量會(huì)沖蝕空泡附近的壁面，因此，在截止閥的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)截止閥閥座密封面和閥瓣密封面的強(qiáng)度，減少空蝕現(xiàn)象造成的危害。

圖3 截止閥內(nèi)部的蒸汽相體積

4 結(jié)語

截止閥廣泛應(yīng)用在各種管道輸送系統(tǒng)中。本文通過采用SSTk-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型相，對(duì)截止閥內(nèi)部的介質(zhì)流動(dòng)和空化現(xiàn)象進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，閥瓣周圍的介質(zhì)流場(chǎng)非常紊亂；介質(zhì)在經(jīng)過閥瓣與閥體的間隙后會(huì)形成高速射流；截止閥的出口位置會(huì)形成一個(gè)低壓區(qū)，介質(zhì)流速的增加會(huì)使得低壓區(qū)的壓力降低；介質(zhì)在截止閥內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)壓力波動(dòng)；壓力波動(dòng)的范圍隨著入口速度的增加而擴(kuò)大；空化現(xiàn)象主要集中在閥座密封面和閥瓣密封面上；介質(zhì)流速的增加使截止閥內(nèi)部的空化現(xiàn)象增強(qiáng)。